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全球黯化

全球黯化是指自20世紀50年代以來開展全球系統觀測後發現的地球表面接受的直接太陽輻射逐年減少的現象。這個現象雖然會因地點而異，但就全球平均而言，自1960年到1990年的30年間，接收到的直接太陽輻射已經減少了4%。但是在去除1991年的皮納圖博火山噴發造成的異常後，觀測到的全球的總趨勢又變成是有很小的增加[1]。全球黯化被認為是因為人類活動造成的大氣中懸浮顆粒物（比如硫酸鹽氣膠（英語：sulfate aerosol））的增加造成的。全球黯化已經通過減少地表蒸發而干擾到了全球水循環。在一些地區，降水可能也是因此減少。全球黯化效應可能造成了全球寒化效應，從而部分的抵銷了一些溫室氣體造成的全球暖化效應。通過地球工程學的一些手段來精細的操縱這種黯化效應被認為是一條可以減少全球暖化影響的途徑。

華東上空觀測到的大量的燃燒火點（圖中紅點）以及到處瀰漫的濃煙和灰霾（圖中灰色區域）。全球黯化被認為和煙霧，空氣污染和其他大氣內的顆粒物有關。照片是用NASA的阿卡衛星上的MODIS拍攝。

原因和影響

更多資訊：反照率、輻照度和日射量

全球黯化被認為是因為人類活動造成的大氣中懸浮顆粒物的增加造成的。[2]大氣中的顆粒物可以吸收太陽能量，也可以將陽光反射回太空。這些顆粒物也可以作為凝結核促成雲滴的形成。雲中的水滴可以與這些顆粒物碰並。[3]污染的增長造成更多的顆粒物，從而催生雲中產生更多的小水滴（也就是說，同量的水被分成更多的液滴）。這些更小的水滴使得雲的反射率增加，造成更多的陽光被反射回太空，地面能接收的太陽輻射就變得更少了。在模式中，這些更小的水滴使得降雨減少。[4]

雲可以攔截太陽對地球的傳熱，以及地球向外的熱輻射。他們造成的影響非常複雜，隨著時間、地點、高度的不同而變化。通常在白天是以攔截入射的陽光為主，造成冷卻的效果；而到了晚上就主要阻擋地球向外輻射熱量，減少地球的熱量流失。

科學研究

更多資訊：氣候模式和太陽總輻射表

20世紀60年代晚期，麥克海爾·伊萬諾維奇·布迪科（英語：Mikhail Ivanovich Budyko）使用一個簡單的二維能量平衡氣候模式研究冰的反射率。[5]他發現「冰-反照率」反饋在地球氣候系統中產生了一個正反饋循環。冰雪越多，被其反射回太空中的太陽輻射就越多，從而使得地球變得越冷，進而又產生更多的冰雪。其他的研究也發現空氣污染或火山噴發可能會引發一個冰期的開始。[6][7]

20世紀80年代中期，蘇黎世聯邦理工學院的一個地理學研究者大村纂（英語：Atsumu Ohmura）發現到達地球表面的太陽輻射在過去的30年裡已經減少了超過10%。他的發現顯得與全球暖化的趨勢（自70年代全球平均溫度已經在升高）相衝突。因為到達地球表面的陽光越少，地球應該越冷才對。大村在1989年發表了他的發現「全球輻射在歐洲的長期變化」。[8]隨後，其他研究者也陸續發現相似現象。比如Viivi Russak在1990年的「愛沙尼亞近幾十年來的太陽輻射、雲量、大氣透明度的趨勢」，[9]和Beate Liepert在1994年的「德國的太陽輻射——觀測到的趨勢以及造成原因的估計」。[10]在蘇聯也觀測到黯化現象。[11]格里·斯塔希爾（Gerry Stanhill）在好幾篇論文中（參見參考資料）研究了世界範圍內的黯化現象，並且確定了「全球黯化（global dimming）」這個術語。[12]

20世紀80年代晚期在以色列和荷蘭的獨立研究顯示，儘管各地的跡象都表明全球氣候正在變熱，但陽光總量卻是在明顯減少。[13]黯化的速率在各地有所不同，但平均值大概為每十年減少2-3%。這個趨勢從90年代早期開始有所逆轉。[1]由於很難精確的標定觀測使用的儀器，再加上空間覆蓋度不夠，使得很難得到精確的黯化速率的全球觀測。但是黯化的現象無可否認。

這個（2～3%）效果僅僅是因為大氣內部的變化。這段時期到達地球大氣最外層的太陽輻射變化要比這小得多。[14]

 
位於金門大橋的煙霧。煙霧是引起全球黯化的可能因素之一。

全球黯化效應因地點不同會變化很大，但是在陸地表面的平均效應有以下一些估計：

  • 在1958～1985年間為5.3%（大約為9W/m²）（Stanhill and Moreshet，1992）[12]
  • 在1964～1993年間為每十年減少2%（Gilgen et al.，1998）[15]
  • 2000年前為每十年2.7%（總計是20W/m²）（Stanhill and Cohen，2001）[16]
  • 在1961～1990年間為4%（Liepert 2002）[17]

要注意的是，以上數字是陸地表面的估計，並不包括水面，所以不是全球平均值。雖然曾在馬爾地夫群島附近的印度洋海域做過專門的實驗，但海洋上空到底是在變暗還是變亮仍然不是很清楚。區域性效應主要但不是完全地由陸地面積來決定，區域性的大氣環流也會有所影響。魏爾德（Wild）等人在2009年發表的一篇綜述文章[18]發現變暗或變亮隨時間和地點變化很大。2000年以後在歐洲、美國和韓國的許多站點顯示正在變亮。在20世紀90年代，1991年皮納圖博火山噴發的影響逐年逐漸減退，直到2000年的完全消失，南極地區的許多地方在這期間都觀測到逐漸的變亮。日本的很多地方也觀測到逐漸變亮的趨勢。中國在90年代的穩定期後，開始顯示重新變暗的趨勢。總體而言，目前的數據表明，自2000年以後有很多地方仍然在繼續變亮，但已經沒有20世紀90年代那麼顯著了。更多的區域是沒有變化或亮化速率降低。因此，就全球而言，相比起前幾十年，2000年以後溫室氣體引起的變暖較少被地表太陽輻射變動調整。最大的減少是在北半球的中緯度地區。[19] 相比起紫外波段來，可見光和紅外波段的太陽輻射受影響要大得多。[20]

蒸發器數據

更多資訊：蒸發器

在最近50年左右，蒸發量的觀測一直在被小心的進行。但很多年來，沒有人仔細的關注過蒸發器的測量結果。到了20世紀90年代，歐洲，以色列和北美的一些科學家發現了一些在當時被認為是很奇怪的一些現象：因為全球暖化而被認為應該增加的蒸發速率在實際觀測中卻顯示了減少的趨勢。[21]在中國的相近時期，也觀測到相同的趨勢。太陽輻射的減少被認為是該現象的內因。然而，中國與世界上其他地方不同，在當地太陽輻射的減少並不總是伴隨著雲量和降水量的增加。氣膠被認為可能對中國地區太陽輻射的減少起了重要作用。[22]

紀錄片《地平線》的製片人大衛·辛格頓（英語：David Sington）相信，許多科學家認為蒸發器數據是全球黯化的最可信的證據。[23]蒸發實驗很容易通過低費用的裝置來實行。世界各地為了農業都有蒸發器測量，在有些地方甚至有長達將近半世紀的測量。但是蒸發量除了受太陽輻射影響外還與其他一些因素有關。其中兩個主要的因素是風速和水汽壓差。[24]環境溫度反而是一個可忽略的因素。蒸發器測量可以和輻射計測量[16][21]的數據相互印證，還可以彌補日射強度計測量的遺漏。經過對相關因素調整後的蒸發器數據可以和氣候模擬的結果相比較。[25]

可能的原因

更多資訊：懸浮粒子、黑碳、凝結尾和火山灰
 
雲和飛機的凝結尾（NASA圖片）。911事件之後，北美上空因為禁飛而使得飛機凝結尾短暫的消失。這段時期里日大氣溫度變化範圍的增加可以說是經驗性的說明（英語：empirical evidence）了這層因航空而來的薄薄的冰雲對地球的影響。[26]

化石燃料（比如柴油和）和樹木的不完全燃燒會排放黑碳顆粒物到空中。雖然黑碳（大部分是以碳黑的形式存在）在地表空氣污染物中只占很小比例，但是它對大概2公里（1.2英里）左右高度的大氣有很顯著的加熱效應。它還會因為吸收太陽輻射而使得海洋表面變暗。[27]

20世紀90年代在馬爾地夫的實驗（通過比較群島南北的大氣）表明從印度吹來的污染物會使得污染雲團下的地面要少接受10%的陽光。[28] 在該實驗前所作的預測顯示污染物中的顆粒物僅僅只會造成0.5～1%的陽光減少。顆粒物作為凝結核促成液滴乃至雲的形成可能可以解釋實驗結果和預測間的差別。雲可以很有效的將陽光反射回太空。

全球黯化的現象也可能造成區域性的影響。雖然地球大部分都在變暖，但主要污染源（尤其是二氧化硫污染排放源）的下風區通常都會變冷。這個可能能夠解釋為什麼美國東部變冷而西部變暖。[29]

然而，一些研究顯示黑碳實際上是增加全球暖化，正成為CO2之後的第二大因素。研究者們認為碳黑可以吸收太陽的能量，然後將這些能量轉移到其他區域，比如冰川正在消融的喜馬拉雅山脈。碳黑也使得北極的冰面「變黑」，從而減少了冰面的反射率，增加了對太陽輻射的吸收。[30]

有些研究者通過理論研究發現飛機凝結尾（也稱水汽尾跡）與全球黯化有關聯。在平時，因為天空上總有幾乎定常量的空中交通，所以很難看到凝結尾的效應。在911事件後的三天裡，幾乎所有的民用航空被暫時關閉，這提供了一個難得的機會來觀察凝結尾對美國氣候的影響。在這段時間裡，在美國一些地方觀測到了日夜溫差增大超過1 °C (1.8 °F)。飛機凝結尾有可能提升夜間氣溫和降低晝間氣溫，其程度遠超過以前的估計。[26]

空中漂浮的火山灰可以將太陽輻射反射回太空，因而使得地球降溫。在大規模的火山噴發後（比如1963年巴里的阿貢火山噴發、1983年墨西哥的埃爾奇瓊火山、1985年哥倫比亞的魯伊斯火山和1991年菲律賓的皮納圖博火山），都觀測到了氣溫的跌落。但即使是大規模噴發，火山灰雲也只能存在較短的時間。[31]

最近的趨勢逆轉

更多資訊：清潔空氣法案
 
根據衛星測量，自1991年皮納圖博火山噴發後，阻隔陽光的氣膠平均濃度（光學厚度）穩步下降（圖中紅線所示）。

魏爾德（Wild）等人報道，陸地表面觀測顯示，自1990年以來正在變亮。[13][32][33]平克（Pinker）等人[34]通過分析衛星觀測發現，自1983年到2001年間海洋表面正在變亮而陸地表面仍然繼續有非常輕微的變暗。如果分為兩部分看，1992年前全球是是稍微的變暗趨勢，自1992年後趨勢顯著逆轉為變亮。[35]2007年，一份由NASA資助的基於衛星觀測的研究肯定了，到達地球表面的陽光在1990年前的幾十年是在逐步減少，自1990年後趨勢開始逆轉。從這個從「全球黯化」到「變亮」的轉換點開始，全球平均氣膠濃度也開始下降。 [31][36]

至少歐洲，這些改變是由於大氣污染物的減少。大多數已開發國家的政府已經採取措施減少排放到大氣中的氣膠，從而使得全球黯化的趨勢減弱。

自從美國在1970年開始實施清潔空氣法案（英語：Clean Air Act (United States)）和歐洲實行類似的政策以來，硫酸鹽氣膠已經顯著的減少。清潔空氣法案在1977年和1990年還得到加強。根據美國環保局統計，從1970年到2005年，美國的六個首要污染物（其中包括顆粒物）的總排放已經減少53%。在1975年，污染物對溫室效應的抵消作用開始變得顯著，自此也一直保持。[37]

基線地表輻射觀測網（英語：Baseline Surface Radiation Network）（BSRN）已經一直在收集地面觀測資料。BSRN開始於20世紀90年代早期，並一直保持更新。最近的數據分析顯示在過去十年裡，地球表面已經變亮了4%。這個變亮的趨勢也被包括衛星觀測在內的其他觀測所印證。

與全球水循環的關係

 
這幅圖顯示，一個由5個因子影響的氣候模式（英語：climate model）與歷史溫度記錄（英語：historical temperature record）有一定程度的一致性。圖中標為「硫酸鹽」（sulfate）的為負值的因子是和氣膠排放有關的，而氣膠被認為是造成全球黯化的重要原因。
更多資訊：水循環

人類排放的大氣污染物可能正在嚴重地影響著地球的水循環，造成降雨減少，導致淡水供應緊張。一份2001年的由斯克里普斯海洋研究所的科學家進行的研究表明，那些十分微小的碳黑顆粒以及其他顆粒物污染物對水循環有重要的影響。維拉布哈德蘭·拉馬納森（英語：Veerabhadran Ramanathan）指出：「維持水循環的能量來自於陽光。當陽光加熱海洋，水經過蒸發轉入大氣，然後又通過降雨回到海洋。因此，當氣膠大量的消減了陽光時，他們也可能正在減慢地球的水循環。」[38]

全球黯化可能也引起大規模的天氣模式的變化。氣候模式研究者推測，地表太陽輻射的減少可能導致撒哈拉以南非洲的季風在20世紀70到80年代間被破壞，造成饑荒（比如薩赫勒區乾旱（英語：Sahel drought））。而這些最終可能是因為北半球的污染物冷卻了大西洋。[39] 因為這個原因，熱帶雨帶（英語：Tropical rain belt）可能無法向北擴展，從而造成一些地區的季節性降雨的缺失。這個理論在學術界還沒有達成一致意見，而且很難被實驗驗證。然而2009年的一份關於中國的研究發現，雖然華東大部分地區的大氣中含水量在1956～2005年間沒有顯著變化，但小雨的天數而明顯減少。[4] 此外，研究者還發現大氣中水汽傳播的區域與小雨頻率並不一致。隨後，研究者用數字模式模擬了氣膠的效應，發現污染地區的大氣中的水滴要比乾淨大氣中的水滴最多可小50%。研究者認為過小的水滴妨礙了降雨雲的形成以及那些對農業很重要的小雨的發生。這種效應不同於對太陽輻射的減少，但仍然是氣膠的一種直接效應。

一份2001年的由斯克里普斯海洋研究所的科學家進行的研究表明，在地表的全球暖化和全球黯化之間的不平衡導致進入大氣的湍流熱通量減弱。這就意味著全球的蒸發乃至降水減少，世界變得較暗和更熱，進而可能最終導致大氣變得跟潮濕，雨水變得更少。[40]

大尺度範圍的變暗已經影響了2006年北半球颶風季節。一項NASA的研究發現撒哈拉沙漠6、7月的幾次大的沙塵暴帶著沙塵飄過大西洋，並且通過一些效應冷卻海水，因而抑制了颶風的發展。[41][42]

和全球暖化的關係

更多資訊：全球暖化

一些科學家現在認為全球黯化效應在一定程度上掩蓋了全球暖化的效應，因此解決全球黯化有可能導致未來氣溫的上升。[43]貝亞特·利佩特（Beate Liepert）認為，「我們生活在一個全球暖化和變暗的世界。現在我們正在消除全球黯化。因此我們最終將得到一個全球暖化的世界，它將要比我們以前認為的更糟，更熱。」[44]這個掩蓋效應的大小已經成為影響研究未來氣候變化，制定應對全球暖化政策的中心問題之一。[43]

這兩種有關影響氣候的理論之間的相互作用已經被研究。全球變暖和全球黯化之間既不是相互排他，也不是相互對立。在2005年的一篇發表在美國地球物理協會的會刊《地球物理研究通訊》的文章中，一個由紐約的哥倫比亞大學應用物理和數學系的阿納斯塔西婭·羅馬諾（Anastasia Romanou）領導的研究小組發現原本相互反作用的全球暖化和全球黯化也可能同時發生。[45]全球黯化與全球暖化之間的交互作用，是通過阻攔會引起蒸發的陽光和阻止顆粒物與水滴結合。水汽是一種主要的溫室氣體。反過來，全球黯化又被蒸發和降雨影響。降雨可以清除天空中的污染物。

根據加州斯克里普斯海洋研究所的大氣化學家維拉布哈德蘭·拉馬納森（英語：Veerabhadran Ramanathan）的研究，棕色雲被認為可以增強全球暖化。「傳統的想法是，通過所謂的全球黯化，棕色雲已經掩蓋了50%的由溫室氣體導致的全球暖化。……雖然就全球而言，這是對的，但這項研究的結果表明，在東亞和南亞，棕色雲中的碳黑顆粒實際上使得溫室氣體造成的大氣升溫趨勢增強了50%。」[46]

可能用於減緩全球暖化

更多資訊：減緩全球暖化和反照率

有些科學家已經建議，作為一項緊急地球工程措施使用氣膠來抵消全球暖化的效應。[47]在1974年麥克海爾·布迪科（英語：Mikhail Budyko）就建議，如果全球暖化變成一個問題，可以通過在平流層燃燒硫磺來製造一層煙霾，從而使得地球降溫。[48][49]行星反照率僅僅增加5%就足以將倍增CO2的效應減半。[50]

最簡單的辦法可能算排放更多的硫酸鹽。這些硫酸鹽最終將消失在對流層（大氣最低的一層）中。如果真這樣做了，地球仍然將面臨很多問題，比如：

  • 使用硫酸鹽可能引起諸多環境問題，比如酸雨[51]
  • 使用碳煙會導致一些健康問題[51]
  • 變暗會引起生態問題，比如蒸發和降雨模式的改變[51]
  • 乾旱和降雨的增加會對農業產生不良影響[51]
  • 氣膠在大氣中的生命史較短

實際中被支持的方法是，播撒硫酸鹽到更高層的大氣（平流層）中。相比起在對流層中的幾個星期的壽命，平流層中的氣膠可以存在好幾年。這因此可以相對減少（雖然最終還是很大量）需要排放的硫酸鹽的量，從而使得副作用更少些。這就要求發展一套有效的方法來撒播大量的氣體到平流層。很多這類方案已經被提出，只是還不知道它們是否有效和經濟上可行。[52] 在一篇博客文章中，加文·施密特指出「增加氣膠來抵消全球暖化的主意已經被認為是『魔鬼交易』，因為這意味著為了抵消目前大氣中積累的溫室氣體的效應必須排放更多的污染物，進而增加財政和健康方面的花費。」[53]

參見

參考資料

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