编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
化石燃料燃烧是导致全球变暖的主要人为CO₂ 排放源，和工业革命后人类的生产生活活动息息相关。新冠疫情影响下，全球多产业停摆，“疫情减少人为CO₂排放”的报道开始见诸报端：据英国Carbon Brief网站的连续报道，今年2月中国的CO₂排放量较往年同期下降了四分之一；英国由于在疫情中全国对电力的需求下降，正在创造一项不用燃煤发电的记录，而整个欧洲电力系统的CO₂排放则减少了39%；放眼全球，据国际能源署估算，今年全球CO₂排放量将减少8%。
疫情对CO₂排放量的影响也引起了科学界的注意。自然科学领域的国际期刊 Nature Climate Change 最近的一项研究发现，截至2020年4月初，全球CO₂日排放量比2019年的平均水平下降了17%。而另一篇由中国科学家牵头、发布在科学文献预印本平台arXiv （https://arxiv.org）的论文指出，2020年第一季度全球二氧化碳排放量减少了5.8%（542 Mt），其中以工业和交通运输的贡献最大。
一个或许令人吃惊的事实是，新冠疫情对全球CO₂排放量减少的贡献将达到2008年金融危机的6倍，超过百年来的历次社会事件，包括第二次世界大战。
那么，人类对CO₂的监测始于何时？大气中的CO₂浓度平时在如何变化？作为主要的温室气体之一，疫情影响下的CO₂排放量减少会减缓全球变暖吗？
全球CO₂排放量相较于前一年的变化，2020年预估值显示为红色。（图片来源：国际能源署Global Energy Review）
基林曲线：为大气CO₂浓度绘制心电图
谈到大气中的CO₂，就不得不提一个叫“基林”的人，以及他的“基林曲线（Keeling Curve）”。1953年，一名叫查理斯•大卫•基林（Charles David Keeling）的年轻人在加州理工大学开始了他的博士后生涯，研究课题是为核工业从黄岗岩中提取铀元素。像许多不走寻常路的天才一样，基林对自己原本的研究课题不感兴趣，而是寄情于研究地表水、石灰岩和大气CO₂之间的碳酸盐平衡问题。在导师的支持下，他开始使用一个精密的气体压力计测量大气和酸化水体中的CO₂。从加州的海岸出发，基林走出奥林匹克岛的雨林，又钻进亚利桑那州的高山密林，彼时的他还没有意识到，自己正在书写人类观测大气CO₂的历史。
后来，基林的测量活动引起了美国气象局和斯克里普斯海洋研究所专家们的注意，在一项基金的资助下，他购买了四台红外气体分析仪，并将其中一台安装在夏威夷岛上的莫纳罗亚山。1958年3月的一天，基林写下一个数值：313ppm，这是“基林曲线”（Keeling Curve）的起点。直到现在，该测站依然逐日更新着大气CO₂浓度数据，如今，这个数字已经超过410ppm。
大气CO₂浓度的变化特征：波动中上升
“基林曲线”的连续记录带来两个至关重要的发现：大自然的季节性“呼吸”和化石燃料燃烧造成的大气CO₂浓度持续上升。
每年的五月到九月，北半球万物生长，植物通过光合作用吸收CO₂，使大气CO₂浓度不断下降，而在十月之后，随着北半球气温变冷进入冬季，大气CO₂浓度逐渐恢复。正如基林所说：“人类有史以来第一次看到了大自然的呼吸”。
基林曲线：莫纳罗亚测站逐月平均的大气CO₂浓度，图中锯齿状波动即反映其季节变化。（图片来源：斯克里普斯海洋研究所）
鉴于其超前于时代的科学意识与恒心，基林于2002年被授予“美国国家科学奖”。2005年，将毕生心力倾注于大气CO₂监测事业的基林与世长辞，在那个人类还未意识到全球变暖的时代，正是基林的创新和坚持，开启了人类连续直接观测大气CO₂浓度的历史。
如今，利用极地冰芯中的CO₂记录，“基林曲线”已被延伸至80万年前，我们得以知晓在寒冷的冰期，地球大气中的CO₂浓度大约为200ppm，即使是较为温暖的间冰期，在人类活动之前这个数值也仅为280ppm左右。工业革命以来，化石燃料的大量燃烧加速了CO₂的排放，人类对环境的影响已是不争的事实。
查理斯•大卫•基林（图片来源：斯克里普斯海洋研究所）。科学研究也需要“一生一事”的匠人精神
疫情导致的CO₂排放量下降可以缓解全球变暖吗？
虽然大自然的“呼吸”给大气CO₂浓度带来了季节性的波动，但“基林曲线”的记录显示，新冠疫情之前的大气CO₂浓度总体上在持续上升。那么，此次疫情影响下的全球CO₂排放量下降会改变这一趋势吗？
基于“基林曲线”的历史记录，并结合对人为排放和气候条件的预测结果，英国气象局曾预测2020年全球CO₂浓度值将比去年增加2.80ppm（±0.57），但若把新冠疫情影响下全球CO₂排放减少8%这一因素纳入考虑，预测的浓度增加量将被修正为2.48ppm——尽管全球CO₂排放量下降使得今年CO₂浓度增值有所下降，但排放仍在继续，大气中的CO₂浓度依旧在上升。
观测和预测的莫纳罗亚山大气CO₂浓度，曲线表示季节变化，直线表示年平均值，红色为2020年大气CO₂浓度的最初预测值，蓝色为考虑了新冠疫情影响后的修正值。（图片来源：英国气象局）
二氧化碳是主要的温室气体，生命期长达两百年，疫情虽然导致了一定程度的CO₂排放量下降，但作用杯水车薪。因此，目前全球大气CO₂浓度的增加趋势并不会改变，全球变暖仍将持续。
另外，每年的全球大气CO₂浓度也会受到厄尔尼诺等气候条件的影响。我们知道，CO₂可溶于水，溶解率和水体温度有关，而占地球表面70%面积的海洋便是CO₂的一大自然汇（从大气中“吸走”CO₂）（拓展阅读：储存了全球变暖93%的能量，海洋正成为地球的火药桶 ）。
据国家气候中心5月8日消息：“2019年11月以来，赤道中东太平洋进入并持续维持厄尔尼诺状态，连续5个月 Niño 3.4指数的滑动平均值分别为 0.6℃、0.5℃、0.5℃、0.5℃和0.5℃。根据厄尔尼诺/拉尼娜事件的国家判识标准，已正式形成一次厄尔尼诺事件（强度为弱）”。
厄尔尼诺指数。（图片来源：国家气候中心）
尽管多个气候中心预计此次弱厄尔尼诺事件不会持续，将在今夏转为中性，但此前已然升高的太平洋海温多少会影响海洋对CO₂的溶解能力，并在一定程度上抵消新冠疫情下CO₂排放量下降的影响。
气候变化形势依旧严峻，人类或面临未来世界分水岭
如此看来，新冠疫情这个“黑天鹅事件”对全球变暖的影响有限，我们依旧面临着一个极端天气频发的世界，而为了适应和减缓气候变化，国际合作是唯一的选择。
《巴黎协定》旨在将全球升温幅度控制在2℃以内，并致力于将这一阈值降至1.5℃。研究表明，降低0.5℃的升温，可以减少未来全球季风区暴露于极端降水事件的人口数量，这一影响在脆弱的南非季风区最为明显，南亚季风区和东亚季风区次之。当我们把目光聚焦于对气候变化应对能力较弱的非洲，另一项研究表明，相较于2℃，若本世纪末全球升温幅度可以被控制在1.5℃，则可显著降低非洲极端热浪的发生频率，并影响这里的旱涝灾害，对这片古老大地上的众多生灵而言，0.5℃的升温差异意义深远。
不仅仅是非洲。放眼全球，全人类都正在经历着气候变化的考验，而疫情对人类社会的方方面面产生深远影响，国际合作的不确定性进一步加大。疫情下的CO₂排放减少≠全球变暖缓解，疫情过后的世界经济又将如何复苏？也许那时，才是人类真正要面临的选择和考验。
参考文献：
1. Nangombe Shingirai, Tianjun Zhou*, Wenxia Zhang, Bo Wu, Shuai Hu, Liwei Zou & Donghuan Li: Record-breaking climate extremes in Africa under stabilized 1.5C and 2C global warming scenarios. Nature Climate Change (2018) doi:10.1038/s41558-018-0145-6
2. Zhang Wenxia, Tianjun Zhou*, Liwei Zou, Lixia Zhang, and Xiaolong Chen: Reduced exposure to extreme precipitation from 0.5C less warming in global land monsoon regions. Nature Communications. 9, Article number: 3153 (2018). doi:10.1038/s41467-018-05633-3.
3. Le Quéré, C., Jackson, R.B., Jones, M.W. et al. Temporary reduction in daily global CO2 emissions during the COVID-19 forced confinement. Nat. Clim. Chang. (2020). https://doi.org/10.1038/s41558-020-0797-x
4. IEA (2020), Global Energy Review 2020, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2020
5. C. D. Keeling, S. C. Piper, R. B. Bacastow, M. Wahlen, T. P. Whorf, M. Heimann, and H. A. Meijer, Exchanges of atmospheric CO2 and 13CO2 with the terrestrial biosphere and oceans from 1978 to 2000. I. Global aspects, SIO Reference Series, No. 01-06, Scripps Institution of Oceanography, San Diego, 88 pages, 2001. http://escholarship.org/uc/item/09v319r9
6. 科学文献预印本平台论文：https://arxiv.org/abs/2004.13614v2
7. Carbon Brief网站报道1：https://www.carbonbrief.org/analysis-coronavirus-has-temporarily-reduced-chinas-co2-emissions-by-a-quarter
8. Carbon Brief网站报道2：https://www.carbonbrief.org/analysis-great-britain-hits-coal-free-electricity-record-amid-coronavirus-lockdown
9. Carbon Brief网站报道3：https://www.carbonbrief.org/analysis-coronavirus-has-cut-co2-from-europes-electricity-system-by-39-per-cent
10. Carbon Brief网站报道4：https://www.carbonbrief.org/iea-coronavirus-impact-on-co2-emissions-six-times-larger-than-financial-crisis
11. 基林曲线：https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/2013/04/03/the-history-of-the-keeling-curve/
12. Carbon Brief网站报道5：https://www.carbonbrief.org/analysis-what-impact-will-the-coronavirus-pandemic-have-on-atmospheric-co2
13. 国家气候中心ENSO监测：https://mp.weixin.qq.com/s/hwESx7xo-ndsZGzSXlnsew
来源：中国科学院大气物理研究所
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