温室气体：其实我本不是熊孩子

傅里叶首次用数学物理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着异曲同工之妙，此后“温室气体”这个词也渐渐步入人们的视线。由于可以望文生义（这里是褒义哈）容易理解，“温室气体”可能已经成为大气科学领域里普及率最高的专业术语之一了。

海拔4276米的中科院珠峰站的温室大棚

有了这个大棚，站上的工作人员就可以吃到新鲜蔬菜啦

（摄影：中科院青藏高原研究所马耀明研究员）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）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排放。

温室气体：其实我本不是熊孩子

也许近年来对全球变暖的担忧让不少人看到“温室效应”就下意识皱眉头。事实上温室气体并不是捣乱的熊孩子，如果没有温室效应，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。所以敲黑板：

温室效应异常增强才是问题的源头!

温室气体的温室效应是由它们本身分子结构所决定的。温室气体的分子结构使其在震动时可以吸收红外线，因此具有了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（CO₂），水汽（H2O），臭氧（O₃），甲烷（CH₄），氢氟碳化物（HFCs）等也都是温室气体。

图片来源，百度百家号 科学探索家

人类才是“熊家长”

网上常说：每个熊孩子背后都有个熊家长。如果非得把过多的温室气体看作熊孩子，那么人类，就是不能推卸责任的熊家长了。

拿CO2，这个关注度最高的温室气体来说：CO2占大气总体积的0.03%-0.04%。但由于人类活动的影响，大气中CO2浓度正在快速上升，在目前人类温室气体总排放量中，CO2约占76％。在过去的数十万年时光中，地球大约以10万年一次的频率在大的冰期和间冰期间循环，地表温度有升有降。而大气CO2浓度始终遵循着自然界物理化学规律的制约，保持在180~280ppm之间波动变化。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不见天日的化石燃料在几十年内就被燃烧产生大量CO2，大气CO2浓度的增幅前所未有，到今年3月，大气CO2浓度已经达到414.50ppm，比工业革命前高45%以上，比过去80万年任何时候都高。

大气CO2浓度时间变化，红线代表近百年来CO2浓度直线飙升

图片来源：NOAA

图片来源 气候与能源解决方案中心

然而还有一些人认为，与自然源本身的CO2排放基数相比，人类排放的CO2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，如果正常吃一日三餐规律饮食，可以保持身材匀称健康。但是有一天开始，每天晚上增加一个小蛋糕，一年之后就会长胖10斤。一个小蛋糕看起来比一日三餐的量少，但是由于破坏了长期以来人体热量的供需关系，所以就会长胖。再加上人类进一步改造自然，开垦森林草原、建立城市，使得自然界固碳的能力下降，影响了全球碳循环的平衡，导致温室效应异常增强，地表温度异常增加。

给熊孩子装个“摄像头”

“子不教，父之过”，面对温室气体这个“熊孩子”造成的巨大气候危机，人类作为家长也到了非管不可的地步，毕竟都是自己“亲生的”，总要为自己曾经的行为负责任。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度无死角“摄像头”。

介于地面网络与卫星间的大气温室气体垂直、连续观测

图片来源 中国科学院对地观测与数字地球科学中心

1957年，莫纳罗亚天文台的C. David Keeling开始了最早的CO2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（WMO）组织实施了大气本底污染监测网计划（本底观测指未受到人类活动影响下大气自然状态下各种成分的浓度），本底监测是气候变化的“忠实记录者”，正所谓“没有对比就不知道伤害‘。

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（GAW），长远目标是提供有关大气化学成分变化，监测那些对环境造成危害的气体粒子如CO2,臭氧等温室气体。截止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（TCCON）建立起来，目前其全球站点接近70个，国内仅有合肥站一个，旨在测量精确的CO2等温室气体柱浓度。

总碳柱观测网络（TCCON）图片来源：TCCON官网

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，更不能监测到海洋上空大气中CO2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，从而能更及时和准确地测算不同区域温室气体排放、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CO2进行浓度监测获得越来越多的关注。然而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，我国的首颗用于监测全球大气CO2含量的科学实验卫星在酒泉卫星发射中心发射成功，成为国际上第三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CO2分布图对外公布。该分布图有助于准确监测CO2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（一“碳”到底——天上人间如何监测“地球呼吸”） 毕竟管理“熊孩子“也不能一直听别人的，要有自己的经验方法。

中国科学院大气物理研究所反演算法获取的首幅中国碳卫星大气CO2全球分布图

图片来源 中科院大气所

中国的温室气体监测

中国位于亚洲季风区，是全球变暖影响大的区域之一，中国在应对全球变暖问题时一直做着积极的努力。自二十世纪 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的科学研究做出了巨大的贡献。

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CO2剖面测量结果，直接观测到了大气传输和平流层-对流层物质交换（链接：平流层：对流层，我的污染，从来与你有关）；对长江三角洲地区高强度氢氟碳化物排放的研究 （链接：氢氟碳化物——同样危险的“替代品”）；如对珠江三角洲地区的背景大气CO2和潜在源区测量（城市二氧化碳：借我一双慧眼，让我把你看透）；通过地基傅里叶变换红外光谱仪和Picarro光谱仪的测量，首次揭示了香河地区甲烷的时空分布和垂直分布（甲烷观测：千万里，追寻着你）；对近地面臭氧的观测（对流层臭氧-不可忽视的威胁）；用狗尾巴草监测城区碳排放（城市二氧化碳排放从哪儿来？狗尾巴草告诉你）

以上以及其他亮点工作被《大气科学进展AAS》，《大气与海洋科学快报AOSL》，《气候变化研究英文版ACCR》推出的联合专刊《中国大气温室气体测量与应用》收录（AAS专题“中国大气温室气体测量与应用”正式上线）。

AAS 专题封面:蓝天雪山映衬下的就是青海瓦里关中国大气本底基准观象台

人类对温室气体的认识是不断深化的：1861年丁达尔发现大气温室效应是由含量很少的水汽和CO2贡献的；1896年，阿伦尼乌斯首次定理计算了温室效应，他提出CO2浓度增加一倍，全球温度将升高6°C。今天，我们认识到了更多种类温室气体，对气候变化机制的理解也更加深刻，根据2013年发布的IPCC第五次评估报告给出的评估结论，CO2浓度增加一倍，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。从100多年前开始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，虽然温室气体的监测依然存在许多问题和挑战，但其未来发展是可期的。