给温室气体装个“摄像头”

周春江

法國数学家、物理学家傅里叶首次用数学物理学的方法，计算地球表面温度时，认为大气对地球的保温作用和温室玻璃有异曲同工之妙，此后，“温室气体”这个词渐渐步入人们视野。由于容易理解，“温室气体”逐渐成为大气科学领域普及程度最高的专业术语之一。

政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanel on Climate Change，简写为IPCC）的《第5次评估报告》指出：20世纪50年代以来，全球气候变暖一半以上是由人类活动造成的。要控制全球气候变暖，必须大幅度减少温室气体的排放。

也许近年来，对全球变暖的担忧，让不少人看到“温室效应”就皱眉头。事实上，温室气体并不是专职的捣蛋鬼，如果没有它们带来的温室效应，地球同样无法孕育大量生命;但过多的温室气体就会造成温室效应异常增强。所以，温室效应异常增强才是问题的源头。

温室效应异常增强，人类难辞其咎

温室气体带来温室效应，这是由它们自身的分子结构决定的。温室气体的分子结构使其在震动时可以吸收红外线，因此具有保存红外热能的能力。如果没有温室效应，地球无法保存辐射能量，温度将稳定在-18℃左右。而地球今天的实际温度约为15℃，这增加的33℃的保暖效果就是温室效应提供的。它像一床温暖的被子保护着地球上的生命。除了常说的二氧化碳，水汽、臭氧、甲烷、氢氟碳化物等也都是温室气体。

但如果非得把过多的温室气体看作捣蛋鬼，那么，人类就是不能推卸责任的始作俑者了。

拿二氧化碳这个关注度最高的温室气体来说。二氧化碳占大气总体积的0.03%～0.04%，但由于人类活动的影响，大气中的二氧化碳浓度正在快速上升，在目前人类的温室气体总排放量中，二氧化碳约占76%。在过去的数十万年时光中，地球大约以10万年1次的频率在大的冰期和间冰期中循环，地表温度有升有降。而大气的二氧化碳浓度始终遵循着自然界物理化学规律的制约，保持在180～280百万分比浓度之间。

但工业革命之后，人类利用地球能源的能力快速增强。原本埋藏在地下，可能数千万到数亿年都不见天日的化石燃料，在短短几十年内就被大量燃烧，产生的二氧化碳引发大气二氧化碳浓度前所未有的增长变化。截至2020年3月，大气二氧化碳浓度已达到414.5百万分比浓度，比工业革命前升高45% 以上，比过去80万年中的任何时候都高。

然而还有一些人认为，与自然本身的二氧化碳排放基数相比，人类排放的二氧化碳数量并没有多到夸张，怎么就能产生如此巨大的影响呢？

打个比方吧：如果人一日三餐规律饮食，一般都可以保持身材匀称、身体健康;但如果从某一天开始，每天晚上多吃1个小蛋糕，一年之后就会长胖10斤。1个小蛋糕看起来比一日三餐的量少，但实际上它破坏了长期以来人体热量的供需关系，所以就会导致人长胖。说回二氧化碳排放，人类进一步改造自然，开垦森林草原，建立城市，使得自然界的固碳能力不断下降，影响了全球碳循环的平衡，因此导致温室效应异常增强，地表温度异常升高。

监测温室气体，组建大气观测网

面对温室气体造成的巨大气候危机，人类作为始作俑者也到了非管不可的地步。于是，各个国家、各个国际组织纷纷推出了不同的温室气体监测计划，上天入地，给温室气体装上了360°无死角的“摄像头”。

1957年，美国莫纳罗亚天文台的查里斯·大卫·基林开始了最早的二氧化碳地基观测数据记录。1970年，受联合国环境规划署委托，世界气象组织（World MeteorologicalOrganization，简写为WMO）组织实施了大气本底污染监测网计划（本底监测，指对未受到人类活动影响的大气自然状态下各种成分的浓度监测，堪称气候变化的“忠实记录者”）。

随着全球变暖问题日益突出，WMO 于1989年开始组建全球大气观测网（Global Atmosphere Watch，简写为GAW），长远目标是记录有关大气化学成分的变化，监测那些对环境造成危害的气体粒子，如二氧化碳、臭氧等温室气体。截至2012年3月，来自65个国家的325个站点向世界温室气体数据中心提交了111种温室气体和相关气体的观测数据。2004年，总碳含量观测网络（Total ColumnCarbon Observing Network，简写为TCCON）建立起来，旨在测量精确的二氧化碳等温室气体柱浓度，目前已建立全球站点接近70个，国内建有合肥站。

常规的地基观测无法解决全球大气碳含量的空间分布问题，更无法监测到海洋上空大气中二氧化碳的含量，因此需要飞机、高塔、航船、卫星观测资料来帮忙，结合同期气象资料和模式推算，从而更及时、准确地测算不同区域温室气体的排放、吸收状况，分析评估不同区域间的输送和相互影响。

近年来，利用卫星平台对地球大气二氧化碳浓度进行监测获得越来越多的关注。但温室气体观测卫星对科学技术综合实力与国力有较高的要求，因此，目前只有少数国家成功发射了温室气体观测卫星。

2016年，我国首颗用于监测全球大气二氧化碳含量的科学实验卫星在酒泉卫星发射中心发射成功，成为国际上第3颗具有高精度温室气体探测能力的卫星。2018年，我国首颗碳卫星获取的第一幅全球二氧化碳分布图对外公布。该分布图有助于准确监测二氧化碳的时空变化，在碳排放数据上知己知彼，对提升我国在国际气候变化方面的话语权具有重要意义。 毕竟，管理大气问题也不能一直听人说，也要有自己的经验和方法。

中国的温室气体监测

我国位于亚洲季风区，是受全球变暖影响较大的区域之一。我国在应对全球变暖问题上一直做着积极的努力。自20世纪 90 年代开始，我国首先在青海瓦里关站开展温室气体观测。该站是WMO/GAW 的31个全球大气本底观测站之一，也是目前欧亚大陆腹地唯一的大陆型全球本底站。中国的科研人员也在温室气体浓度观测、源汇分析、温室气体与全球变暖关系分析，以及未来气候变化预测等多个方面，做出了巨大贡献。

2019年5月，第一届中国温室气体监测研讨会在北京召开，约200位科研和技术人员交流介绍了自己的工作。比如，利用内蒙古的二氧化碳剖面测量结果，直接观测到大气传输和平流层- 对流层的物质交换;对长江三角洲地区高强度氢氟碳化物排放的研究;对珠江三角洲地区的背景大气二氧化碳和潜在源区测量;通过地基傅里叶变换红外光谱仪和Picarro 光谱仪的测量，首次揭示了河北廊坊香河地区甲烷的时空分布和垂直分布;对近地面臭氧的观测;用狗尾巴草监测城区碳排放等。

人类对温室气体的认识是不断深化的：1861年，英国物理学家丁达尔发现，大气温室效应是由含量很少的水汽和二氧化碳贡献的;1896年，瑞典物理化学家阿伦尼乌斯首次通过自己设计的气候变化模型计算了温室效应，提出二氧化碳浓度增加1倍，全球温度将升高6℃。今天，我们认识到了更多种类的温室气体，对气候变化机制的理解也更加深刻。根据2013年发布的IPCC《第5次评估报告》给出的评估结论，二氧化碳浓度增加1倍，全球升温3℃（±1.5℃）。大气中温室气体浓度的监测也是一项复杂而繁重的工作，它集研究、工程、设备、组织于一体，目前依然存在许多问题和挑战，但从100多年前粗糙的二氧化碳观测，到现在的地基、天基、卫星一体化的观测网建立，其未来的发展值得期待。