本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
經過兩個月的停頓，我終於有時間繼續討論關於全球變暖以及人類在其中作用的話題。在之前的文章中，人們寫信表達了他們持懷疑態度的原因，我試圖綜合這些回應。在一個粗略的民意調查中，為了衡量哪種推理路線最能引起共鳴，最受歡迎的似乎是第 2 條：目前的變暖可能是自然上升。
關於這個話題有很多要說的，所以我先從一小部分開始。我想嘗試做的是超越那種很容易陷入的你說/她說的辯論，看看是否以全新的視角審視資料可以打破僵局。
平均論點
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關於人為變暖的標準論點大致如下
地表溫度讀數上下波動，但在過去一個世紀中，它們的總體趨勢是上升的。
大氣中二氧化碳和某些其他氣體的水平也在上升。海水中二氧化碳的濃度也增加了。觀察到的總增加量與人類自工業革命開始以來燃燒的燃料量和清理的土地量相符。
基本理論將這兩個趨勢聯絡起來。由於這些氣體，地表發射的熱輻射中較小的一部分逃逸到太空。地球變成能量的淨吸收者。地表升溫併發出更多熱輻射，直到逃逸的熱輻射總量再次平衡太陽光沉積的能量。
自然因素，例如太陽輸出的變化，太小而無法解釋觀察到的溫度升高。
為了將這個論點納入定量框架，氣候學家估算了每單位地球表面積增加這些氣體所造成的額外熱量。氣候的其他影響因素——氣溶膠（顆粒物）排放、軌道振盪、太陽變率——可以用相同的方式測量。所有這些影響，或“強迫”，都可以互換處理並加在一起。在受到這種淨總強迫的情況下，氣候會做出調整——風、雲、降水和其他天氣模式發生變化，這些變化可以放大或抵消強迫——全球平均溫度達到某個新值。
粗略估計一些數字，目前的強迫為每平方米 2 瓦，主要來自二氧化碳、甲烷和低空臭氧，減去顆粒物造成的冷卻。在這些強迫中，海洋似乎吸收了一半，剩下的一半由大氣吸收。根據地質記錄，每平方米 1 瓦應導致約半攝氏度的升溫——這與觀察到的增加相符。這種溫度升高高於您對強迫提供的能量輸入的預期，因此氣候系統似乎反應過度；反饋迴路正在放大直接效應。
在這個框架中，懷疑論者的論點 #2 和 #3 有兩個方面：首先，強迫沒有被正確列舉；其次，氣候機器的反應方式與預測的不同。我的原始帖子的回應者提出了各種他們認為可能超過人為強迫的自然強迫。其他人則認為，對強迫的反應淹沒在內在變異性的噪聲中。
在其他地方，我將研究這些假設，但我在這裡的目標是完全擺脫通用貨幣方法。如果所有強迫都被互換對待，就很難驗證每平方米 2 瓦是由於這種或那種影響，是否有一個關鍵的強迫被完全忽略，或者半度的升溫是由於對無反應氣候的巨大強迫，對高度敏感氣候的小強迫，還是氣候本身固有的巧合波動。
CSI：氣候
上述論點本質上使用了兩個資料點：本世紀初和今天的平均年溫度。這些資料僅僅觸及了可用資料的表面。氣候學家擁有地圖和時間序列，顯示了大量氣候變數——平均溫度、溫度範圍、氣壓、降水等等——如何在時間和空間上變化，水平方向跨越地表，垂直方向穿過大氣層。這些資料集是解決歧義的金礦，因為不同的強迫會留下獨特的指紋。
例如，二氧化碳均勻擴散，而氣溶膠傾向於集中在汙染區域上方。二氧化碳排放量一直在穩步攀升，而二氧化硫排放量（氣溶膠負荷的最大貢獻者）最近達到峰值。這些模式使得理清它們的相對貢獻成為可能。事實上，當科學家將x% 的變暖歸因於溫室氣體，y% 歸因於太陽波動等等時，他們是透過混合和匹配各種指紋來重現觀察到的趨勢來得出這些數字的。
指紋最方便的事情之一是它們有助於理解氣候模型。許多人，包括懷疑論者和其他人，對模型感到困擾的原因之一是它們是黑匣子，其內部運作不透明，其輸出必須被信任。儘管量化指紋仍然需要執行氣候模型，但響應可以用基本原理來理解。《華爾街日報》科學撰稿人莎倫·貝格利在五月份就此主題發表了一篇精彩文章，下面我將回顧一些具體的指紋。
不利的一面是，不同的強迫有時具有相似的指紋。即使它們沒有，氣候系統的反饋、慣性和其他內部動力學也會削弱差異。因此，使用指紋涉及不確定性，這需要付出一些努力來量化。
對指紋的研究始於 1980 年代，並在 1990 年代中期進入鼎盛時期，當時勞倫斯·利弗莫爾的本傑明·桑特及其同事首次提出了關於地表溫度人為貢獻的嚴謹論證。政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 在其2001 年報告中專門用一章討論了該主題，並正在為其明年即將釋出的下一份主要報告準備更廣泛的討論。多年來，研究人員除了溫度之外還考慮了越來越多的變數，除了溫室氣體之外還考慮了越來越多的強迫。他們合併了空間和時間模式，研究了區域和全球尺度，並開發了更復雜的數學工具。
去年，研究人員弄清楚了為什麼地表溫度測量值與對流層（大氣層最底層）較高處的測量值不匹配，這是一個重大突破——這種差異是氣候懷疑論者提出的最有力論點之一。事實證明，一個因素是測量大氣層的衛星的緩慢軌道衰減，這產生了虛假的冷卻，掩蓋了變暖趨勢。今年五月，識別出這種不匹配的兩名科學家——阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的約翰·克里斯蒂和羅伊·斯賓塞——是一份報告的共同作者，該報告解決了這個問題。仍然存在一些差異，但該報告認為，其他觀測偏差可能是造成差異的原因。
逐一分析
以下是一些指紋。對於像我一樣渴望掌握摘要背後基本物理原理的人們，我在下面的附錄中進行了詳細闡述。
溫室氣體。 二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和氯氟烴使地表和對流層（大氣層最底層）變暖，並使平流層（上一層）冷卻。這些氣體混合迅速，因此它們的影響在南北半球之間幾乎是對稱的。在地表，夜間變暖幅度大於白天，冬季大於夏季，高緯度地區大於低緯度地區。自工業時代以來，溫室氣體強迫一直在緩慢而穩定地增長。
氣溶膠。 硫酸鹽氣溶膠使地表、對流層和平流層均冷卻。在地表，時間模式與溫室氣體完全相反：白天冷卻幅度大於夜間，夏季大於冬季，低緯度地區大於高緯度地區。黑碳（煙塵）會使其所在的大氣層變暖。氣溶膠在其排放區域（主要在北半球）產生最強的影響。從 1945 年到 1980 年，硫酸鹽強迫的增長速度快於溫室氣體，此後一直在下降。
臭氧。 臭氧層中臭氧的損耗會使平流層冷卻；冷卻在高緯度地區最為明顯，那裡的臭氧層受損最嚴重。損耗還會導致地表和對流層下部少量冷卻。隨著逐步淘汰破壞臭氧的化學物質使臭氧層得以重建，平流層應該會重新變暖。近地臭氧（煙霧的組成部分）使地表和對流層下部變暖。
太陽變率。 太陽強度的增加使對流層和平流層幾乎均勻地變暖。
火山爆發。 爆發性火山透過將塵埃拋射到高海拔地區，使對流層冷卻，平流層變暖。平流層變暖持續一到兩年，地表和對流層冷卻持續三到五年。火山還會減少全球平均降水量。
通用效應。 有些指紋並非特定於一種或另一種強迫；它們發生在溫度因任何原因發生變化時。這些指紋對於交叉檢查資料很有用。例如，任何溫度變化都應該在陸地上比在海洋上更大，並且由於北半球陸地比南半球多，因此任何趨勢都應該在那裡更明顯。在熱帶地區，對流層中的溫度變化應大於地表，因為潮溼空氣在上升和凝結時會釋放熱量。此外，如果趨勢是短期的（主要由火山爆發或 11 年太陽週期驅動），它們對海洋深處或鑽孔中的溫度影響很小。熱量需要一段時間才能向下滲透，因此地下溫度剖面提供了累積變化的度量，而地表和大氣層則標記了當前時刻及其所有變化。
內部（非強迫）氣候變異性。 顧名思義，強迫會向氣候系統新增能量，而自然變異性只是重新分配能量。因此，如果最近的連年高溫只是一個波動，那麼氣候系統的總熱含量——所有海洋加上冰蓋加上大氣層——應該是不變的。另一個區別是，強迫會改變氣候事件的範圍，而變異性就是範圍。如果歷史資料表明熱浪變得更加頻繁，寒流變得不那麼頻繁，那麼範圍本身一定發生了變化，這表明是強迫而不是變異性。
犯罪現場視角
那麼資料說明了什麼呢？
垂直模式。 自 1979 年連續衛星觀測開始以來，地表和對流層變暖，平流層冷卻。因此，對流層和平流層之間的邊界在那段時間內上升了約 170 米；它在高緯度地區比在低緯度地區上升得更多。所有這些都與您對溫室氣體的預期完全一致，並且受到硫酸鹽氣溶膠冷卻的有限抵消。南極洲上空的平流層特別冷，顯然是由於臭氧空洞。
水平模式。 幾乎整個地表都變暖了，高緯度地區比低緯度地區變暖得更多。在 20 世紀初期，陸地地區和海洋以相似的速度變暖，但自 20 世紀 70 年代中期以來，陸地變暖速度加快。總體而言，北半球變暖幅度大於南半球。同樣，這正是溫室氣體所會造成的。 d03;
時間模式。 夜間和冬季溫度的升高幅度大於白天和夏季溫度，從而壓縮了全球陸地上的晝夜和季節溫度範圍。即使在區域層面，包括北美，趨勢也很明顯，儘管統計顯著性較低。霜凍天數減少，嚴寒極端天氣減少，溫暖夜晚增多。溫室氣體將產生這些影響。 d03;
能量平衡。 去年，一篇有趣的論文使用新的資料集研究了自 1960 年以來的垂直海洋溫度剖面，發現普遍存在變暖現象。大西洋水域上層 700 米和太平洋和印度洋上層 100 米比更深層更溫暖。不同的深度正是您所期望的，因為大西洋的對流比其他海洋更強。所有海洋都在變暖；不存在您期望從自然變異性中看到的變暖和冷卻的零和博弈。所有這些都與溫室氣體一致。按單位面積計算，北部海域的變暖幅度小於南部海域，這與溫室氣體造成了總體變暖趨勢相符，但在北部地區（氣溶膠集中在那裡）被硫酸鹽氣溶膠抵消。 d03;
當氣候學家對不同的歷史時期進行指紋分析時，他們發現工業革命之前的溫度波動主要由太陽和火山強迫驅動。在 20 世紀初期，自然和人為強迫似乎貢獻相當。從本世紀中葉開始，溫室氣體佔據主導地位。
因此，除非我遺漏了什麼，否則在我看來，人為變暖的理由非常充分。這是否是不容置疑的？嗯，生活中沒有什麼是不容置疑的。可能存在一些低頻自然強迫。指紋分析中還有很多i需要補全。然而，根據我們目前掌握的知識，我不得不按照我看到的情況來判斷。
附錄
溫室氣體
這些氣體吸收紅外輻射並向各個方向重新發射。因此，它們阻礙了能量的輻射流動。在對流層中，流動是向上的：地表被陽光加熱，溫度隨海拔升高而降低。新增更多這些氣體進一步阻礙了這種向上流動，地表和對流層變暖。
在平流層中，淨輻射流是向下的：平流層內的臭氧層被太陽紫外線輻射加熱，溫度隨海拔升高而升高。從這個意義上說，平流層是一個倒置的對流層，因此溫室效應以相反的方式起作用。新增更多這些氣體阻礙了向下流動，更多輻射最終逃逸到太空，平流層冷卻下來。
對流層變暖和平流層冷卻的這種組合是溫室氣體的一個獨特指紋，沒有其他強迫共享。描述它的一種方法是根據對流層頂的高度，即對流層和平流層之間的邊界。這個高度取決於受熱空氣是否傾向於在對流模式中上升（如在對流層中），還是保持靜止並輻射散發其能量（如在平流層中）。對流層中的溫度平均每公里海拔降低 6.5 攝氏度。平流層下部的溫度由更高處的臭氧吸收決定，約為 -55 攝氏度。因此，將地面溫度升高或將平流層溫度降低 1 度會導致對流層高度增加 1/6.5 或 160 米。本傑明·桑特等人2004 年的論文中有一個很好的圖表（圖 6）說明了基本原理。這些效應在熱帶地區最強，熱帶地區更熱，發出更多的紅外輻射，因此更容易受到熱量捕獲的影響。
溫室氣體還對地表經歷的溫度範圍產生獨特的影響。在夜間，地面透過發射紅外輻射而冷卻，而在白天，紅外冷卻是次要於太陽加熱的。由於溫室氣體阻礙冷卻但不阻礙加熱，因此它們在夜間發揮最大的影響。如果它們是全球變暖的原因，那麼平均夜間溫度應該比白天溫度升高更多——從而減少每日總溫度波動。（可以肯定的是，這種趨勢可以被雲層覆蓋和土壤水分的變化所抵消。）
出於同樣的原因，溫室氣體對冬季溫度的影響大於夏季溫度，從而減少了年度總溫度波動，並且對高緯度地表溫度的影響大於低緯度地表溫度。雪和冰放大了這些效應：透過減少冰雪覆蓋，變暖降低了地面的反射率，並允許吸收更多的太陽能，從而進一步加劇了變暖；反之亦然，對於冷卻也是如此。
具有人為強迫的模型顯示了各種其他指紋，我在這裡省略了對它們的討論，因為基本理論尚不為人所知。例如，不列顛哥倫比亞省維多利亞大學的內森·吉列特及其同事發現，在北半球冬季，中緯度地區的地表氣壓升高，高緯度地區的地表氣壓降低。
氣溶膠
與溫室氣體影響向外輻射的熱輻射不同，硫酸鹽氣溶膠影響進入的陽光：它們將陽光反射回太空，因此它們傾向於使對流層和平流層都冷卻。對流層冷卻傾向於降低對流層頂，而平流層冷卻傾向於升高對流層頂；根據更詳細的模型，前者占主導地位。此外，白天溫度的冷卻幅度大於夜間溫度。
黑碳（煙塵）吸收陽光。如果它靠近地面，它會使地表變暖；如果它位於較高處，它會使大氣層較高層變暖，並減少到達地表的陽光量，從而使其冷卻。可以肯定的是，黑碳的研究不如其他強迫充分，並且仍然是一個有點不確定的因素。
臭氧
臭氧吸收進入的紫外線輻射，因此臭氧層中臭氧的損耗使平流層冷卻，尤其是在高緯度地區，從而升高了對流層頂。損耗還會導致地表和對流層下部少量冷卻。如果臭氧位於近地面，它會使地表和相鄰的對流層變暖。
太陽變率
太陽輸出的增加使整個大氣層幾乎均勻地隨海拔升高而變暖。由於對流層頂和平流層都變得更熱，因此對流層頂幾乎沒有移動。白天溫度的升高幅度大於夜間溫度。
火山
爆發性火山將塵埃直接注入平流層，在那裡它吸收陽光並使空氣變暖，從而犧牲了對流層。這種強迫在爆發後幾個月達到峰值，但溫度需要幾年才能恢復到爆發前的值。由於海洋的熱慣性，地表和對流層的反應較慢。平流層溫度在冷卻時會過沖，因此順序實際上是變暖、冷卻，然後再變暖，然後再次穩定。
這種特徵性的 S 形曲線被文卡塔查拉姆·拉馬斯瓦米及其同事在今年早些時候發表的一篇《科學》論文中使用，以解釋自 1979 年衛星測量開始以來平流層溫度的趨勢。具體而言，總體下降趨勢（歸因於溫室氣體）發生在火山爆發後的一系列步驟中，如果下降趨勢被爆發後重新變暖暫時抵消，那麼這是有道理的。
正如雨果·蘭伯特及其同事討論的那樣，將塵埃注入平流層會使地表冷卻，減少蒸發，從而減少降水。溫室氣體具有相反的效果，但由於溫室變暖被輻射冷卻的減少所抵消，因此溫室氣體的效果被削弱了，輻射冷卻是雨滴形成的原因——這是指紋如何取決於受影響的是進入的陽光還是向外輻射的紅外線的另一個例子。
如果火山爆發的頻率發生變化，則可能會產生更長期的影響。
內部變異性
讓我上面給出的圖景複雜化的是，諸如厄爾尼諾現象之類的振盪可能會產生廣泛的影響，可能導致改變氣候系統能量含量的二階效應（例如雲層覆蓋增加）。但是，這種振盪的週期為十年或更短，因此它們不應影響更長時間尺度上的能量含量。
在實踐中，氣候學家透過執行一個他們保持強迫不變的模型來估計內在自然變異性的量。他們透過檢視不同時間尺度上的變化來驗證推斷出的變異性。如果模型重現了十年以上的氣候波動，則假定它們也可以處理更長期的波動。
變暖的通用效應
變暖對陸地的影響大於對海洋的影響。當陸地被加熱時，熱量需要一段時間才能向下擴散，因此它仍然集中在薄薄的近地表層中。當海水被加熱時，一些熱量透過垂直流向下傳遞，因此熱量分散在更大的質量上，從而產生較小的溫度升高。此外，一些海水加熱用於提高蒸發率，而不是提高溫度。這種陸地-海洋差異本身不是指紋，因為它適用於所有強迫。
基本理論還預測，變暖會增加蒸發率和降水率。前者的增加幅度大於後者，因為降水受到對流層輻射冷卻的限制，而輻射冷卻是雨滴形成的原因。因此，為了維持水文迴圈，需要上升的空氣更少，這可能會削弱某些對流。這種效應最近在沃克環流的背景下引起了一些關注。在赤道太平洋地區，高空風從西向東吹，地表風從東向西吹（根據經度，削弱或加強自東向西的信風）。環流是由西太平洋溫暖潮溼空氣的上升驅動的。由於風傾向於從高氣壓流向低氣壓，因此沃克環流在東部產生的海平面氣壓高於西部。
定量地看，攝氏 1 度的變暖會使水蒸氣濃度增加 7%，但降雨量僅增加 2%，因此對流流量率降低了 5%。對於觀察到的 0.6 度的變暖，您應該得到約 3% 的沃克環流減弱。反過來，這應該會減少太平洋兩岸海平面氣壓的差異。事實上，自 1800 年代中期以來的氣壓計讀數彙編顯示了這種下降。
更多資訊
美國氣候變化科學計劃報告的執行摘要中的表 1 和第 1 章中的圖 1.3 簡要總結了空間指紋。關於指紋最近工作最好的概述之一是去年由該領域名副其實的專家撰寫的這篇論文。戈達德空間研究所的吉姆·漢森及其同事的這篇論文是另一個有用的資源：圖 24 顯示了不同強迫對地表溫度的影響；圖 20 顯示了對大氣結構的影響；其他圖表顯示了降水、水蒸氣、風和海平面氣壓。