從水相圖與水汽正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)比地球與金星的溫室效應(yīng)

吳思語(yǔ)

摘要：金星與地球作為太陽(yáng)系中相鄰的兩顆行星，有著相似的星球半徑、質(zhì)量、密度以及重力加速度等。然而，金星與地球表面的溫度卻截然不同：地球的年平均溫度為15℃左右，而金星的年平均溫度卻高達(dá)462℃。為了分析兩者的差異，本文首先建立單層溫室氣體模型以計(jì)算星球溫室效應(yīng)的增溫幅度，并利用水的相圖以及全球變暖-水汽正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制分析了導(dǎo)致兩個(gè)行星不同地表溫度的原因。

關(guān)鍵詞：溫室效應(yīng)? ?金星? ?地球? ?正反饋調(diào)節(jié)? ?水相圖

一、引言

（一）全球變暖

眾所周知，全球變暖越來(lái)越多的引起了科學(xué)界、社會(huì)學(xué)界以及世界民眾的擔(dān)憂與關(guān)注。2018年10月，政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布了最新一期特別報(bào)告：自工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致了全球年平均氣溫上升了1 ℃左右，將全球變暖的勢(shì)頭控制在1.5 ℃以內(nèi)對(duì)人類和自然生態(tài)系統(tǒng)有明顯的益處，同時(shí)還可確保社會(huì)更加可持續(xù)和公平（IPCC special report 15， 2018）。

全球變暖，即在一段時(shí)間內(nèi)，地球因溫室效應(yīng)而造成溫度持續(xù)上升，并帶來(lái)全球氣候變化等后果的公地悲劇之一。大氣中的溫室氣體分子從基態(tài)被激發(fā)到震動(dòng)態(tài)所需要的能量恰好處于地球的長(zhǎng)波輻射波段，這使得地球的部分長(zhǎng)波輻射在散逸到宇宙的過(guò)程中會(huì)首先被溫室氣體分子吸收，并將溫室氣體激發(fā)至震動(dòng)態(tài)或旋轉(zhuǎn)態(tài)。隨著溫室氣體分子恢復(fù)到能量基態(tài)，所吸收的能量會(huì)被再次輻射出來(lái)，其中返回地球表面的部分會(huì)被地球吸收并導(dǎo)致地表溫度的上升，這就是溫室效應(yīng)的由來(lái)。

然而，自工業(yè)革命以來(lái)，人類的生產(chǎn)生活，諸如生物化石燃料的燃燒與土地利用類型的改變等，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等溫室氣體被人為過(guò)量地排放到大氣中，使得大氣中的溫室氣體濃度顯著升高（Keeling et al.， 2001），由此造成的溫室效應(yīng)明顯加劇，進(jìn)而導(dǎo)致了全球變暖等問(wèn)題。除了由溫室氣體的增加所直接帶來(lái)的溫室效應(yīng)外，多種反饋調(diào)節(jié)機(jī)制也在全球氣候變化中起到很重要的作用。其中，最大的正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制即為水蒸氣的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。

（二）水蒸氣的正反饋調(diào)劑機(jī)制

水蒸氣是最主要的自然源溫室氣體。與可以不斷進(jìn)入到大氣中的二氧化碳等外源強(qiáng)迫不同，大氣中的水蒸氣含量是溫度的函數(shù)。水蒸氣通過(guò)蒸發(fā)進(jìn)入大氣，并且蒸發(fā)速率取決于海洋和空氣的溫度，由克勞修斯-克拉珀龍關(guān)系所描述。如果在大氣中增加額外的水蒸氣，它會(huì)在一兩個(gè)星期內(nèi)凝結(jié)成雨或雪。同樣地，如果大氣以某種方式析出水分，蒸發(fā)效應(yīng)可以在短時(shí)間內(nèi)將大氣中的水蒸氣含量恢復(fù)到正常水平。

由于水蒸氣與溫度存在正相關(guān)的關(guān)系，水蒸氣對(duì)全球氣候系統(tǒng)會(huì)因此產(chǎn)生一個(gè)正反饋調(diào)節(jié)作用，這也是全球氣候系統(tǒng)中最大的正反饋（Soden & Held， 2006）。隨著溫度的升高，蒸發(fā)速率增加，大氣中積累更高含量的水蒸氣。作為溫室氣體，水蒸氣吸收更多的熱量， 使空氣進(jìn)一步變暖，并導(dǎo)致更快的蒸發(fā)速率。簡(jiǎn)言之，二氧化碳引起的氣候變暖的效應(yīng)被水蒸氣的正反饋調(diào)節(jié)效應(yīng)放大了。

如果沒(méi)有任何反饋調(diào)節(jié)，大氣中現(xiàn)有的二氧化碳含量增加一倍，地球大約會(huì)經(jīng)歷 1 ℃左右的增溫。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，水蒸氣的正反饋調(diào)節(jié)所帶來(lái)的增溫效應(yīng)大約是二氧化碳溫室效應(yīng)的兩倍。在綜合考慮所有的反饋調(diào)節(jié)作用后（例如，由于冰融化而導(dǎo)致的反照率損失等負(fù)反饋調(diào)節(jié)），二氧化碳倍增所導(dǎo)致的總增溫效應(yīng)大約為3 ℃（Soden et al.， 2006; Knutti & Hegerl 2008）。

（三）金星與地球的相似性與不同性

在太陽(yáng)系的八大行星中，同為類地行星的金星與地球最為相似，常常被稱為地球的“孿生”行星。如表1所示，金星與地球有著相似的質(zhì)量、體積、密度、重力加速度與相近的公轉(zhuǎn)軌道半徑、公轉(zhuǎn)周期等。然而，作為距離地球最近的行星，人類的探測(cè)器卻鮮有成功地抵達(dá)金星表面。1982年3月，前蘇聯(lián)金星13號(hào)探測(cè)器在金星的南緯7.5度、東經(jīng)303處著陸，工作了127分鐘后即與地面失去聯(lián)系。雖然金星13號(hào)在金星表面上只工作了短短的127分鐘，但卻已經(jīng)創(chuàng)下了航天器在金星表面存活時(shí)間最久的世界紀(jì)錄。這足以說(shuō)明金星表面自然環(huán)境的惡劣程度。

金星的表面溫度終年高達(dá)465°C，并且大氣中充滿濃厚的二氧化碳，占到了金星大氣含量的96.5%，大氣壓是地球海平面處氣壓的92倍之高（即，金星大氣層的質(zhì)量是地球大氣層的92倍），這創(chuàng)造出了整個(gè)太陽(yáng)系中最強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)。

*輻射溫度的計(jì)算由公式（3） 給出，詳見(jiàn)2.1，**溫室溫度的計(jì)算由公式（7）給出，詳見(jiàn)2.2。

那么為什么金星與地球有著如此截然不同的表面環(huán)境呢？為什么金星的溫室效應(yīng)如此劇烈呢？通過(guò)對(duì)金星的溫室效應(yīng)的研究，又能為地球提供哪些借鑒價(jià)值呢？本文將通過(guò)建立簡(jiǎn)單的模型，并利用水的相圖來(lái)分析造成金星與地球不同“命運(yùn)”的原因。

二、研究討論

（一）行星有效溫度

我們首先假定某太陽(yáng)系行星X的星球半徑為rp，距離太陽(yáng)中心的距離為d，在星球赤道處接收到的太陽(yáng)輻通量為S0，行星地表平均溫度為T，平均反射率為α。在不考慮星球大氣層存在的前提下，行星X所輻射出的總能量應(yīng)與行星X所接收到的總太陽(yáng)輻射能相同。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，理想黑體表面每單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量與黑體本身的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比。據(jù)此，我們可以計(jì)算出行星X的總輻射能為（其中σ= 5.67×10-8W·m-2·K-4為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，? ? ? ? ?為球體的表面積）：

根據(jù)圖1所示，行星X的平均反射率為α， 接收太陽(yáng)能量的投影面積為S=πrp2。故此，我們可以計(jì)算出行星X所吸收的總太陽(yáng)輻射能為：

對(duì)于一顆穩(wěn)定的行星來(lái)說(shuō)，溫度基本保持穩(wěn)定不變，即行星所吸收的太陽(yáng)能量與輻射出的能量相等。據(jù)此聯(lián)立公式（1）（2），即可求解行星X的地表有效平均溫度：

根據(jù)天文觀測(cè)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，我們可以得知地球的平均反射率為0.31，赤道處的太陽(yáng)輻射密度約為1361.5W/m2。按照推導(dǎo)出的公式（3），我們可以計(jì)算出地球的平均輻射溫度約為254 K （-19℃）。

然而，按照美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的最新報(bào)告（NOAA Global Climate Report for Annual 2017），2017年的全球平均氣溫較上個(gè)世紀(jì)的均溫13.9℃高0.84℃，即14.74℃。這個(gè)溫度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們剛剛計(jì)算出的地球平均輻射溫度。

-19℃的年平均溫度也與我們的經(jīng)驗(yàn)相悖，那么， 這33.74℃的溫差來(lái)自于哪里呢？這主要是由于在剛剛的簡(jiǎn)單模型中，溫室氣體層的存在并沒(méi)有被考慮在內(nèi)。在1.1-1.2的論述中，我們已提到，溫室氣體，諸如水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等可以吸收地球的長(zhǎng)波輻射能，并向地面逆輻射長(zhǎng)波能。這樣，溫室氣體層如同一層蓋在地球上的“被子”，起到了增溫的效果。因此，為了更加精確的計(jì)算溫室效應(yīng)下的行星溫度，我們需要改進(jìn)上述的簡(jiǎn)易模型 。

（二）單層溫室氣體模型

如圖2所示，假設(shè)在行星X的表面有一平均溫度為T1的溫室氣體層。在對(duì)流層內(nèi)，大氣的溫度隨著高度的增加而降低，因此溫室氣體層的溫度T1應(yīng)低于地表溫度T0。

溫室氣體對(duì)于太陽(yáng)的短波輻射來(lái)說(shuō)近似透明，即溫室氣體對(duì)短波輻射沒(méi)有吸收、逆輻射的過(guò)程。因此，太陽(yáng)的短波輻射可以自由穿透大氣，到達(dá)行星X的表面，并被行星所吸收。而行星所輻射出的長(zhǎng)波輻射恰好處于溫室氣體分子震動(dòng)態(tài)（和旋轉(zhuǎn)態(tài)）的吸收波段，因此，部分地表長(zhǎng)波輻射無(wú)法自由穿過(guò)大氣層向宇宙逸散。我們假定單層溫室氣體層對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的吸收效率為f。根據(jù)基爾霍夫熱輻射定律的描述， 在熱平衡條件下，物體對(duì)熱輻射的吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率。故而，溫室氣體層的輻射效率應(yīng)等同于吸收效率，即同樣為f。

同樣地，由于行星的表面溫度近似平衡穩(wěn)定，行星X吸收的總能量與散逸到宇宙中的總能量應(yīng)該相等。其中，行星X散逸到宇宙中的總能量來(lái)源于兩部分，一部分是透過(guò)大氣進(jìn)入宇宙的地表長(zhǎng)波輻射，另一部分是溫室氣體層向外再輻射出的長(zhǎng)波能。據(jù)此，我們可以列出，

而行星X吸收的總能量來(lái)源于太陽(yáng)，即，

另一方面，溫室氣體層同樣處于輻射平衡態(tài)，即溫室氣體層“截獲”吸收的地表輻射能等于其再輻射出的總能量。據(jù)此，我們可以列出，

將公式（4）（5）（6）聯(lián)立，我們可以推導(dǎo)出在單層溫室氣體模型中，行星X的地表溫度，即為，

同樣地，將地球平均反射率0.31，地球赤道處的太陽(yáng)能量密度1361.5W/m2，以及斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ代入公式（7），并假定溫室氣體層對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收效率為80%（隨著地球大氣中溫室氣體含量的上升，這個(gè)數(shù)值還在緩慢增長(zhǎng)），我們可以計(jì)算出在單層溫室氣體層模型中地球的平均地表溫度為288.2K（15.1℃）。

這個(gè)溫度與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的觀測(cè)值高度吻合（δ < 2%），一方面證明了單層溫室氣體層模型在計(jì)算地球溫室效應(yīng)的問(wèn)題上的有效性，另一面也說(shuō)明了溫室效應(yīng)的存在所帶來(lái)的益處——將我們地球的年平均溫度從約-19℃增溫至約15℃，使地球避免了成為冰凍星球的厄運(yùn)，也為現(xiàn)今存在于地表的一切生命活動(dòng)、社會(huì)活動(dòng)提供了可能。

（三）對(duì)比地球與金星的溫室效應(yīng)強(qiáng)度大小

按照公式（7） 的推導(dǎo)，我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算出金星的表面溫度為-0.71℃左右（由于金星的大氣96%都是二氧化碳，故假定溫室氣體對(duì)星表長(zhǎng)波輻射的吸收效率f為100%）。這與金星表面溫度的實(shí)際測(cè)量值465℃，存在著非常大的差異。

由于金星上的大氣層非常濃厚，且主要為二氧化碳等溫室氣體，所以我們所建立的“單層”溫室氣體模型無(wú)法正確的模擬金星上的溫度狀況。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，我們可以推導(dǎo)出N層溫室氣體模型（n ≥ 1，且假設(shè)溫室氣體層的吸收效率f = 100%）中行星表面溫度的公式（8），

由于金星的大氣質(zhì)量是地球的92倍，且大氣層中二氧化碳的含量為96.5%，遠(yuǎn)高于地球的408 ppmv，我們可以合理的推測(cè)出模型中的溫室氣體層數(shù)N應(yīng)大于92。按照上述多層溫室氣體模型中行星表面溫度的計(jì)算公式，計(jì)算可以得出金星地表溫度約為465℃ （N ≈ 108），與天文觀測(cè)的結(jié)果非常吻合。

為什么金星的大氣構(gòu)成卻與地球如此不同呢？什么導(dǎo)致了金星大氣的96.5%都為二氧化碳呢？為什么金星大氣質(zhì)量是地球的92倍之多呢？為什么金星表面沒(méi)有液態(tài)水呢？深入地研究好這些問(wèn)題，對(duì)地球和人類規(guī)劃長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有著很高的借鑒價(jià)值。

（四）根據(jù)相圖分析兩個(gè)星球的不同命運(yùn)

為了了解金星和地球大氣演化的區(qū)別，我們需要在水的三相圖中研究?jī)深w星球早期表面溫度、大氣壓力的演變過(guò)程，如圖3所示。行星形成初期，表面并沒(méi)有大氣層的存在，因此，它們的表面溫度和有效輻射溫度（由公式（3）給出）是相等的。由于行星形成初期缺少云層或表面冰的存在，故而反照率很低，均為0.15左右（Jacob， 1999）。按照公式（3）的計(jì)算，初形成時(shí)，地球表面的有效輻射溫度約為267K（-5.86℃），金星表面的有效輻射溫度約為314K（41.13℃）。

如圖4中的虛線軌跡所示，隨著水蒸氣等氣體逐漸從行星內(nèi)部通過(guò)火山活動(dòng)等被噴出地表并積聚在大氣中，行星表面的大氣壓逐漸升高。故而，地球、金星的水相圖虛線軌跡首先向壓力軸正方向延伸。在虛線未到達(dá)液相區(qū)的時(shí)候，地球與金星的表面還不會(huì)有液態(tài)水的出現(xiàn)。此時(shí)，水全部以氣態(tài)的形式彌漫在地球與金星的大氣中。

另一方面，水蒸氣作為溫室氣體所產(chǎn)生的增溫效應(yīng)會(huì)增加行星的表面溫度。故而，圖4中的虛線開(kāi)始向溫度軸方向彎折。在地球上，水的飽和蒸氣壓最終達(dá)到，此時(shí)水蒸汽開(kāi)始凝結(jié)為液態(tài)水，在地表聚集并形成海洋、湖泊、河流等水體。由于二氧化碳可以溶解于水，后續(xù)噴出地球表面的二氧化碳得以在水中溶解，大氣中的二氧化碳濃度得以維持在較低的水平。溶解的二氧化碳經(jīng)過(guò)一些列的化學(xué)變化，參與形成了地表的碳酸鹽礦物。

相比之下，由于金星距離太陽(yáng)更近，初始溫度較高（314K）。因而，水相圖上虛線的溫度軸向彎折導(dǎo)致金星上的水蒸氣始終無(wú)法達(dá)到水的飽和蒸汽壓，即，液態(tài)水始終無(wú)法在金星表面形成。后續(xù)噴出的二氧化碳在金星大氣中不斷累積，溫室氣體的增多觸發(fā)了我們?cè)?.2中所論述的水蒸氣正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，隨著金星大氣中的二氧化碳和水蒸氣濃度均不斷累積上升，金星上的溫室效應(yīng)出現(xiàn)了失控的局面 。另一方面，由于金星離太陽(yáng)更近，上層大氣中的水蒸氣被更為強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射光解為H、O原子，H原子和少部分O原子逃離了金星的引力場(chǎng)散逸到宇宙中，留下來(lái)的O原子被行星表面的巖石氧化而除去。隨著時(shí)間的推移，金星大氣中的水蒸氣逐漸消失，最終形成了現(xiàn)今金星大氣的雛形：96.5%的二氧化碳與幾乎為0%的水蒸氣。作為地球的“孿生”行星，我們可以通過(guò)金星的總二氧化碳含量近似推斷地球表面碳酸鹽礦物、有機(jī)碳中所蘊(yùn)含的總碳量。

簡(jiǎn)言之，日地之間的合適距離對(duì)于避免出現(xiàn)失控的溫室效應(yīng)、對(duì)于地球表面液態(tài)水的形成、對(duì)于生命的出現(xiàn)至關(guān)重要。 這也是導(dǎo)致金星與地球截然不同命運(yùn)的根本原因。

三、結(jié)語(yǔ)

將地球大氣層的演變與它鄰近的行星金星進(jìn)行比較是有啟發(fā)性的。這兩顆行星大概都是由相似的元素結(jié)合演化形成的，但是它們現(xiàn)在的大氣成分卻大不相同。金星的大氣厚度是地球的100倍，主要由二氧化碳組成。因?yàn)榻鹦请x太陽(yáng)更近，所以早期金星的溫度過(guò)高，以至于被脫氣失水，無(wú)法凝結(jié)形成海洋。二氧化碳通過(guò)劇烈的地質(zhì)活動(dòng)不斷噴出地表并存留在金星大氣中。金星上層大氣中的水蒸氣被光解產(chǎn)生H原子和 O原子，通過(guò)散逸、氧化等作用逐漸消失，最終產(chǎn)生了無(wú)水的、具有濃厚二氧化碳的金星大氣。

全球變暖已成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙，控制污染物和溫室氣體排放需要我們?nèi)祟惞餐叨戎匾?。盡管在科學(xué)界內(nèi)部， 針對(duì)諸如氣溫對(duì)二氧化碳濃度的響應(yīng)敏感性等這樣的核心科學(xué)問(wèn)題并沒(méi)有取得一致性的結(jié)論，但是，在一定時(shí)段內(nèi)， 如在2100年前，將大氣二氧化碳濃度， 或?qū)⒌厍虻脑鰷胤瓤刂圃谀硞€(gè)適當(dāng)?shù)乃街畠?nèi)，目前已成為科學(xué)共識(shí)與大部分國(guó)家的政治共識(shí)。在公平公正的原則下，以人均累計(jì)排放為指標(biāo)、從分配排放權(quán)出發(fā) （Ding et al.， 2009）， 構(gòu)建全球控制大氣二氧化碳濃度的責(zé)任體系不失為我們?nèi)祟惷鎸?duì)未來(lái)全球氣候變化挑戰(zhàn)的合理性關(guān)鍵性出路。

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（作者單位：丁克洛斯中學(xué)）