大气中不断增加的水汽如何加剧气候变化

In many ways, water vapour is the most important greenhouse gas as it makes Earth habitable.
Water vapour ... as the climate warms, higher moisture levels increase the risk of flooding.Image: Pexels/Pixabay
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  • 随着地球变暖,更多海水蒸发,为大气增添更多水汽。

  • 这些水汽随后会截留更多热量,形成一个放大变暖的反馈循环。

  • 人类活动,例如燃烧化石燃料,也在增加大气中的水汽含量,导致洪涝和干旱等更多极端天气事件。

今年接连出现的创纪录灾害——从致命野火、灾难性洪水到创纪录高的海洋温度和南极海冰创纪录低值——似乎表明人为引起的气候变化正在加速。

事实确实如此。但这不仅仅是因为温室气体排放持续上升。我们还观察到长期以来被预测的水汽反馈在气候系统中正在发生。

自19世纪末以来,全球平均地表温度已上升约1.1℃,其主要驱动因素是人类活动,尤其是燃烧化石燃料,这会向大气中排放温室气体(二氧化碳和甲烷)。

大气变暖时,能够以水汽形式容纳更多水分,而水汽也是一种温室气体。这反过来又会放大我们排放的其他温室气体所引起的变暖。

一些人错误地认为水汽是地球当前变暖的驱动因素。但正如我将在下文解释的,水汽是地球水文循环的一部分,在自然温室效应中发挥着重要作用。其增加是人类排放(尤其是燃烧化石燃料)所导致的大气变暖的结果。

水汽:另一种温室气体

气温每升高一摄氏度,大气的持水能力约增加7%。创纪录高的海水温度确保大气中含有更多水分(以水汽形式存在),据估计,与1970年代之前(全球气温开始显著上升之时)相比,增加幅度为5-15%。

水汽是一种强效温室气体。自1970年代以来,其增加可能使全球升温幅度增加了相当于上升的二氧化碳所造成的升温。我们现在正看到其后果。

在许多方面,水汽是最重要的温室气体,因为它使地球适宜居住。但人为引起的气候变化主要是由长寿命温室气体的增加所导致的,这些气体包括二氧化碳、一氧化二氮、甲烷和氯氟烃(CFCs)。

一般而言,任何含有三个或更多原子的分子都是温室气体,原因在于这些原子可以在分子内振动和旋转。温室气体会吸收并重新发射热(红外)辐射,并产生类似覆盖层的保温效应。

云具有与温室气体相似的保温效应,但它们也是太阳辐射的强反射体,并在白天起到使地表降温的作用。在当前气候条件下,对于平均全天空条件,据估计水汽占温室效应总量的50%,二氧化碳占19%,臭氧占4%,其他气体占3%。云约占温室效应的四分之一。

水汽在地球的自然温室效应中发挥着重要作用。Image: 改编自Trenberth(2022),CC BY-SA

为什么水汽与众不同?

主要温室气体——二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧——不会凝结并降水。水汽则会,这意味着与其他温室气体相比,水汽在大气中的存续时间要短得多,相差几个数量级。

水汽平均仅存续约九天,而二氧化碳在大气中可停留数百年甚至数千年,甲烷存续十到二十年,一氧化二氮则约为一个世纪。这些气体是大气增温的主要支撑,而由此导致的气温上升,正是观测到的水汽含量增加的原因。

二氧化碳的增加与天气无关,它主要来自化石燃料的燃烧。大气中的二氧化碳已从工业化前的280ppmv上升至420ppmv(增幅为50%),且其中约一半的增幅发生在1985年以来。

这约占长寿命温室气体所造成的人为增温的75%。人为导致的大气变暖的其余部分主要来自甲烷和一氧化二氮,并受到污染气溶胶的部分抵消。

自1970年代以来,水汽带来的额外增温与二氧化碳增加所带来的增温大致相当。

增温促进蒸发增加和大气温度升高。Image: 作者提供,CC BY-SA

水汽与水循环

水汽是水的气态形式,天然存在于大气中。它肉眼不可见,这一点不同于云。云由微小的水滴或冰晶组成,这些颗粒足够大,能够散射光线而变得可见。

衡量大气中水汽含量最常用的指标是相对湿度。

在热浪和炎热天气中,正是相对湿度影响人体的舒适度。人出汗时,皮肤上水分的蒸发会起到降温作用。但如果环境过于潮湿,这一机制便失效,身体会变得黏腻且不适。

这一过程对我们的星球同样重要,因为地球表面约70%为水,且以海洋为主。多余的热量通常用于蒸发水分。植物也通过一种称为蒸腾作用的过程释放水汽(作为光合作用的一部分,通过叶片上的微小气孔释放)。二者合起来的过程称为蒸散作用。

水汽是地球水文循环的一部分。Image: 作者提供,CC BY-SA

水分以水汽的形式上升进入大气。风暴汇聚并集中水汽,使其得以降水。由于水汽对温度存在指数级依赖关系,其在热带等温暖地区以及靠近地面处含量最高,而在寒冷的高纬度和高海拔地区则随之下降。

空气上升时的膨胀和冷却会形成云、雨和雪。这种活跃的水文循环意味着水汽分子在大气中仅存续数天。

水是地球的空调。它不仅使地表保持凉爽(尽管代价是使其更加潮湿),而且降雨还能将大量污染物从大气中冲刷出去,造福于所有人。

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降水至关重要。只要降水速率适中,它便能滋养植被并支撑各类生态系统。但随着气候变暖,更高的水汽含量会增加强降雨的可能性以及洪涝风险。

此外,蒸发过程中吸收的潜热会重新释放到大气中,从而增加升温,促使空气上升,加剧风暴,并使极端天气更加严重且更难应对。

这些变化意味着,在不下雨的地方,干旱和野火风险增加;而在下雨的地方,则会出现倾盆大雨。

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