美国研究所在大气方面的研究论文

平流层红外天文台（SOFIA）是美国宇航局（NASA）和德国航空航天中心（DLR）共同推进的一个项目，已被广泛用于观察宇宙中的许多物体，从黑洞到星系，甚至是月球。 十年前，由德国研究员 Heinz Hübers 带领的团队用一种新的激光技术改进了装备在 SOFIA 的一个红外仪器 GREAT。当时他就意识到这种升级不仅有助于研究遥远的宇宙，而且还可以在离地球更近的地方使用。

德国航天中心光学传感器系统研究所所长、柏林洪堡大学教授 Hübers 表示：“SOFIA在观察宇宙时直接穿过地球的上层大气，我想有一天从GREAT仪器中收集的数据会很有吸引力，这将有利于开展对我们自己大气层的研究。这当然不是你所想的使用SOFIA的仪器，但我把这个想法藏了起来，直到我有机会测试它”。

现在，Hübers 的这个想法终于得到了证明。在最近发表的一篇论文中，利用 GREAT 首次直接测量了地球高层大气中最不为人所知的区域之一，中间层（mesosphere） 和低热层（lower thermosphere）之间的氧气。

SOFIA 的结果更完全地证实了理论、直接和间接测量对这一大气区域中氧气浓度的预测。这进一步巩固了围绕太阳能量如何在地表和空间之间交换的一些基础科学。这些结果发表在《 Nature Communications Earth and Environment》上。

SOFIA 观察到了一种特殊形式的未结合的氧气，被称为原子氧，它与在地球表面发现的生命之氧不同。原子氧在冷却高层大气方面起着重要作用，因此被用来估计这一区域的温度。

气候模型预测，温室气体的增加将提高低层大气的温度，但降低中间层的温度。对中间层的温度进行更准确的监测可以帮助研究人员更好地了解低层和高层大气之间的关系。SOFIA的直接测量改善了这些温度估计。

从大约30英里高的地方开始，中间层和低热层一直很难研究。地面望远镜受到了低层大气中水汽的扭曲的阻碍。高空飞行的卫星依靠其他物质来推断氧气的水平，但无法进行直接测量。1990年代在火箭上甚至在航天飞机上飞行的仪器提供了这些地区的简短快照。

SOFIA在大约4万英尺（或7英里高）的高度飞行，它利用一架波音747SP，翱翔在大气层中的水蒸气之上，并且足够大，可以携带直接测量氧气所需的红外仪器。

人类早期的活动能力、也就是破坏自然的能力很弱，最多只能引起局部地区小气候的改变，所以几百万年间人与自然还能相安无事。但是工业革命以来情况发生争剧变化。工业化意味着大量燃烧煤和石油，意味着向地球大气排放巨量的废气。其中二氧化碳气体造成大气温室效应，使全球变暖、极冰融化、海平面上升；二氧化硫和氮氧化物可以形成酸雨；氯氟烃气体能破坏高空臭氧层，造成南极臭氧洞和全球臭氧层变薄。此外，工业化排放的污染气体也使人类聚居的城市成了浓度特高的大气污染岛……人类在发展经济、提高生活质量的同时也闯下了弥天大祸。不少灾害看起来似乎是天灾，而实际上却往往是属于人类自己造成的人祸。被破坏的地球大气正在对人类进行可怕的报复，大自然是绝不会因为人类的无知而原谅人类的。 1992年6月，世界各国元首、政府首脑云集巴西里约热内庐，在联合国《气候变化框架公约》上签字。为什么气候变化这样一个普普通通的科学问题，会变得如此令人关注？ 原来，工业革命以来，由于人类大量燃烧化石燃料和毁灭森林，使全球大气中二氧化碳（CO2）含量在百年内增加了25％。如果按目前CO2浓度的增加速度，到2100年大气中CO2含量将增加一倍。据联合国发布的评估报告，那时全球平均气温会比现在上升～℃，这将引起极冰融化、海平面上升15～95厘米，从而淹没大片经济发达的沿海地区，还可能引起其他一系列严重问题。世界各国政府开始重视这种状况及其危害后果，共同商讨削减CO2排放量的问题。 什么叫温室效应 全球的地面平均温度约为15℃。如果没有大气覆盖，根据地球获得的太阳热量和地球向宇宙空间放出的热量相等的原理，可以计算出地球的地面年均温度为－18℃。这33℃的温差就是大气像被子一样保护地球造成的。这就是温室效应。 宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高，辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K，它发射的电磁波的波长很短，称为太阳短波辐射（其中包括从紫到红的可见光）。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却下来。地球发射的电磁波因温度较低而具有较长的波长，称为地面长波辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的：大气对太阳短波辐射来说几乎是透明的，而它却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的长波辐射（因为大气的温度比地面更低）。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温，这也可以说是大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。 地球大气的这种保温作用，很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃（温室效应也可称为暖房效应或花房效应），因为玻璃也具有透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能。 温室效应源自温室气体 我们知道，并不是大气中的每种气体都会强烈吸收地面长波辐射的。地球大气中起温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有波长的长波辐射，只有一个很窄的区段吸收很少，这个区段被称为“盲区”。地球主要通过这个盲区把从太阳获得的热量中的70％又以长波辐射形式返还宇宙空间，从而维持地面温度不变。我们所说的温室效应，主要是指由于人类活动增加了温室气体的数量和品种，使这盲区即能返回宇宙空间的70％的热量的数值下降，使留下的余热增多而使地球变暖的情况。 不过，CO2等温室气体虽然吸收地面长波辐射的能力很强，但它们在大气中的数量却极少。如果把压力为一个大气压、温度为0℃的大气状态称为标准状态，那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态，它的厚度是8000米。目前大气中CO2的含量是355ppm即百万分之355（ppm为百万分之一），把它换算到标准状态，就是米厚。在8000米厚的大气中就占这米厚的这一点点。甲烷含量是，相应是厘米厚。臭氧浓度是400ppb（ppb为ppm的千分之一）换算后只有3毫米厚。一氧化二氮是310ppb，毫米。氟里昂有许多种，但大气中含量最多的氟里昂12也只有400ppt（ppt是ppb的千分之一），换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体是极少的。正因为如此，所以人为释放的温室气体如不加限制，很容易引起全球迅速变暖。 早在1938年，英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的CO2观测资料后，指出当时CO2浓度已比世纪初上升了6％，并指出从上世纪末到本世纪中叶全球存在变暖倾向，在世界上引起了很大反响。为此，美国斯克里普斯海洋研究所的凯林于1958年在夏威夷的冒纳罗、亚山海拔3400米的地方建立起了观测所，开始了大气中CO2含量的精密观测。夏威夷位于北太平洋中部，几乎未受陆地大气污染的影响，观测结果有相当高的可靠性。 从冒纳罗亚山观测到的1958年4月到1991年6月大气中CO2浓度的变化曲线可以看出1958年时大气中CO2含量不过315ppm左右，而1991年已经达到了355ppm。问题的严重性还在于，人类每年燃烧55亿吨化石燃料（每吨约产生4吨CO2）中，大约只有一米进入了大气，其余一米主要被海洋和陆地植物所吸收。一旦海洋中CO2达到饱和，大气中CO2含量将成倍上升。从图上还可发现CO2含量还有季节变化，冬夏可以相差6ppm。这主要是由于北半球广阔大陆上植被冬枯夏荣的影响，因为植物在夏季大量吸收CO2因而使大气中CO2浓度相对降低。 根据对南极和格陵兰大陆冰盖中密封的气泡中空气的CO2浓度测定，古代大气中CO2含量一直比较稳定，大体是280ppm左右。只是从18世纪中叶，即工业革命前后开始逐步上升。人类用了240年时间，使大气中CO2浓度从280ppm上升到355ppm。 甲烷是仅次于CO2的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比CO2少得多，但增长率却大得多。据联合国政府的气候变化委员会（IPCC）1996年发表的第二次气候变化评估报告的资料（简称《报告》），从1750～1990年共240年间CO2增加了30％，而同期甲烷却增加了145％。甲烷也称沼气，是缺氧条件下有机物腐烂时产生的，例如水田、堆肥和畜粪等都会产生沼气。一氧化二氮又称笑气，因为呼入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛，看上去像在发笑一样。它主要是由于使用化肥、燃烧化石燃料和由生物体所产生的。大气中的臭氧含量，在平流层中虽有减少，但在对流层中是增加的。氟里昂气体是氯、氟和碳的化合物，它在自然界里本不存在，完全是人类制造出来的。由于它的溶点和沸点都比较低，不燃、不爆、无臭、无害、稳定性极好，广泛用来生产制冷剂、发泡剂和清洁剂等。地球大气中浓度最高的氟里昂12和氟里昂11含量虽都极少，但这些年增长率却很高，均达到年增5％。根据1987年国际《蒙特利尔议定书》，它在大气中的浓度将在21世纪初开始逐渐减少。 应当说明，CO2以外的其他温室气体在大气中的浓度虽比CO2小得多，有的要小好几个量级，但它们的温室效应作用却比CO2强得多，它们对大气温室效应的作用，根据IPCC第二次《报告》，都只比CO2低一个量级。这是值得注意的。 温室效应的后果 如前所述，工业革命前大气中CO2含量是280ppm，如按目前增长的速度，到2100年将增加到550ppm，即几乎增加一倍。全世界的许多气象学家都在努力研究，CO2含量增加一倍以后，到2100年全球的平均气温会增高多少？ 目前采用的具体办法是，根据大气运动规律和物理状态变化规律，设计成数值模式进行计算。但由于人们对大气运动变化规律的认识还不够完善，采取的简化设计办法也不同，因而各个模式的计算结果常相差很大。为此80年代美国科学院组织了评估委员会，对这些模式的结果进行研究和综合评诂，最终得出CO2倍增后全球平均气温将上升～℃。这就是对本问题最有权威的组织——联合国IPCC第一次《报告》中采用的数字。 近年来，气候模式的模拟能力有了重大改进，这主要是考虑了大气中气溶胶（空气中悬浮的微小颗粒）的作用。因为在燃烧化石燃料放出CO2的同时也释放了巨量的硫化物等气溶胶。这种气溶胶颗粒会遮挡部分阳光使之无法到达地面，使地面气温降低，起到冷却作用。其数值据IPCC估计可达－瓦／平方米，即相当于CO2增温效应（＋瓦／平方米）的1／3，比甲烷的增温效应（+瓦／平方米）还略大。主要根据这个改进，IPCC1996年公布的第二个《报告》中，把2100年CO2倍增后全球平均气温的升温值从～℃，修改为～℃。评估报告中还指出，由于海洋的巨大热惯性，到2100年这个增温值中大约只有50～90％得以实现。 模式计算结果还说明，全球平均增温～℃并不均匀分布于世界各地。赤道和热带地区不升温或几乎不升温，升温主要集中在高纬度地区，数量可达6～8℃甚至更大。这一来引起另一严重后果，即两极和格陵兰的冰盖会发生融化，引起海平面上升。北半球高纬度大陆的冻土带也会融化或变薄，引起大范围地区沼泽化。还有，海洋变暖后海水体积膨胀也会引起海平面升高。IPCC的第一次评诂报告中预计海平面上升20～140厘米（相应升温～℃），第二次评估报告中修改为15～95厘米（相应升温～℃），最可能值为50厘米。即比第一次评估结果降低了约25％。IPCC的第二次评诂报告还指出，从19世纪末以来的百年间，由于全球平均气温上升了～℃，全球海平面相应也上升了10～25厘米。 全球海平面的上升将直接淹没人口密集、工农业发达的大陆沿海低地地区，后果十分严重。1995年11月在柏林召开的联合国《气候变化框架公约》缔约方第二次会议上，44个小岛国组成了小岛国联盟，为他们的生存权而呼吁。 此外，研究结果还指出，CO2增加不仅使全球变暖，还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，气候将趋于干旱化。大气环流的调整，除了中纬度地区干旱化之外，还可能造成世界其他地区气候异常和一些灾害，例如低纬度台风强度将增强，台风源地将向北扩展等。气温升高还会引起或加剧一些传染病流行。以疾为例，过去5年中世界痰疾发病率已翻一两番，现在全世界每年约有5亿人得痰疾，其中200多万人死亡。 但是，温室效应也并非全是坏事。最寒冷的高纬度地区增温最大，农业区将向极地大幅度推进。CO2增加也有利于植物光合作用而直接提高有机物质产量。还有的专家指出，在我国和世界历史上温暖期多是降水较多、干旱区退缩的繁荣时期。 在大气温室效应这个问题上，也有不同意见。有些科学家认为：目前数值模式还不成熟，计算结果过于夸大；百年升高～℃属于正常气候变化，不能证明是大气温室效应所造成。这是少数人的意见。 尽管如此，对于目前大气中CO2浓度和全球温度正迅速增加，以及温室气体增加会造成全球变暖的原理，都是没有争论的事实。我们如果等到问题已发展到了可以明显感知的水平，就往往难以逆转。因此必须引起高度重视，以便采取对策，保护好人类赖以生存的大气环境。 全球对策 大气温室效应造成的全球变暖，对策主要有以下3个方面。 第一方面是减少目前大气中的CO2。最切实可行的办法是广泛植树造林、加强绿化、停止滥伐森林；用太阳光的光合作用大量吸收和固定大气中的CO2。还有利用化学反应来吸收CO2的办法，但在技术上都不成熟，经济上更难大规模实行。 第二方面是适应。这是无论如何必须考虑的问题。例如除了建设海岸防护堤坝等工程技术措施以防止海水入侵外，有计划地逐步改变当地农作物的种类和品种，以适应逐步变化的气候。日本北部因为夏季过凉，过去并不种植物稻，即使种了产量也很低。由于培育出了抗寒抗逆品种，现在即使在最北的北海道也不仅能长水稻，而且产量还很高。这是一个很好的例子。气候变化是一个相对缓慢的过程，只要能及早预测出气候变化趋势，我们是能找到适应对策并顺利实施的。 第三方面是削减CO2的排放量。这是在1992年巴西里约热内卢世界环境与发展大会上，各国领导人共同签署的《气候变化框架公约》的主要目的（框架是指比较原则，有待进一步具体化的意思）。公约要求在2000年发达国家应把CO2排放量降回到1990年水平，并向发展中国家提供资金和转让技术，以帮助发展中国家减少CO2的排放量。近百年来全球大气中CO2浓度的迅速升高，绝大部分是发达国家排放造成的。发展中国家首先是要脱贫、要发展，发达国家有义务这样做。 由于公约是框架性的，并没有约束力。而削减CO2排放量直接影响到发展中国家的经济利益，因此有的发达国家不仅没有减排，还在增排，现在看来，2000年根本不可能降到1990年水平。在1997年12月11日结束的联合国气候变化框架公约缔约方第3次大会（日本京都会议）上发展中国家和发达国家展开了尖锐紧张的斗争。最后，发达国家作出让步，难产的《京都议定书》终于得到通过。议定书规定，所有发达国家应在2010年把6种温室气体（CO2、一氧化二氮、甲烷和3种氯氟烃）的排放量比1990年水平减少。这虽与发展中国家的要求的到2010年减少15％和到2020年减少20％的目标相差很大，但毕竟这是一份具有约束力的国际减排协议。

南京大学国际地球系统科学研究所和地理与海洋科学学院张永光教授、居为民教授和陈镜明院士团队在全球变化和陆地碳循环领域取得重要进展。未来全球变暖的速率及陆地生态系统对全球变暖的响应是Science 杂志列出的未来25年需要解决的125个重大科学问题之一。工业革命以来，人类活动造成大气中二氧化碳（CO2）的浓度持续上升。CO2浓度的不断增加，在通过温室效应导致全球变暖的同时，也提高了植被的光合作用速率（即CO2施肥效应），增加陆地生态系统吸收大气CO2的能力（即碳汇能力），从而减缓全球变暖的速率。研究表明，大气CO2施肥效应是造成近几十年来全球陆地生态系统碳汇显著增加的决定性因素，也是全球变绿的主要驱动因子之一。因此，在全球尺度定量化评估CO2施肥效应，并分析其时空变化格局，有助于准确评估全球陆地生态系统的固碳能力以及其变化趋势、降低未来气候变化预测的不确定性十分重要。尽管基于控制实验可以在叶片和冠层尺度对CO2施肥效应的机理进行了的研究，但控制实验的数量、空间分布和物种代表性有限，全球尺度CO2施肥效应的时空变化得定量评估尚不清楚。长时间序列遥感观测为全球CO2施肥效应研究提供了数据基础。因此，该研究首先基于系列卫星传感器的观测数据，研制了1982-2015年全球新型植被指数（NIRv）数据，验证其作为全球植被光合作用（总初级生产力，GPP）指示器的可行性；在此基础上，构建了准确评估全球CO2施肥效应的检测-归因模型，揭示了近四十年全球CO2施肥效应的时空变化特征，评价了结果的可能不确定性；最后，结合欧洲ICP Forests等机构提供的欧洲地区叶片氮磷观测和全球陆地水储量等遥感数据，揭示了全球CO2施肥效应时空变化的可能原因。研究表明，全球CO2施肥效应在近四十年呈现显著的下降的趋势（图1）；2001-2015年的全球CO2施肥效应比1982-1996年显著降低（图1）。全球超过70-80%的陆地植被区域CO2施肥效应呈现下降的趋势，欧洲、西伯利亚、南美洲和非洲大部以及澳大利亚西部地区尤为明显；在少部分地区CO2施肥效应存在着上升的趋势，例如东南亚部分地区和澳大利亚东部地区（图2）。多个生态系统模型同样能够模拟出全球CO2施肥效应的下降趋势，但显著低于基于遥感数据的结果。图1：全球陆地生态系统CO2施肥效应的长期时间变化趋势(A)以及1982-1996和2001-2015年全球CO2施肥效应的直方图图2：全球CO2施肥效应时间变化趋势的空间分布,（A）多源遥感数据监测结果平均值；（B）光能利用率模型结果；（C）多个生态系统模型结果平均值；(D) 不同方法结果的全球平均值进一步利用欧洲地区超过3万余条森林叶片关键养分（氮和磷）浓度观测数据的分析结果表明，欧洲植被叶片氮和磷浓度有显著的下降趋势，叶片氮和磷浓度的变化显著影响CO2施肥效应的变化趋势（图3）。以陆地水储量遥感数据作为水分供应指标，研究发现遥感GPP对水分供应的敏感性显著增强，表明植被对水分胁迫的响应更为敏感，水分供应状况的变化可能是CO2施肥效应下降的原因之一。图3：营养元素（氮和磷）的变化对CO2施肥效应的影响南京大学国际地球系统科学研究所和地理与海洋科学学院陈镜明院士、居为民教授和张永光教授团队在主持的全球变化重大科学计划、全球变化及应对重点研发计划、江苏省杰青和国家自然科学基金重点国际合作等项目支持下，致力于植被遥感、全球陆地生态碳通量优化计算、全球陆地生态系统碳源汇演变特征及其驱动机制研究。由张永光教授领衔的这项研究，基于团队多年的不断积淀，将植被遥感与全球变化生态学研究相结合，首次对近四十年全球CO2施肥效应的时空变化格局进行了定量化评估。该研究成果对深入理解全球变化背景下陆地生态系统的响应机制、更为准确估算全球陆地生态系统碳收支、更为精准预测未来气候变暖的速率均具有十分重要的意义。研究成果以"Recent global decline of CO2 fertilization effects on vegetation photosynthesis"为题发表在最新一期学术刊物Science 上。论文第一作者为王松寒副研究员，张永光教授为通讯作者，居为民教授和陈镜明院士为主要共同作者，南京大学为唯一第一作者和唯一通讯单位。这项研究的主要完成人员来自国际地球系统科学研究所和地理与海洋科学学院。巴塞罗那自治大学Josep Penuelas教授、法国环境与气候科学实验室Philippe Ciais教授、欧盟研究联合中心Alessandro Cescatti博士、比利时安特卫普大学Ivan Janssens教授和美国卡内基研究所的Joseph A. Berry院士等作为主要合作者参加了这项研究工作。此项研究得到国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项（2016YFA0600200）、国家自然科学基金委（42071388）和江苏省杰出青年科学基金（BK20170018）等项目的支持，并在相关数据获取和验证方面得到了国内外合作实验室的大力支持。

在增多吧。人类为了满足自己的欲望，无休止地挖掘化石燃料，用于汽车等燃烧，严重破坏了自然界的碳平衡。

根据你的描述，我觉得这就是我们平时提到的一个词“温室效应”。它会破坏大气层，从而引发一系列的地球生态平衡问题，给人类带来不可预测的灾难。为了保护好地球村，我们全人类都必须立即行动起来，节能减排，保护大自然。谢谢你的理解和支持！