？卢绍芳

中国科学院福建物质结构研究所

龙年春节前后全国各地乃至世界各地的酷冷是空前的，人们不禁感到困惑，不是说地球一直在变暖吗?
2007年，联合国气候变化政府间专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）就已报道：“人类将会经历全球范围内炎热天气的增多，并将在未来几十年间看到地球气温增高和海平面上升。”IPCC的气候模型还断言：“以二氧化碳（以下称CO2）浓度高至390 ppm计算的辐射能力，CO2在全球温度变化中起主要作用。”那么，气候变暖真的应该归咎于CO2的温室效应吗？对此，质疑的声音从未间断，直至2011年举行的南非德班气候大会，这个争论仍然在继续。
其中，值得国人知晓的是由福建福州大学物理系毕业，先后留学澳大利亚、美国和加拿大，而今在加拿大著名的滑铁卢大学物理和天文学系跨接生物系及化学系任教授的卢庆彬先生关于此问题的研究成果。卢教授自上世纪九十年代就致力于“臭氧洞的形成”和“全球气候变化”这两个攸关地球环境及气候的重要课题，为此在著名的刊物如《物理报告》（Physics Reports）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一系列学术论文。例如，卢教授在2010春夏于著名的《物理报告》（487, 141-167(2010)）和《宇宙学杂志》（Journal of Cosmology）（8, 1846-1862(2010)）发表两篇重要文章，题目分别是：《卤化物的电子转移离解反应及其对臭氧层和全球气候变化的作用》和《谁是全球变暖的罪魁祸首：二氧化碳或氟里昂（CFCs）？》。这些文章在国际间产生一定的反响。卢教授还在2011年秋在滑铁卢大学“Phys 13 news”上刊出的两篇文章，题目是：《宇宙射线，氟里昂，臭氧洞及气候变化 (I)，(II)》。本文着重介绍卢教授的后两篇文章。
在介绍论文所述的故事之前，首先介绍几个主角
（１）？宇宙射线（CR）：顾名思义是来自宇宙的，穿透力极强的高能量带电粒子流。由于是带电粒子，宇宙射线被地球磁场集中到南极和北极。自20世纪伊始，科学家对这一天外来客的研究已历百年有余，迄今仍然未能完全探知它的由来和神秘，但它们对于地球环境和温度的影响不容小觑是肯定的。
（２）？臭氧（O3）层: 臭氧层存在于地球大气的平流层，距表面上10-50公里处。如果所有大气中的臭氧压缩为地球表面的压力，这一层仅仅三个毫米厚，但就是这么小量O3的存在，对地球上的生命起着极为重要的保护作用。由于O3吸收了大部分来自太阳的紫外辐射，使地球表面的动植物及人类免受紫外辐射的伤害，如图(I)所示：

图I：地球的臭氧层，(从诺贝尔基金会网站上获得)。

（３）？CFCs：学名氯氟烃类（氟氯化碳），如CF2Cl2(CFC-12),CFCl3(CFC-11)，俗称“氟里昂”，由于其优良的化学稳定性和无毒性，在世界范围内被广泛用作冰箱和空调的冷却剂、泡沫塑料制造业的冷却介质和喷雾器的喷气燃料等。当CFCs气体被运送到臭氧层，在那里遭遇强的紫外光或电子转移离解反应而分解释放出氯原子(Cl)后，氯原子与臭氧经过化学反应转变为氧气(O2)，则臭氧(O3)即耗损。
醒目的两幅图展示了卢教授两篇文章的最重要结论：*(原杂志封面的两个彩色图)

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图II：观测（红色实心圆圈）和计算（绿线）南极上空的臭氧总量。计算值（绿色曲线）是由卢教授的臭氧洞理论得到的。

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图III：观测（条纹）和计算（绿线）全球温度变化。计算值（绿色曲线）是由卢教授的CFCs全球变暖理论得到的。

第一幅图(II)描述了文章(I)中CFCs如何左右臭氧洞的故事。美国科学家莫利纳和最近去世的罗兰德（Molina and Rowland）在1974年提出CFCs在热带高平流层（大约40公里处）由紫外线光解产生氯而耗尽大量的O3如图(IV)。由此两人获得1995年诺贝尔化学奖。

图IV：Molina and Rowland提出的消耗臭氧层的CFCs光解机制(从诺贝尔基金会网站上获得)。

？但是我们现在已知道臭氧洞于每年冬末春初出现在南极低平流层15-20公里处。卢教授和合作者Madey（已逝）在1998实验中观察到当CFCs与极性分子冰(水或氨)共吸附于某一表面上时，由CFCs的电子激励脱附而产生的Cl和F的产率可增大上万倍，脱附反应式为et-(H2O)n+CF2Cl2 CF2Cl2*^- Cl^-+CF2Cl。卢教授在文章中说：当CFCs吸附了极地平流层云的冰粒子后，由CFCs被电子离解产生的氯产率会增加三万倍，而在平流层中，电子的主要来源是宇宙射线．据此卢教授创新性地提出了“由宇宙射线驱使的电子诱导反应（The cosmic-ray-driven electron-induced reaction，简称CRE机制）”，如图(V)所示：

图V：卢教授提出的“宇宙射线驱使的电子诱导反应(简称CRE)”臭氧洞形成机制。

图(II)上绿色波浪线就是根据CRE机制计算的历年总的臭氧(O3)百分数量 O3；而红颜色点及其统计曲线是根据美国国家航空航天局(NASA)从卫星观测到的数据，图下部的圆形示意相应的O3洞。从图上看，至2010年为止，红线和绿线相当好的重叠有力地佐证了CRE反应的正确性。可以说，南极平流层臭氧量的变化完全取决于宇宙线的强度和有效氯的数量．观测数据表明没有二氧化碳和其他非-CFC气体的温室效应迹象。这一研究结果启发了卢庆彬教授进一步探求CFCs和气候变化的关系。
第二幅图(III)形象地显示气候变暖的主要肇事者乃是CFCs．图上的红线是根据英国气象局(UK Met Office)和美国国家海洋大气局(US NOAA)提供的数据做出的历年全球温度变化的观测曲线；绿线是仅仅计及CFCs的温室效应计算的历年温度变化曲线．从图上的绿线可以看到，自1975-2000年全球温度升高最快，与实测结果符合。而大约从2002年开始预期全球会有缓慢变冷的状况出现，与上世纪八十年代后国际“蒙特利尔议定书”限制CFCs的应用有关。今年国人感受的奇寒应该说证实了这一预测。然而，卢教授提醒人们，全球气候变化趋势不能根据一或两年的温度（无论是较寒或较暖）来判断。
？述及CFCs对全球气候的影响，卢教授在文中说：“一般认为CFCs仅仅是全球变暖中的小角色，因为它在大气中的浓度≤ 540 ppt，比非 -CFCs温室气体(CO2,CH4,N2O)的浓度低1千到1百万倍。”。例如到2002年，CO2的浓度已升至377 ppm，而一个ppm等于一百万个ppt。所谓“温室气体”是指大气中自然或人为产生的能够吸收地球长波辐射而使地层升温的气体成分，而“温室效应”是指温室气体吸收地表向外放出的长波热辐射而形成热覆盖罩子，使地表与低层大气温度增高的类似于温室的作用。因此，温室效应的强弱不仅在于气体的多寡，更在于其吸收长波辐射的能力。卢教授在正文(II)的第一部分给出了“地球黑体辐射强度谱（红色线）和大气透过率谱（枣红色线）”如图(VI)所示，枣红色谱注明了各种温室气体的吸收波段。

？图VI：地球的黑体辐射强度光谱和大气透过率谱。

？红线的波峰在8-12微米处，表明地球表面和云层的总辐射能有80%发射在8-12微米波段，故此波段被称为“大气窗口”。而对这一波段辐射吸收最强的气体正是CFCs，也就是说，CFCs正是产生强温室效应的气体。那么，检验CFCs是不是气候变化主角的问题就在于：
（１）？？？？ 与非CFCs温室气体特别是CO2相比，CFCs的温室效应有多显著？
（２）？？？？ 对于具有比CFCs浓度高得多的非CFCs温室气体，其温室效应是否已饱和了呢？

图 VII：全球温度变化与CO2和CFCs浓度的关系。A：从1850至1930；B和C：从1950至2009。注意，CFCs自20世纪70年代才大量排放进入大气层。图上的历年全球温度数据是由英国气象局（UK Met Office）和美国国家海洋大气局（US NOAA）提供的；只对数据进行了3点平滑处理。

关于(1)，卢教授分别给出了CO2和CFCs浓度与全球温度变化的图象，如图VII所示。图VII(A和B)表明，全球温度从1850-1930年CO2浓度285-307ppm时并未增高而是持平（R = 0.02），中间部分1975-2002年，CO2浓度330-377 ppm，全球温度虽有上升关系，但在最后，2002年后，CO2浓度大于377 ppm时，全球温度反而下降。相反，图VII(C)表明自1950年以来卤烃(CFCs，溴化物等)的总浓度变化和地球温度变化的线性关系系数R高达0.96（R = 1表示100%完全符合）。由此，CFCs及其他卤烃的温室效应对于全球温度变化的影响与CO2等相比，伯仲已经泾渭分明。卢教授进一步指出，在目前IPCC（2001，2007）和世界气象组织（WMO 2007，2011）气候模型中，CO2的辐射力（ F）大约可由一个指数公式计算。根据观察到的CO2浓度在1850-1970期间从285升至326 ppm和在1970-2002期间从326升至373 ppm，该公式会产生一个相同的辐射力（ F）约为0.72 W/m2。由于IPCC/WMO气候模型中所谓的“准饱和”效应, 全球气温对CO2变化的敏感度在较高浓度范围（326至373 ppm）应比较低浓度范围（285至326 ppm）低。这些计算结果明显与观察到的在1850-1970间气温约摄氏0.2 度的上升和在1970-2002间气温约摄氏0.6 度的上升相违背，更不用提自2002年以来观测到的随CO2浓度升高（3 373 ppm）而全球平均气温反而下降的趋势。相比之下，全球气温自20世纪70年代大量排放CFCs以来至今与大气层中CFCs总浓度展现一个近乎完美的线性正相关（R≈1）。所有这些数据有力地表明，增加非卤素气体的温室效应已经达到绝对饱和状态并且自1970年以来，卤化物（主要是CFCs）在全球气候变化发挥主导作用。
关于第(2)点，卢教授又根据由美国国家航空航天局由卫星得到的温室气体的干涉监控和红外光谱仪等获得的大气透过率谱和出射长波光谱(Outgoing Longwave Radiation Spectra，简称OLR)的分析得出，随着CO2浓度的不断增加，其对太阳光的透射率不变或者变得很小，而从1970-1997年监测的OLR谱比较，未见到CO2的吸收带，进一步显示CO2的温室效应已经饱和。
诚所谓，不比不知道，一比吓一跳，CFCs对全球变暖的主角作用应是相当明显。不妨再回头看图III，卢教授预言如果没有新的温室气体产生，随大气中氟氯化碳浓度非常缓慢的减少，长期的全球气温恢复至1950年代水平即变冷趋势大约已从2002年开始并会持续未来的50至70年。据报道，最近印度区已经证实了温度与CFCs的关系。而且事实上，最新世界气象组织的报告（2011）承认：“全球平均低平流层的温度从大约1995年以来就没有显著的增长趋势”。当然，卢教授的预言仍有待将来更多数据的检验，而全球气候与大自然的气象因素及人类活动关系之复杂，同样有待继续探讨。
笔者从与卢教授的通讯中获悉，卢教授即将发表关于这些科学问题的更多研究成果。他说，他将会回答到底太阳活动或宇宙射线本身对全球气候变化会有多大的影响以及为什么海平面还在继续上升（与观测到的地球表面的温度变化不相同）这样的问题。后者与南北两极的臭氧洞及冰川溶解变化有极大的关系。但卢教授表示，有一点是肯定的：20世纪后期全球气温上升并不是由于二氧化碳，而是氟氯化碳（CFCs）。他还指出，与过去十年相似，未来十年地球仍将是在过去的150年来最热的时期（见图III），但从长期趋势来看，全球气温在今后五十到七十年会逐渐还原即变冷。必须指出的是，这种趋势与二氧化碳的气候变暖理论严重不符合。
笔者以卢庆彬教授的工作引为自豪。本文仅仅试作粗浅的介绍，有兴趣者可详读卢教授的全文，则见识之加深当可期待。
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