氣候變化/科學

氣候變化在過去幾年裡成為一個“熱門話題”，並且隨著美國氣候變化政策與世界其他地區和科學界的背道而馳，這一問題變得更加突出。然而，氣候變化首先是一個科學議題。在本華夏公益教科書中，我們將詳細探討氣候變化的潛在科學原理。氣候研究（有時稱為氣候學或氣候科學）實際上是一個相對年輕的領域，但其根源在於所有主要的科學分支。它最容易與大氣科學（及其舊名稱，氣象學）和海洋學聯絡起來。它還與冰凍圈（冰川學）、生物圈（生物學、生態學）和岩石圈（特別是透過化石燃料的開採和燃燒）有著密切的聯絡。利用基本的物理原理，我們將揭示氣候變化科學及其與其他自然科學的聯絡。我們將看到，計算機模型、當前觀測和古代氣候研究如何匯聚成一幅關於近期未來的清晰圖景，其中包括持續的全球變暖、水文迴圈的增強、海冰減少、冰川和冰蓋縮小、海洋酸化加劇、海平面上升以及更頻繁的極端氣候事件。

許多氣候科學的基本概念直接源於基礎物理學。運動方程與控制所有經典流體動力學的基本方程相同，許多能量轉移基於輻射傳輸和核物理以及光譜學的著名原理，許多觀測基於地質、化學和生物過程和方法。所有這些都表明，氣候科學是一個多學科領域，具有多樣化（有時甚至是彼此獨立的）的興趣和應用。它唯一的統一目標是：理解控制我們自然世界的物理過程。這些相同的物理原理也適用於理解氣候變化。主要的區別在於，氣候變化研究試圖量化差異或趨勢，而不是描述氣候的平均值或自然變異性。過去的變化和未來的變化以類似的方式進行研究，儘管有時會使用不同的工具，正如我們將看到的。

例如，當大氣成分發生變化時，例如二氧化碳濃度的變化，大氣的輻射特性也可能發生變化。在沒有大氣的情況下，地球看起來很像一個黑體輻射體；也就是說，太陽照射地球，地球會升溫到平衡溫度，然後達到平衡。這種平衡（輻射平衡）將使地球向太空輻射與太陽傳遞到地面的能量一樣多的能量。主要是因為地球很小，並且攔截了太陽輻射的能量很少，因此輻射平衡溫度遠低於太陽的溫度。利用維恩定律，我們可以計算出該溫度並確定地球是一個紅外輻射體。

當存在大氣層時，例如地球上的大氣層，構成大氣層的一些氣體可以吸收紅外輻射。光子和分子之間的這種相互作用會增加大氣溫度，然後大氣以略微不同的波長輻射。大氣輻射既向太空輻射，也向下輻射，回到地面，在那裡被地表吸收。這種過程，即從地表輻射的能量被大氣吸收，然後大氣將能量重新輻射回地表，被稱為溫室效應，它是氣候系統中一個基本的反饋過程。它將地球的表面溫度從輻射平衡溫度提高到一個更適合生命存在的溫度。全球變暖，或人為全球變暖，是指在二氧化碳人為升高的情況下，與參考狀態（通常取工業革命前的時間）相比，全球平均溫度的差異。在本書的其餘部分，我們將研究與氣候和氣候變化相關的過程，從太陽的影響，到自然的溫室效應，再到觀測到的大氣成分變化。我們將重點關注被認為在穩定和放大全球氣候變化方面發揮重要作用的反饋和過程。