(法国版) 法国 英国 中国

分类: 工业

能源与气候:我们所知道的和应该知道的

瓦莱丽·马森·德尔莫特 / 法国原子能与替代能源委员会高级科学家 / 2014-10-21

化石燃料的燃烧是目前温室气体产生的主要来源,也是导致气候变动的主要肇因。但是,能源和环境之间的关系远比看上去的复杂。气候对地球辐射平衡波动的反应会使一些复杂的反向机制发生作用。这使得预测变得困难,虽然人们的科学知识也在不断前进。但越来越多的政府和企业正在尝试准确评估我们所面对的挑战,这其中,现今的科学到底处于一个什么样的位置,我们有该如何利用这些已有的知识?

Read this article in English | Français


化石燃料的开采、运输和燃烧不仅产生二氧化碳,还包括其他温室气体如甲烷和一些细小颗粒。有些微粒如硫酸盐会使空气变冷,有些(如烟炱)则会让空气升温。生物燃料的燃烧也会对气候变化产生影响,一方面燃烧物会释放出温室气体和颗粒,一方面当取材于非再生林时,就会和保护森林政策形成抵触。对比不同能源的气候影响时,必须考虑这些因素的共同作用。

我们的地球是一台复杂的机器

我们可以把地球看作是一个巨大的热能机器:拦截太阳能,将其部分地转化为热能、大气运动和降雨。在漫长的岁月里,人类自身也变成了这个过程的主要参与者。我们操纵大量的能量,同时也把自己变成了全球能量平衡的重要部分。

我说的不仅仅包括汽车和工厂里的燃料,还包括一些最基本的生存资料:我们的食物来自光合作用,所以食物的采购实际上也是一个能源问题;通过消耗以石油、煤炭和天然气的形式储存了几百万年的化石燃料,我们也在影响着地球的能量平衡,这些化石燃料同样由太阳能经过光合转化和储存而来。当前,燃烧化石燃料、砍伐森林以及水泥生产一年能产生约为11亿吨净碳排放。需要承认的是,这些排放中的一半由海洋、植被和表层土壤所形成的“天然井”吸收。这导致了海洋酸度的提高。另一半则进入地球大气层,并和之前的排放共同停留在那里,严重地改变着大气的成分。自1750年以来,大气中的二氧化碳增加量已经提高了40%。甲烷浓度在同一时期提高了150%。通过分析被困在南极冰的气泡,我们可以得出结论,过去80万年里大气成分发生了重大改变。

这些温室气体浓度的改变会对气候产生重大影响。下表表示大气的功能,即让大部分的太阳辐射通过,进而加热大陆和海洋表面。来自大气和海洋中的能量又反过来让底层大气升温,释放的红外线再加热稍高层的大气,一部分红外线又返回行星表面最后逃回太空。在稳定的气候条件下,在这个循环中被吸收的太阳能应该等于最终回到太空的红外线的能量。但温室气体浓度上升得越多,大气锁住红外线能量的能力越强,进而返回太空的红外线就会越少,最终的结果就是留在地表和底层大气的热量增加。因此,温室气体浓度增加在气候系统中产生了能量的积聚,导致海洋、表层空气温度以及降雨周期的改变,还会导致极端天气(如热浪和强降雨)、冰川融化以及海平面上升。

这样,我们的能源消耗通过改变气象和海洋学的数据,导致了地球变暖和其他“气候变化”:水循环、大气环流,海洋酸化、海平面高度和极端天气。与我们之前的观念正相反,并不是燃烧产生的热能改变了气候(在小范围内可能很明显,如冬天的某些城市区域,但在全球范围来看是可以忽略不计的),而是某些气体排放到大气中造成的温室效应。

之前,地球气候发生重要波动,是跨越了几个地质时代的大气成分变化、或太阳核活动的变化、地球绕太阳轨道周期性变化或主要火山活动活跃的结果。对于相似的地质或轨道特点,我们现在已经可以对比今天的变化与工业之前几百甚至几千年间的自然气候变化。古代气象记录表明,在过去30-50年中发生的全球变暖、海平面上升以及北极海冰的融化程度,已经超出了过去1400年观察到的变化范围。

受到地球辐射波动影响的气候也通过一些反向机制发挥作用。其中最主要的一种机制是放大大气变暖现象,比如,温暖的大气能够容纳更多水蒸汽(这些水蒸气增强了温室效应),或形成更多的云朵(同样会加剧温习效应),以及积雪或海冰等白色区域融化,变成能够吸收更多太阳辐射的暗色区域。海洋自身产生的热能也进入靠近海洋的大气,在长期(以世纪为单位)里影响着海平面的高度。这里有一个问题:气候的变化将导致海洋容积变化,并影响大洋表面吸收人类活动释放的二氧化碳的能力。在相同的排放水平下,气候变化将是自然井效率下降的主因,同样的,气候变化导致的冰川融化会进一步地向大气中释放更多的温室气体。

气候变化的反作用极其复杂,科学家们正忙着为这些机制建立模型。但首先,他们需要更好地理解物理法则,以及小范围过程如云的形成的简化表现形式。在这里,我想澄清一点:对未来气候风险的衡量绝不能建立于对以往系列数据或现象的推算上。数字化的气候模型是根据用于预报天气(海洋、大气和水循环,却不包括大气化学、碳循环、极地冰盖和海洋冰川、植物和大气的相互作用等)的大气环流模型建立的。

这些气候模型要根据它们对天气功能、反作用、一定时期内的历史变化的表现能力不断地被测试,并与数据模型(古气候、气象、太空测量等)进行比较。这些数字模型的不确定性(正负误差)可以通过观察气候的初始状态(例如海洋的初始状态)或模型中某些约束松散的参数的变化,或系统地比较迄今在全球不同实验室里开发出的40几个气候模型的方式,来进行分析。每个气候模型的“内部变异”,和洋流与大气间的相互作用有关,也体现了地球辐射平衡的扰动,不管这种扰动是因为自然原因(太阳或火山活动)还是人为原因。对这些模拟进行比较对于推测可观测气候变化的原因至关重要。

气候变化科学现在已是一门非常活跃的学术性研究,借助陆地和海洋观察,或远程探测传感器(以及以往对气候条件的研究),我们今天已经能更好地理解气候的运作过程以及今天和过往的气候数字模型,我们也可以根据大气成分及其与人类活动之间的关系分析,对未来的气候演化有所了解和预期。

考虑到每年发表的学术论文汗牛充栋,想要对这个领域的知识有全面把握是很难的。这也是为什么世界气象组织(WMO)与联合国环境规划署(UNEP)在1988年根据各国在气候变化及其影响方面的挑战和利益,建立了单一机构——政府间气候变化专业委员会(IPCC),其使命是定期发表针对气候研究进展的评估报告。几百位科学家根据对同行论文的研读,起草该报告。科学委员会在几轮编辑阶段介入以保证报告的结果是最新的。

2013年9月,第五期IPCC评估报告出版,前四期报告分别发表于1991、1995、2001和2007年。每期报告都会根据当前气候变化领域的知识情况而有新的发展。报告内容包括对某些问题的核实分析、指明主要未知领域以及对重点争议的分析。这些报告一个重要特点是精确,每个结论的得出都结合了定性以及对一些公开可查数据的定量(概率)分析。

现在就让我们进入最核心的问题,来进一步了解那些正在发挥作用的气候变化机制。

二氧化碳与微粒:我们排放的物质及其后果究竟是什么?

某些人类活动向大气中排放了大量的二氧化碳气体。其中最主要的是毁林活动、水泥窑生产以及化石燃料的燃烧。农业和工业也会增加温室气体如甲烷、氧化亚氮和氟氯烃的排放。除了以上这些,化石燃料的燃烧也会导致污染物颗粒——气溶胶的产生。

这些排放的影响相互之间不可比较。温室气体与气溶胶通过两种方式改变地球辐射平衡:它们锁住低层大气(温室效应就发生在这里)的红外辐射,同时将太阳辐射部分地反射回太空。温室气体如二氧化碳主要是通过前一种。据估计,今天大约一半以上的温室效应增加来自于被释放到大气中的二氧化碳。相反,气溶胶将太阳辐射反射回太空,有些是本身直接反射,其余的则是通过促进形成云的方式。

温室气体通过迅速与大气中的其他气体结合而延长在大气中的寿命。甲烷可存在20年,二氧化碳则更久。我们今天的排放,会有20%影响到1000年以后的气候。

大气气溶胶的密度具有不均匀性(主要集中于大城市的建筑区),而且在降雨的作用下,只能存在几天。有些微粒能够加剧大气的变暖。所以,对气溶胶影响的评估还无法做到像温室气体那样准确,但可以确定的是,其大部分效果还是增加了温室效应。

再回到能源及其对气候影响的话题,我们必须考虑不同的影响源包括有害气体(甲烷)的泄露、气溶胶和温室气体的排放等。最高的二氧化碳排放来自煤炭发电。若没有严格的标准,生产每一度电能释放的气溶胶都在严重降低周边空气的质量。

在过去的10年里,由于毁林行为的减少和造林活动的增多,再加上自然森林的生长,由砍伐造成的温室气体排放已经趋于稳定。

形成强烈对照的是,来自化石燃料燃烧和水泥生产过程的排放大大增加:从1990-2000年1%的年增长率到2002-2011年间的2.9%。这一趋势主要是全球范围的煤炭使用增加造成的。自2005年开始,发展中国家的排放超过了已完成工业化的国家。中国是目前最大的二氧化碳排放国,美国和欧洲紧随其后,然后是印度、俄罗斯和日本。

与使用化石燃料相关的人均排放取决于各国的能源组合禀赋。所以,在沙特阿拉伯、卡塔尔、美国、加拿大和澳大利亚,居民的年人均排放远远超过12吨。欧盟、南非、韩国、中国和俄罗斯等国的数字下降到5-12吨/人/年;在巴西、印度等大多数发展中国,则低于5吨/人/年。

从排放到预测

现在让我们来看看气候预测模型。我们可观测到的气候影响因素主要来自于自然辐射异常(比如火山喷发和太阳活动变化引起的气溶胶释放)、人为活动(温室气体和气溶胶,土地的使用等)和海洋大气系统内部的变化(比如太平洋厄尔尼诺现象对美国西海岸的影响)。

通过对当前气候变化的观察,我们发现几个重要趋势:地表温度自1900年以来上升了大约0.85摄氏度,大气垂直温度梯度上发生改变、湿度增加、大陆陆地相对于海洋(尤其在北极冰盖区)的更加显著的变暖,后者主要体现在雪盖和冰盖区域减少,前者则伴随着更加频繁的暖湿气流和更加强烈的降雨。

上述现象与理论分析的结果相一致。这些分析是通过围绕大气中的温室气体数据建立起来的气候变化影响模型得出。导向的结论是,人类活动对过去50年来可观测到的全球或区域性气候变化、海平面上升以及极端性天气的频繁起着决定性作用。

数字气候模型也被用来评估和未来气候变化相关的风险。很多致力于建立气候模型的实验室最近都进行了一系列模拟实验,这些实验把以往的气候情景和另一组由人类行为可能导致的未来情景结合在一起。

这些情景分别引入一组低变量(比如2.6瓦/平方米)和一组高变量(8瓦/平方米),变量的定义是被大气困住的辐射。低变量的设定接近于工业革命前至今地球发生的情况,而高变量假定了人类活动让这些辐射量增加了大约4倍。这些数值对应的是二氧化碳浓度水平从490 ppmv增加至超过1300 ppmv。

在这里,我们必须强调,“低”变量的情景代表在接下来的20年里,二氧化碳排放逐渐趋于稳定,随后急剧下降,直至21世纪的下半叶接近于零。“高”标量的情景意味着CO2的排放在本世纪的三分之二时间里稳步增加。最近的现实趋势实际上与后一种假设吻合。对于同一情景,把不同的模型进行连接和比较,可以使得我们验证预测结果的稳定性和误差率。

所以,这些结果告诉我们什么?首先,气候变化的可观测周期(情景与情景间出现明显区别)约为30年。实际上,发生在30年后的气候变化现象已经集成了现在这个时点之前的异常。温室气体排放的区别决定了2050年后的气候变化,最低水平的情况下导致较低的温度上升(比前工业革命时期上升不超过2°C),较高水平的排放则会带来更剧烈的变暖(比前工业革命时期上升5°C左右)。

两种模型都预示了我们业已看到的现象会继续恶化:极地冰盖的融化、更加强烈的水循环(降雨)、热浪频仍、不断升高的海平面,气流(季风、低气压区等)的大范围调整、海洋酸化……

二氧化碳进入大气后产生的影响会维持相当长的时间。大约有50%会被土地、植物和海洋吸收(造成海水酸化)。而当气候变暖,这些自然井的吸收效率就会随着降低。

因此,海洋起的是一种缓冲作用: 它不仅能吸收大量的二氧化碳,还能以同样的方式存储多余的气候能(超过90%)。年复一年,大洋和大气之间交换的细微波动正在调节全球变暖的节奏。从这个角度看,海洋也在起着一种记忆功能,让气候变化及其影响能够在很长一段时间内伴我们左右。一个很好的例子是,在变量最高的那种模型中,2100年的平均海平面将比工业革命之前高出90厘米,到了2300年,将高出1-3米。

最后,我们看到未来的气候变化将主要与二氧化碳的排放相关。这个结果最终被体现在各国在哥本哈根峰会上达成一致的目标中,即在可以接受的排放量下,将温度上升限制在比工业革命前水平高 2°c 之内。如果我们把其他的温室气体也考虑进来,这一限制将变成790Gt。目前大气中已经聚集起来的碳排放是515Gt,按照当前的排放速度,这个限制在20-30年内就能达到。

反过来,气候变化又会如何影响能源的供给和需求?平均而言,温带地区冬季对能源供热的需求可能会降低,但在真正的寒流到来时还是会遇到需求高峰。相反,由于热气流的增加,空调使用将提高对能源的需求。

对于能源供给,可以预期几个方面的影响。例如,水循环的改变和雪山冰川的融化将影响到水电的利用。生物能的利用(过去主要用来加热和用作生物燃料)也将受到全球变暖以及空气质量变化的影响。对于小范围的空气事件如飓风或风暴将会出现相当大的不可预见性,从而成为输电网络所面临的关键挑战。地表风引起的强风暴可能会大量增加。全球变暖改变地表水(河流和海岸海水)的温度和流向,进而影响到核电站冷却系统的运行。

一般来说,气候变化对未来能源的消费和生产的影响可以归结为一句话:造成某些基础设施以及它们所支持的系统越来越脆弱。我们可以看到,主要行业和地方政府都开始意识到这些风险的存在。基础设施管理人员当然处于最前线,其次是之前已经尝到苦头的政府官员们,他们所在区域的基础设施之前都遭受了损失,或在一些气候事件(洪水、干旱或水土流失)的影响下变得越发脆弱。

那些拥有人口和基础设施的沿海地区,在海平面上升和淹没的威胁面前尤其脆弱。人们对气候变化的当前应对可能会避免更长时期内新脆弱区域的生成。举个例子,扩大新能源尤其是风能和核能发电的计划,将提高对精确的天气预报的需求,只有这样才能解决新能源发电不稳定的问题。气候研究中心正在研发基于短期(最多几十年)和长期(50-100年)气候变化预测诊断标准,目的是让政策制定者和不同部门的行业人士参与到潜在影响的评估中来,从而在各自的岗位上未雨绸缪。

在丹麦,家庭保险计划已经被用来应对气候变化相关的风险。一些大的保险公司如SCOR、慕尼黑再保险公司和瑞士再保险公司发布了关于将这些因素和考虑纳入保险业务的分析报告。

经典的风险评估模型已经失去了意义。用于洪水风险管理的参考数据还是10年前甚至一个世纪前的洪水记录。全球变暖为我们带来了一种全新的不确定性,迫使我们去想象一些前所未有的事情的发生。例如,跟踪史无前例的高温条件下高速列车铁轨的变形情况。哥本哈根峰会(2009年12月)的戏剧性时刻,以及会上各国领导和代表的首次觉醒,让脆弱性研究开始变得普遍,并引发第二轮更加务实的觉醒。

一些国家如英国,已经站在脆弱性研究的前沿,在原则上对采购和供给行为提出质疑。在工业领域,一些集团开始分析分公司的漏洞。更加一般性的情形是,人们开始利用各种场合来交流经验和技术诀窍。大部分领土都可能受到越发频繁的热浪影响的法国,可以从西班牙身上学习如何成功应付这类事件。

对未来气候演进的模拟提供了一整套元素来帮助我们建立适应战略。一种被称为“气候服务”的新理念从众多气候模型研究中心慢慢形成,包括将科学诊断工具提供给相关角色(产业人士、保险公司、国家和地方政府等)。人们的需求具体多样:能源生产部门可能不太关心平均温度的变化,而是更在意温度持续在某个给定阈值之上或之下的天数。

全球变暖对采购/生产问题的主要影响很明显会和能源的选择有关,尤其是那些已经受到严重能源制约的国家,它们在政治上推行能源转换政策的心意已决,希望以此应对气候变化并尽量限制其影响。就目前来讲,还很难预测重大气候变化的范围和顺序,这取决于很多复杂的短期因素——政治首当其冲。这些选项因此必然会牵涉到政治决策过程,在这一点上,气候学家的话语权非常有限。

生物燃料的例子表明,能源问题优先级的确定需要大量的跨学科分析。如果我们把思考局限在气候和能源的直接联系上,答案就会是可以不加限制地发展生物燃料。然而,如果我们把它对食品采购、生物多样性保护或南北半球国家的结构性差异等问题的影响也考虑进来时,生物燃料的农业生产就会面临巨大的限制,这些限制无法单靠某个科学专业解决,因为它们同时还涉及到决策的“正义性”。



您可能也喜欢