在课堂和日常对话中，对全球变暖的解释都离不开温室气体效应。简而言之，气候取决于两种不同辐射之间的平衡：地球吸收来自太阳的入射可见光，称为“短波辐射”，并向太空发射红外光，即“长波辐射”。
二氧化碳（CO2）等温室气体浓度不断上升，打破了这种能量平衡；它们越来越多地吸收部分向外发射的长波辐射，并将其留在大气中。能量在气候系统中累积，于是出现变暖。但在本周发表于《美国国家科学院院刊》的一篇论文中，MIT研究人员指出，这种关于全球变暖的经典观点只讲述了故事的一半。
在对CO2浓度升高条件下的地球气候进行计算机建模时，温室气体效应确实会导致全球变暖。然而，令人困惑的现象随之出现：人们原本预计，随着CO2增加，逃逸到太空的长波辐射会减少，但其实际辐射量却开始上升。与此同时，大气吸收的入射太阳辐射越来越多；最终维持全球变暖的，正是这种增强的短波辐射吸收。
“这一发现令人费解，也与人们对全球变暖的基本认识相冲突，”论文第一作者Aaron Donohoe说。他曾是MIT博士后，现任华盛顿大学应用物理实验室研究副职。“这让我们觉得，在添加CO2之后的那些年份里，模型中一定发生了非常奇怪的事情。我们想解开这个悖论：气候模型显示，全球变暖是由增强的短波辐射而非减弱的长波辐射造成的。”
Donohoe与MIT博士后Kyle Armour以及华盛顿大学的其他研究人员熬过许多个深夜，不断猜测气候模型为何会得出这一不合逻辑的结果，后来才意识到，这其实完全说得通——只是其中的原因此前无人阐明并载入文献。
他们通过结合计算机模拟和一个简单的能量平衡模型找到了答案。CO2将长波辐射困住后，地球开始变暖，并影响气候系统的各个部分。海冰和积雪融化，原本亮白、能反射阳光的表面变成了较暗的区域。由于较暖的空气能容纳更多水汽，而水汽会吸收更多短波辐射，大气也变得更加湿润。这两种反馈都会减少反射回太空的短波辐射量，使地表迅速升温。
与此同时，像任何正在变暖的物理物体一样，地球更有效地释放长波辐射，从而抵消CO2困住长波辐射的作用。然而，此时颜色更暗的地球会吸收更多阳光，使短波辐射带来的净增温占据上风。
“因此，气候受两种辐射影响，其中一种会受到CO2影响，但直接推动全球变暖的却是另一种——这才是令人惊讶之处，”MIT地球、大气与行星科学系博士后Armour说。
在现实世界中，空气污染中的气溶胶会反射大量阳光，因此地球受到短波太阳辐射造成的变暖，并没有达到原本可能出现的程度。但作者计算得出，到本世纪中叶，变暖将足以使全球变暖的主要驱动因素转变为太阳辐射吸收增加。
这篇论文并未挑战气候模型的物理学原理；其价值在于帮助学界解读模型输出。“这项研究虽然不会改变我们对全球变暖基本原理的认识，但更简单的模型总是有用的，它们可以帮助我们理解，为何更全面的气候模型有时会呈现表面上违反直觉的行为，”NOAA地球物理流体动力学实验室资深科学家Isaac Held说。他没有参与这项研究。
这项研究的一种用途，是指导研究人员在卫星观测地球辐射收支时关注哪些方面，以便追踪未来几十年人为气候变化的进程。Donohoe说：“我认为，人们通常会默认，随着温室气体增加，向外发射的长波辐射会减少，但这种情况可能不会发生。实际上，我们会看到短波辐射吸收增加。未来的观测中，我们究竟能否看到CO2困住长波辐射的效应？我认为答案可能是否定的。”
这项研究还厘清了另一个棘手的气候建模问题——不同模型对于短波辐射何时开始在全球变暖中发挥主要作用，存在显著分歧。作者证明，差异源于模型对全球变暖过程中云量变化的表征方式，而云量也是影响地球反射短波太阳能能力的一个重要因素。
合作发布： MIT News
作者：Genevieve Wanucha是MIT News撰稿人。
图片：2011年3月18日（2011年春分前后），NASA Aqua卫星上的CERES仪器观测到的向外长波辐射
