詩人羅伯特·弗羅斯特在 1920 年沉思道：“有人說世界將在火中毀滅，有人說在冰中毀滅。”弗羅斯特以一句名言“贊同那些喜歡火的人”，而這種詩意的觀點令人驚訝地與關於世界末日的主流科學共識相符，即太陽將在大約七十億到八十億年後演變成一顆紅巨星，它將灼燒甚至可能吞噬地球。
然而，當這種情況發生時，地球早已死亡數十億年，並且將更像今天的金星。隨著太陽在其變成紅巨星的道路上隨著時間的推移緩慢變亮，它最終將跨越一個臨界閾值，屆時其光度將超過地球將吸收的輻射散發到太空中的能力。屆時，大約在十億到三十億年後，地球表面溫度將穩步上升，直到沸騰的海洋在地球周圍拋下一層厚厚的水蒸氣。所有這些水蒸氣本身就是一種強效溫室氣體，將使溫度進一步升高，從而將另一種溫室氣體二氧化碳從地球岩石中“煮”出來。最終結果將是“失控的溫室效應”，其中地球失去水分進入太空，並在幾乎純二氧化碳的壓迫性大氣層下烘烤。
今年早些時候，人類歷史上首次，大氣二氧化碳達到百萬分之 400 (ppm)，超過了過去數百萬年來略有變化的約 280 ppm 的工業化前平均水平。聯合國政府間氣候變化專門委員會的悲觀預測預測，本世紀晚些時候大氣二氧化碳水平將飆升至超過 1,000 ppm。隨著世界變暖不是因為太陽變亮，而是因為燃燒化石燃料的人類，一些科學家想知道我們的地球可能離陷入失控狀態有多近。20 世紀 80 年代和 90 年代的研究表明，當今地球對於失控是安全的，但本週發表在《自然·地球科學》雜誌上的一篇論文認為，“失控的溫室效應可能比以前認為的更容易啟動。”事實上，該研究表明，如果沒有某些型別雲的冷卻效應，現代地球早已走上像金星一樣被烤焦的道路。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
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根據該研究的主要作者，不列顛哥倫比亞省維多利亞大學的科林·戈德布拉特的說法，令人不安的結果較少取決於二氧化碳，更多取決於不起眼的水蒸氣，最近的調查表明，水蒸氣吸收太陽輻射的效率高於先前認為的。“舊的答案是，地球現在發生失控在理論上是不可能的，”戈德布拉特說。“即使你蒸發掉一大塊海洋，它也會重新下雨，因為水蒸氣輻射掉的熱能將多於它透過陽光吸收的熱能。我們的新計算表明，富含水蒸氣的大氣層吸收的陽光比以前認為的更多，散發的熱量更少，足以使地球陷入失控狀態，並且無法返回。”
新研究的積極方面是，即使氣候失控在理論上是可能的，但實際上透過人類溫室氣體排放造成這種情況仍然非常困難。“我們已經估計了獲得這種蒸汽狀大氣層需要多少二氧化碳，答案是大約 30,000 ppm 的大氣二氧化碳，這實際上對於人為氣候變化來說是個好訊息，”戈德布拉特說。他指出，30,000 ppm 大約是大多數專家估計的燃燒所有可用化石燃料可能釋放的二氧化碳量的 10 倍，儘管理論上可以透過從地球上大量的石灰石和其他碳酸鹽巖沉積物中釋放大量二氧化碳來達到如此高的值。
多雲的前景
然而，並非所有人都相信戈德布拉特的結果是有效的。詹姆斯·卡斯廷，賓夕法尼亞州立大學的地球科學家，懷疑即使在理論上，人為的失控仍然是人類無法企及的。卡斯廷進行了許多早期的開創性研究，這些研究似乎排除了當今的失控，並且他和他的學生拉姆西斯·拉米雷斯目前正在潤色一項新的研究，以加強這些結論。在卡斯廷的模型中，無論向當今地球大氣中泵入多少二氧化碳，由此產生的升溫都不足以導致地球迅速沸騰其海洋。“底線，”卡斯廷說，“是我們不會發生失控。”
與戈德布拉特的團隊一樣，卡斯廷的團隊使用一維模型研究地球的氣候，該模型模擬了大氣單一表面到太空條帶對陽光的吸收、傳輸和反射。這些模型對光與空氣相互作用的複雜處理密切再現了二氧化碳、水蒸氣和其他溫室氣體的觀測到的變暖效應，但它們僅包含對地球不斷變化的天氣和地表的最粗略的近似。此類模型尤其不擅長解釋雲的複雜影響，雲根據其形成的位置和方式，可以冷卻或加熱地球：厚厚的低層雲傾向於透過將更多的陽光反射回太空來降低溫度，而高而薄的雲將透過讓光線透過然後捕獲更多吸收的熱量來溫暖地球。卡斯廷和戈德布拉特結論之間的差異主要歸結為卡斯廷的雲的一維近似提供了稍微更多的冷卻，而戈德布拉特的雲則提供了稍微少的冷卻。
三維建模是繞過這種僵局的唯一方法，但當前的三維氣候模型無法勝任模擬地球雲層和天氣在非常蒸汽或富含二氧化碳的大氣中將如何變化的任務。“使用當今最好的模型來解決這些極端情況就像駕駛本田思域爬山一樣，”戈德布拉特說。“思域可以帶你從海岸到海岸在鋪好的道路上行駛，但把它開到越野路上，你就會遇到問題。今天的模型現在就像那樣——它們不是為極端大氣設計的。如果你想模擬失控的溫室效應，你需要相當於悍馬的氣候模型，它將帶你到這些狂野的地方。”
卡斯廷的團隊最近從 NASA 獲得了資金，與其他團隊合作開發更好的 3D 模型，歐洲的少數其他研究小組也在追求類似的目標。
逃離火坑，跳入油鍋
除了更好的模型外，關於失控溫室效應情景的其他有用約束來自地球的漫長曆史。對 5600 萬年前的沉積岩的測量揭示了新生代中期發生的一次事件，稱為古新世-始新世極熱事件 (PETM)，其中千禧年尺度的溫室氣體脈衝使全球變暖。PETM 脈衝似乎大致相當於人類透過燃燒所有可回收化石燃料可能釋放的量，並且可能使地球升溫超過 10 攝氏度，但顯然沒有發生災難性的失控，否則我們現在就不會在這裡。許多研究人員認為，如果當時沒有發生，那麼現在也不會因類似的人為溫室氣體激增而發生。
“所有這些地質記錄都告訴我們，即使過去大氣二氧化碳水平非常高，地球也避免了失控，”戈德布拉特承認。“但這並沒有告訴我們今天我們有多少誤差幅度，或者過去的情況有多接近。這有點像在霧濛濛的懸崖頂上走來走去，不知道你離邊緣是一米還是公里。即使是簡單的建模也可以讓你計算出一些硬性限制來幫助指導行為。”
大量的建模已經表明，在地球開始向金星的任何失控轉變之前很久，容易實現的全球變暖量將遠遠超出安全範圍。2010 年，悉尼新南威爾士大學的史蒂文·舍伍德和普渡大學的馬修·胡伯的一項研究計算出，略微超過 10 攝氏度的變暖——就像 PETM 和對未來化石燃料燃燒的悲觀情景一樣——可能會使地球的大部分地區不適合許多生物居住。裸露的人類和其他溫血哺乳動物在溼度高於 35 攝氏度的潮溼條件下可能會過熱而死亡，因為它們的新陳代謝產生的熱量多於容易散發到周圍空氣中的熱量。卡斯廷團隊的最新結果仍在審查中，表明如果人類文明燃燒足夠的化石燃料使大氣二氧化碳水平增加四倍，這種情況可能會在地球的大部分地區普遍存在。
胡伯說，達到如此危險的水平“當然是可行的”。“是否將下一個世紀致力於燃燒這些儲量是我們的決定……5000 萬年前，兩極附近曾經有亞熱帶森林，這聽起來還不錯。但更靠近赤道的化石記錄非常貧乏，這可能表明生命在這些溫暖時期壓力極大。如果地球表面積的一半以上變得不適宜居住，它不會使地球無法居住，但這將變得面目全非，並且對地球上的大多數人、物種和社群構成生存挑戰。”
儘管失控的溫室效應聽起來像一場噩夢，但現代地球是否容易受到它的影響或許應該被視為本質上是一個學術問題。微生物可以在瀕臨失控的地球上忍受甚至蓬勃發展，但無論這種溫室世界是否傾覆到更金星的氣候，人類仍然會被蒸汽煮熟。撇開全球變暖的其他影響，如海平面上升、更強的風暴、更長的乾旱和生物多樣性驟降不談，卡斯廷說，“僅熱應力問題就可能在任何失控發生之前對人類致命，而且這種危險可能比以前意識到的要近得多。這已經足夠嚴重，值得我們充分關注。”