城读│三百万年来第一次，地球大气二氧化碳含量超过400ppm

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三百万年来第一次，地球大气二氧化碳含量超过400ppm

2016年，三百万年来第一次大气二氧化碳浓度跨过 400ppm门槛。人类和地球进入了新的时代，找到回去的路将会更加艰难。

Nicola Jones, How the world passed a carbon threshold and why it matters, 2017

Source: http://e360.yale.edu/features/how-the-world-passed-a-carbon-threshold-400ppm-and-why-it-matters

Picture source: Temperature anomalies 1900-2016 by Antti Lipponen

,https://www.flickr.com/photos/150411108@N06/36460919305/

2016年是载入地球大气史册的一年，大气二氧化碳浓度打破记录，超过400ppm (parts per million)。上一次地球大气中二氧化碳浓度达到这么高的水平要追溯到几百万年前，那时地球的温度比现在高几度，冰川融化使得海平面比现在高几十米。环境科学家们认为，大气二氧化碳浓度400ppm是一道清楚的红色警戒线，从此人类进入了新的时代，地球进入了气候变化的危险区域。 

最早测量大气二氧化碳浓度的科学家是查尔斯·基林，他1958年在夏威夷大岛的莫纳鲁阿山（Mauna Loa）山顶建立观测站，开始持之以恒地测量二氧化碳浓度。1958年大气二氧化碳浓度为316ppm，只比前工业化时代的280ppm略高一些。

随着人类不断挖出地下储存的碳、不断燃烧以获得燃料，二氧化碳浓度快速接近并达到这个门槛值。2013年，在二氧化碳排放最高的五月，大气二氧化碳浓度曾短暂地超过了400ppm。2014年四月整整一个月二氧化碳浓度保持在400ppm之上。2015年平均二氧化碳浓度超过400ppm。2016年，即使在碳排放最低的九月份，二氧化碳浓度也超过了400ppm，使得2016年一年十二个月的数据全线飘红。

地球大气的二氧化碳的快速增长始于六十多年前，从1958年316ppm，攀升到今天的407ppm（斯克里普斯海洋研究所）。

大气二氧化碳浓度是怎么测量的？

1950年代，查理·基林选择夏威夷大岛的活火山莫纳鲁阿山（Mauna Loa）作为测量二氧化碳的地点，这是一个适宜测量大气平均值的好地方。莫纳鲁阿山拔海而起，海拔高达3400米，来自远处和低处的大气排放在山顶已经充分混合，而且作为活火山，四周环绕着延绵数英里的火山岩浆，寸草不生，排除了植物释放的二氧化碳的干扰。

1950年代正好也是人类碳排放开始井喷的时期，1950年排放大约50亿吨二氧化碳，今天年均二氧化碳排放超过350亿吨。自然来源的二氧化碳排放，包括山火、土壤、植物呼吸和降解等，远远超过人类碳排放的30倍有多。但自然是二氧化碳的吸收槽，植物生长和海洋把自然排放的二氧化碳又吸收了回去。因此，人类能量消耗所排放的二氧化碳是导致大气二氧化碳浓度升高的罪魁祸首。一旦二氧化碳排放到大气中，千年不散。

记录二氧化碳浓度变化的基林曲线呈现年度季节波动：整个地球像有机体一样呼吸。莫纳鲁阿山观测站位于北半球，北半球同时也集中了地球的大部分陆地和陆生植物，因此春天大气二氧化碳浓度最高，积雪融化，土壤微生物释放大量二氧化碳；秋天大气二氧化碳浓度最低，二氧化碳被夏季蓬勃生长的植物吸收。一年之中，五月是二氧化碳浓度高峰，九月是二氧化碳浓度低谷。

莫纳鲁阿山观测站成为测量全球二氧化碳水平的标准，其他地区的观测数据也印证了莫纳鲁阿山观测结果。美国国家海洋和大气局（ National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）海洋表面观测站网络（还包括位于南极的海洋观测站）收集的数据，均在2016年超过400ppm水平。美国国家航空航天局（NASA）的轨道碳观测卫星（Orbiting Carbon Observatory-2, OCO-2）数据在400ppm左右浮动，取决于不同地区大气对流模式的差异而不同。

全球大气二氧化碳浓度现已全年超过400ppm（美国国家海洋和大气局）。

2016年南极观测站超过400ppm（美国国家海洋和大气局 ）

大气二氧化碳浓度影响全球气候变化

大气二氧化碳浓度上升的同时，全球气温平行增长。2016年是自1880年有记录以来最热的一年：2016年的气温比前工业时代高了1.1摄氏度。

芬兰气象研究所的Antti Lipponen制作了一个35秒的视频，展示世界191个国家在过去一百年的气候变化，趋势非常清楚：世界各国的气温相对二十世纪初期均显著提高，全球变暖是不争的事实。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=v05360nl8qv&width=500&height=375&auto=0
 

来源：http://e360.yale.edu/digest/new-video-visualizes-a-century-of-global-warming-in-just-35-seconds

2015年《巴黎气候变化协定》设定目标：全球气温上升不超过2摄氏度，最好控制在1.5摄氏度内。按目前二氧化碳浓度增长速度，将会在50年内达到500ppm水平，全球气温将会上升3摄氏度，导致极端气候轮番出现、海平面上升，威胁到全球粮食生产、大规模人口迁移，甚至干旱与山火毁灭亚马逊热带雨林。

400ppm警示人类，世界仍然没有走上限制二氧化碳排放和控制气候变化的轨道上来。跨越这道门槛值应该促使我们集中力量，减少全球碳排放。

地球大气二氧化碳浓度的演变

从长时期的视角来看，对地球而言，二氧化碳浓度400ppm属于低至中等强度。

5亿年前，海洋生物种类和数量大爆发，生物开始上岸，当时大气的二氧化碳浓度非常高，达到7000ppm。那时的地球与现在很不一样：太阳比现在冷，地球处于轨道周期的不同阶段，地球上各大陆分布也不一样，改变了海洋洋流和陆地冰川数量。地球气温可能比现在高10摄氏度，以当时的二氧化碳浓度水平，这个温度算是低的了。尽管由于多种因素互相作用，二氧化碳含量与气温之间的关系难以厘清，但研究者已经确认，二氧化碳是过去5亿年来地球气温上升的主要动因，例如，当大气二氧化碳含量较低时，大型陆地冰川就会形成，海平面就会下降。

地球运动、板块构造的缓慢移动、造山运动和岩石风化都会吸收二氧化碳，因此大气二氧化碳浓度以每百万年13ppm的速度降低，除了有几次大的波动之外。3.5亿年前，地球大型植物分布变得更为普遍，它们的根系扎根于土壤，加速岩石的风化过程，吸收大量二氧化碳存储在岩石之中，导致3亿年前二氧化碳浓度陡降和冰川作用。随后由于大陆板块分开，大规模火山活动频繁，喷发大量二氧化碳，大气二氧化碳浓度翻倍。

过去4亿年二氧化碳浓度变化。上一次二氧化碳浓度达到400ppm要追溯到3百万年前。

上一次地球大气二氧化碳浓度达到300-400ppm水平要追溯到300万年前的中新世，距离现在足够近，那时的地球状况与现在没有根本的差别，地球温度比前工业时代温度要高2-3摄氏度，海平面至少要高出15-25米。加拿大北部生长着森林，世界遍布草地，撒哈拉沙漠可能也有植被覆盖。280万年的能人尝到了这种气候的滋味——能人(Homo habilis)是最早制造使用工具的人类（智人要迟至40万年前才出现）。

要在历史上找到地球大气二氧化碳浓度持续超过400ppm，需要到160万年前比较缓和的第三纪中新世，或者是250万年前的早渐新世，那时的地球气候与现在完全不一样。

科学家用冰芯中包裹的史前大气样本，还原距今 80 万年（包括了人类诞生之后的时间）的高精度二氧化碳浓度曲线，处于180-290ppm之间，在1万年前直到工业革命发生之前，大气二氧化碳浓度保持在280ppm。这是科学家用于评估现代大气二氧化碳浓度增长的基准线。

现代以来，大气二氧化碳浓度增长速度吓人：1950年末期，年均增速为0.7ppm；2005-2014年期间，年均增速达到2.1ppm。

1960年代以来，发达国家持续碳排放、发展中国家的工业化发展导致碳排放陡升，大气二氧化碳浓度不断飙升。

展望未来

尽管400ppm已经是一个恐怖的数字，但是未来几十年很容易超过500ppm，如果对碳排放不加控制，2250年甚至可能达到2000ppm。

2013年，政府间气候变化专门委员会对未来二氧化碳排放和气候变化做了不同情景预测。

最悲观的情景：人口爆炸、技术停滞、排放不断增长，大气二氧化碳浓度将在2250年达到2000ppm。这个水平接近侏罗纪恐龙生活的年代，温度灾难性上升了9摄氏度。

最乐观的情景：碳排放在2020年达到峰值，2070年人类吸收的二氧化碳超过排放量，2100-2200年，大气二氧化碳浓度降至低于400ppm，气温上升控制在1摄氏度之内。

二氧化碳浓度跨过 400ppm 的2016年，太阳照常升起，地球照转水照流，但人类和地球毕竟进入了新的时代，找到回去的路将会更加艰难。

即使从现在开始零排放，要让大气二氧化碳浓度降到前工业化时代280ppm的水平，是一项万年大计。由于海洋表面吸收相当比例的二氧化碳，大气二氧化碳浓度在最初的一千年里降低较快，随后一千年大气中部分二氧化碳会到达深海；然后，地球的碳循环——例如岩石风化——会把剩余多数二氧化碳吸收掉，这需要差不多一万年的时间。

2014年以来尽管全球经济持续增长，全球总碳排放量保持平稳，主要因为中国减少了煤炭消耗。但是平稳的碳排放远远不够，需要减少碳排放、零排放，甚至“负排放”，即采用技术手段吸收排放的二氧化碳。

如果人类希望保护地球，恢复到人类文明最早发展时的状态，大气二氧化碳浓度至少需要降至350ppm，但我们早在1990年已经达到这个水平，我们需要付出无比巨大的努力去逆转大气二氧化碳浓度水平。

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