在過去的十年裡，科學家們認為他們已經找到了保護人類免受氣候變化最嚴重危險的方法。人們認為，將地球升溫幅度控制在 2 攝氏度（3.6 華氏度）以下，可以避免災難性的海平面上升和嚴重的乾旱等危險。要將升溫幅度控制在 2 攝氏度以下，就需要將大氣中吸熱二氧化碳的水平限制在百萬分之 450 (ppm)，高於今天的 395 ppm 和工業化前時代的 280 ppm。
現在看來，評估過於樂觀了。來自全球的最新資料顯示，地球的變化速度超出了預期。北冰洋周圍的海冰消失速度超過了預測。阿拉斯加和西伯利亞的永久凍土區域釋放的甲烷（一種強效溫室氣體）比模型預測的要多。西南極洲的冰架崩解速度比之前認為的要快，它們阻擋在鄰近陸地上的冰川正更快地滑入大海。極端天氣事件，如洪水和 2012 年夏季席捲美國大部分地區的熱浪也在增加。“結論是？作為科學家，我們不能說，如果我們保持在 2 度以下的升溫幅度，一切都會安好，”德國波茨坦大學海洋物理學教授斯特凡·拉姆斯托夫說。
可能正在推動地球進入快速氣候變化時代的 X 因素是長期以來假設的反饋迴圈，這些迴圈可能正在開始發揮作用。例如，海冰減少使得太陽可以更多地溫暖海水，從而融化更多的海冰。更多的永久凍土融化將更多的二氧化碳2 和甲烷排放到大氣中，這反過來又導致進一步的永久凍土融化，以此類推。
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更快速的反饋的可能性使一些科學家變成了直言不諱的卡桑德拉。這些專家表示，即使各國突然認真對待減少溫室氣體排放，足以將排放量控制在百萬分之 450 的限值以下（這似乎越來越不可能），也可能為時已晚。除非世界將二氧化碳2 水平降回百萬分之 350，“否則我們將啟動一個人類無法控制的過程，”美國國家航空航天局戈達德空間研究所主任詹姆斯·E·漢森警告說。他說，本世紀海平面可能會上升多達五米。這將淹沒從邁阿密到曼谷的沿海城市。與此同時，氣溫升高和乾旱可能會帶來大規模饑荒。“後果幾乎難以想象，”漢森繼續說道。我們可能正處於快速、不可逆轉地躍入一個更溫暖世界的邊緣。
危言聳聽？一些科學家說是。“我不認為在近期內，災難性的氣候變化迫在眉睫，”美國國家海洋和大氣管理局的埃德·德盧戈肯茨基根據他對甲烷水平的評估說。科羅拉多大學博爾德分校的冰川學家 W. Tad Pfeffer 研究了全球範圍內的冰層流失，並得出結論，本世紀可能出現的最大海平面上升幅度不到兩米，而不是五米。然而，他與漢森一樣，也感受到了緊迫感，因為即使是較小的變化也可能威脅到一個除了異常穩定的氣候之外一無所知的文明。“公眾和政策制定者應該瞭解，即使是 60 到 70 釐米的海平面上升也會有多麼嚴重，”Pfeffer 警告說。“這些悄然發生的災難真的可能會摧毀我們。”
儘管科學家們可能對氣候變化的步伐意見不一，但對特定反饋迴圈可能正在放大變化的認識正在引起人們對地球未來的深刻不安。“我們必須開始更多地思考已知的未知數和未知的未知數，”英格蘭南安普頓大學海洋與氣候變化教授 Eelco Rohling 解釋說。“我們可能不確切知道所有可能的反饋是什麼，但過去的變化表明它們確實存在。”紐西蘭惠靈頓維多利亞大學的大氣科學家、政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 2007 年報告的關鍵人物馬丁·曼寧擔心，當研究人員最終確定未知數時，可能為時已晚：“本世紀的變化速度將如此之快，以至於我們無法等待科學。”
炎熱的過去預示著炎熱的未來
科學家們越來越關注快速氣候變化的一個重要原因是，他們對遙遠過去的瞭解有所提高。在 20 世紀 80 年代，他們震驚地從冰芯中記錄的資料中瞭解到，地球曾多次經歷突然而劇烈的溫度波動。從那時起，他們拼湊出了過去 80 萬年的詳細影像。正如漢森在一項新的分析中描述的那樣，溫度、二氧化碳2 水平和海平面之間存在著非常緊密的聯絡：它們幾乎同步地上升和下降。這些相關性並不能證明溫室氣體導致了變暖。然而，哈佛大學的傑里米·沙昆及其同事的新研究表明，二氧化碳2 的跳躍發生在上次冰河時代末期的溫度跳躍之前。他們在最近的《自然》雜誌上發表的一篇論文中得出結論，“二氧化碳2 濃度增加驅動的變暖是溫度變化的很大一部分原因。”（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
過去的一些變化非常迅速。Rohling 對紅海沉積物的研究表明，在上一個冰河時代之間的溫暖時期（大約 125,000 年前），海平面在 100 年內上升和下降了多達兩米。“這太荒謬了，”Rohling 說。他的分析表明，海平面似乎比今天高出六米以上——在與我們今天非常相似的氣候中。“這並不能告訴你未來會怎樣，但天哪，它確實會引起你的注意，”賓夕法尼亞州立大學地球科學教授理查德·艾利說。
同樣令人驚訝的是，觸發過去波動所需的額外能量或“強迫”是多麼少。例如，5500 萬年前，北極是一個亞熱帶天堂，平均氣溫溫和，為 23 攝氏度（73 華氏度），格陵蘭島附近潛伏著鱷魚。對於大多數生命來說，熱帶地區可能太熱了。這個溫暖時期被稱為古新世-始新世熱最大值 (PETM)，顯然是由地球溫度先前升高約 2 攝氏度引發的，而當時的溫度已經高於今天。這種變暖可能導致甲烷和二氧化碳的快速釋放，從而導致更多的變暖和更多的溫室氣體排放，從而放大進一步的變暖。最終的結果是：數百萬年的溫室地球[參見李·R·庫普的“最後一次大全球變暖”；《大眾科學》，2011 年 7 月]。
在過去的 100 年裡，人類已經造成了超過 0.8 攝氏度（1.4 華氏度）的變暖突變。我們向大氣中排放溫室氣體的速度是 PETM 發生前速度的 10 倍，這對氣候產生了巨大的推動作用。“如果我們在未來 100 年內燃燒碳，我們將發生同樣的飛躍，”普渡大學地球與大氣科學教授馬修·休伯說。
我們對氣候的推動也比已知導致各種冰河時代的原因還要強烈。正如塞爾維亞天文學家米盧廷·米蘭科維奇´ 在近 100 年前指出的那樣，冰河時代的盛衰與地球軌道和傾角的小幅變化有關。在數萬年的時間裡，由於來自其他行星的不同拉力，地球的軌道形狀會發生變化，從近乎圓形變為輕微橢圓形。這些變化使地球表面接收到的太陽能平均改變了每平方米約 0.25 瓦，漢森說。這個量非常小。為了引起觀測到的氣候波動，這種強迫作用一定被海冰和溫室氣體排放等反饋放大了。在過去的變暖中，“反饋緊隨反饋，緊隨反饋，”倫敦大學皇家霍洛威學院地球科學教授尤安·尼斯貝特說。
人類排放溫室氣體產生的氣候強迫作用要高得多——每平方米 3 瓦特並且還在攀升。氣候會因此快 12 倍地跳躍嗎？不一定。“我們無法將過去的反應與未來聯絡起來，”Rohling 解釋說。“我們瞭解到的是正在發揮作用的機制，它們是如何被觸發的以及它們可能會變得多麼糟糕。”
令人不安的反饋
科學家們已經弄清楚，這些反饋機制中最快的一種涉及在全球範圍內輸送熱量的洋流。如果大量淡水被傾倒入北部海域——例如，來自崩塌的冰川或降水增加——暖流可能會減速或停止，從而擾亂驅動全球洋流的引擎。這種變化可能會在十年內使格陵蘭島從寒冷變為溫暖。“格陵蘭島冰芯記錄顯示，即使在 10 年內，轉變也可能非常、非常迅速地發生，”美國國家海洋和大氣管理局地球系統研究實驗室高階科學家 Pieter Tans 說。
當淡水機制在 21 世紀初變得清晰時，“我們中的許多人真的很緊張，”艾利回憶說。然而，更詳細的建模表明，儘管“新增淡水是一件可怕的事情，但我們新增淡水的速度還不夠快”，無法從根本上改變地球的氣候，他說。
一個更令人擔憂的反饋是永久凍土，它正開始（字面意義上）冒出來。科學家們曾經認為，凍土帶的有機物只延伸到凍土深處一米——而且變暖需要很長時間才能開始融化深處的大量有機物。根據新的研究，這種評估是錯誤的。“我們記錄的幾乎所有事情都令人驚訝，”佛羅里達大學的生物學家特德·舒爾說。
第一個驚喜是，有機碳存在於深達三米的地方——所以有機碳的含量更多。此外，西伯利亞點綴著巨大的富含有機物的永久凍土小山，稱為耶多馬，它是由來自中國和蒙古的沙塵物質形成的。這些碳儲存量加起來達數千億噸——“大約是現在大氣中含量的兩倍，”舒爾說。或者正如科羅拉多州立大學的甲烷獵手喬·馮·費舍爾所說：“碳是正在滴答作響的定時炸彈之一。”更多的融化使得更多的微生物可以吞食有機碳並將其轉化為二氧化碳2 和甲烷，從而升高溫度並促使更多的融化。
滴答作響的速度可能正在加快。永久凍土表面的融水經常形成淺湖。阿拉斯加大學費爾班克斯分校的凱蒂·沃爾特·安東尼發現甲烷從湖底冒出來。許多研究人員還發現，永久凍土會裂開成稱為熱喀斯特的迷你峽谷，這使得更多的表面積暴露在空氣中，從而加速融化和溫室氣體的釋放。最近在挪威斯匹次卑爾根群島和西伯利亞附近的考察中，也探測到甲烷柱從淺水區的海底升起。
如果從這些氣體噴發推斷到更廣泛的區域，那麼數字可能會大到足以震動氣候。然而，全球甲烷測量結果並不一定顯示最近有所增加。阿拉斯加大學費爾班克斯分校的弗拉基米爾·E·羅曼諾夫斯基繪製了永久凍土溫度圖，他說，原因之一是熱點“仍然非常區域性”。另一個原因可能是科學家們只是更擅長髮現一直存在的熱點。這就是德盧戈肯茨基說“我不擔心甲烷變化會帶來快速氣候變化”的原因。
其他人則不太確定，尤其是因為還有另一個潛在的主要甲烷來源——熱帶溼地。如果熱帶地區的降雨量增加（隨著大氣變暖，這很可能發生），溼地將會擴大並變得更具生產力，從而產生更多的厭氧分解，從而產生甲烷。擴大的溼地可能會釋放與北極變暖一樣多或更多的額外甲烷。我們應該有多擔心？“我們不知道，但我們最好繼續關注，”尼斯貝特說。
冰效應
最令許多氣候科學家感到恐懼的反饋是地球冰層的消失。例如，近幾個夏季北冰洋海冰的急劇萎縮並沒有被許多氣候模型預測到。“這是建模中的重大失敗，”尼斯貝特說。格陵蘭島和南極洲沿岸的冰層也在消失。
為了弄清楚正在發生什麼，科學家們一直在透過衛星和地面測量繪製格陵蘭島冰川圖，並一直在向南極洲冰架下發送探測器，“看到以前從未見過的東西，”美國國家大氣研究中心的高階科學家傑裡·米爾說。
在格陵蘭島，伍茲霍爾海洋研究所的冰川學家莎拉·達斯觀察到，一個融水湖突然透過 900 米厚（3,000 英尺厚）的冰層中的裂縫排出。洪流的力量足以將巨大的冰川從下方的基岩上抬起，並加快了它滑入海洋的速度。在阿拉斯加，Pfeffer 擁有資料顯示，巨大的哥倫比亞冰川滑入大海的速度已從每天 1 米加速到每天 15 至 20 米。
在南極洲和格陵蘭島，沿海漂浮在海水上的大型冰架正在崩塌——這是對它們有多不穩定的警示。較暖的海水正在從下方侵蝕冰架，而較暖的空氣正在從上方開啟裂縫。冰架充當支撐物，阻止陸地上與海洋底部相連的冰和鄰近的冰川在重力的無情拉力下溜入大海。儘管漂浮冰的消失不會導致海平面上升，但淹沒冰川會。艾利說：“我們現在正在努力 выяснить 海平面上升是否可能比預期的快得多。”
冰層消失之所以令人擔憂，不僅是因為海平面上升，還因為它啟動了一種強大的反饋機制。冰層將陽光反射回太空。如果冰層消失，顏色更深的陸地和海洋會吸收更多的太陽熱量，從而融化更多的冰層。地球表面反照率（反射率）的這種變化可以解釋古氣候記錄中小的強迫作用是如何被放大的，漢森說，“今天也會發生同樣的情況。”
到目前為止，只有少數科學家願意像漢森那樣預測到 2100 年海平面可能會上升多達五米。“但我們真的不知道，”艾利說。“我仍然猜測賠率對我有利[在期望較小的上升幅度方面]，但我不想讓任何人根據我說的話購買沿海房產。”
見樹又見林
地球過去氣候的波動清楚地表明，如果我們用力推動，反饋將極大地改變地球。“如果我們燃燒掉我們可以獲得的所有碳，我們幾乎可以肯定會發生類似 PETM 的變暖，”休伯說。這對北極鱷魚來說可能很好，但對人類或大多數生態系統來說卻不然。
然而，真正讓科學家們夜不能寐的是，即使這些特定的反饋不會對人類帶來近期威脅，它們也可能驅動其他機制。一個主要的候選者是地球的水或水文迴圈。每年都有更多的證據表明，氣候變化正在導致更多的極端天氣事件，如洪水和乾旱，同時從根本上改變區域氣候。
拉姆斯托夫最近的一項分析表明，像 2010 年襲擊俄羅斯的熱浪這樣的熱浪，由於已經發生的變暖，發生的可能性是原來的五倍——“這是一個巨大的因素，”他說。新的研究將 2011-2012 年美國創紀錄的暖冬（以及同年歐洲創紀錄的寒潮）歸咎於北極海冰的流失。一種建議的機制是：隨著海冰的減少，更多的北極海水變暖。海洋在秋季釋放出大量的熱量，改變了大氣中的壓力梯度，從而在急流中產生更大的彎曲，這些彎曲可能會長時間停留在原地。這些彎曲可能會使美國東北部沐浴在冬季的溫暖中，同時將東歐鎖定在嚴寒之中。
使這個故事更加複雜的是生態反饋的可能性。例如，美國西部和加拿大的氣溫升高助長了山松甲蟲的流行。這些昆蟲已經殺死了數十萬公頃的樹木，有可能將森林從碳匯（健康的樹木吸收二氧化碳2）變成碳源（枯死的樹木分解）。2007 年的熱浪為北坡凍土帶 7000 年來的首次火災奠定了基礎，加速了該地區的永久凍土融化及其碳排放。西伯利亞的變暖開始將廣闊的落葉松林轉變為雲杉和冷杉林地。落葉松在冬季會掉落針狀葉子，從而使太陽的熱量從積雪覆蓋層反射回太空。弗吉尼亞大學的生態學家漢克·舒加特解釋說，雲杉和冷杉保留了針葉，在太陽熱量到達積雪之前就將其吸收了。他估計，僅植被變化帶來的反饋就可能給地球帶來 1.5 攝氏度的衝擊：“我們在這裡玩的是上了膛的槍。”
尼斯貝特自己的“噩夢情景”始於甲烷排放的突然增加和一個非常炎熱的夏天，這導致了大規模的火災，向大氣中傾瀉碳。煙霧和煙霧籠罩中亞，削弱了季風，導致中國和印度普遍的作物歉收。與此同時，熱帶太平洋異常溫暖海水的厄爾尼諾現象給亞馬遜和印度尼西亞帶來了乾旱。熱帶森林和泥炭地也著火了，向大氣中注入了更多的二氧化碳2，使氣候走上了快速變暖的快車道。“這是一個可行的情景，”尼斯貝特觀察到。“我們可能比我們想象的要脆弱。”
但是，各種反饋迴圈到底會變得多麼強大？氣候模型擅長解釋過去和現在，但在預測未來方面卻步履蹣跚。“人們可以比模型更好地概念化這些突變，”舒爾說。他補充說，即使地球現在處於臨界點，我們也可能無法識別出來。
對氣候政策來說，令人不安的結論是，科學沒有明確的答案。“我們知道方向，但不知道速度，”曼寧說。然而，科學家們堅稱，不確定性並不能證明不作為是合理的。恰恰相反，不確定性加強了立即在全球範圍內努力減少溫室氣體排放的理由，因為它們揭示了快速變化的風險有多大。“我們目前正在進行的實驗在地質尺度上堪比過去的重大事件，因此我們預計投入會產生類似於過去那些事件的後果，”尼斯貝特說。
這就是為什麼漢森不能看著他的孫子孫女而不成為他們的倡導者。“讓這些年輕人面對一個失控的氣候系統是不道德的，”他說。