？盧紹芳

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所

龍年春節(jié)前后全國(guó)各地乃至世界各地的酷冷是空前的，人們不禁感到困惑，不是說(shuō)地球一直在變暖嗎?
2007年，聯(lián)合國(guó)氣候變化政府間專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱(chēng)IPCC）就已報(bào)道：“人類(lèi)將會(huì)經(jīng)歷全球范圍內(nèi)炎熱天氣的增多，并將在未來(lái)幾十年間看到地球氣溫增高和海平面上升。”IPCC的氣候模型還斷言：“以二氧化碳（以下稱(chēng)CO2）濃度高至390 ppm計(jì)算的輻射能力，CO2在全球溫度變化中起主要作用?！蹦敲矗瑲夂蜃兣娴膽?yīng)該歸咎于CO2的溫室效應(yīng)嗎？對(duì)此，質(zhì)疑的聲音從未間斷，直至2011年舉行的南非德班氣候大會(huì)，這個(gè)爭(zhēng)論仍然在繼續(xù)。
其中，值得國(guó)人知曉的是由福建福州大學(xué)物理系畢業(yè)，先后留學(xué)澳大利亞、美國(guó)和加拿大，而今在加拿大著名的滑鐵盧大學(xué)物理和天文學(xué)系跨接生物系及化學(xué)系任教授的盧慶彬先生關(guān)于此問(wèn)題的研究成果。盧教授自上世紀(jì)九十年代就致力于“臭氧洞的形成”和“全球氣候變化”這兩個(gè)攸關(guān)地球環(huán)境及氣候的重要課題，為此在著名的刊物如《物理報(bào)告》（Physics Reports）、《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表了一系列學(xué)術(shù)論文。例如，盧教授在2010春夏于著名的《物理報(bào)告》（487, 141-167(2010)）和《宇宙學(xué)雜志》（Journal of Cosmology）（8, 1846-1862(2010)）發(fā)表兩篇重要文章，題目分別是：《鹵化物的電子轉(zhuǎn)移離解反應(yīng)及其對(duì)臭氧層和全球氣候變化的作用》和《誰(shuí)是全球變暖的罪魁禍?zhǔn)祝憾趸蓟蚍锇海–FCs）？》。這些文章在國(guó)際間產(chǎn)生一定的反響。盧教授還在2011年秋在滑鐵盧大學(xué)“Phys 13 news”上刊出的兩篇文章，題目是：《宇宙射線(xiàn)，氟里昂，臭氧洞及氣候變化 (I)，(II)》。本文著重介紹盧教授的后兩篇文章。
在介紹論文所述的故事之前，首先介紹幾個(gè)主角
（１）？宇宙射線(xiàn)（CR）：顧名思義是來(lái)自宇宙的，穿透力極強(qiáng)的高能量帶電粒子流。由于是帶電粒子，宇宙射線(xiàn)被地球磁場(chǎng)集中到南極和北極。自20世紀(jì)伊始，科學(xué)家對(duì)這一天外來(lái)客的研究已歷百年有余，迄今仍然未能完全探知它的由來(lái)和神秘，但它們對(duì)于地球環(huán)境和溫度的影響不容小覷是肯定的。
（２）？臭氧（O3）層: 臭氧層存在于地球大氣的平流層，距表面上10-50公里處。如果所有大氣中的臭氧壓縮為地球表面的壓力，這一層僅僅三個(gè)毫米厚，但就是這么小量O3的存在，對(duì)地球上的生命起著極為重要的保護(hù)作用。由于O3吸收了大部分來(lái)自太陽(yáng)的紫外輻射，使地球表面的動(dòng)植物及人類(lèi)免受紫外輻射的傷害，如圖(I)所示：

圖I：地球的臭氧層，(從諾貝爾基金會(huì)網(wǎng)站上獲得)。

（３）？CFCs：學(xué)名氯氟烴類(lèi)（氟氯化碳），如CF2Cl2(CFC-12),CFCl3(CFC-11)，俗稱(chēng)“氟里昂”，由于其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和無(wú)毒性，在世界范圍內(nèi)被廣泛用作冰箱和空調(diào)的冷卻劑、泡沫塑料制造業(yè)的冷卻介質(zhì)和噴霧器的噴氣燃料等。當(dāng)CFCs氣體被運(yùn)送到臭氧層，在那里遭遇強(qiáng)的紫外光或電子轉(zhuǎn)移離解反應(yīng)而分解釋放出氯原子(Cl)后，氯原子與臭氧經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕?O2)，則臭氧(O3)即耗損。
醒目的兩幅圖展示了盧教授兩篇文章的最重要結(jié)論：*(原雜志封面的兩個(gè)彩色圖)

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圖II：觀測(cè)（紅色實(shí)心圓圈）和計(jì)算（綠線(xiàn)）南極上空的臭氧總量。計(jì)算值（綠色曲線(xiàn)）是由盧教授的臭氧洞理論得到的。

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圖III：觀測(cè)（條紋）和計(jì)算（綠線(xiàn)）全球溫度變化。計(jì)算值（綠色曲線(xiàn)）是由盧教授的CFCs全球變暖理論得到的。

第一幅圖(II)描述了文章(I)中CFCs如何左右臭氧洞的故事。美國(guó)科學(xué)家莫利納和最近去世的羅蘭德（Molina and Rowland）在1974年提出CFCs在熱帶高平流層（大約40公里處）由紫外線(xiàn)光解產(chǎn)生氯而耗盡大量的O3如圖(IV)。由此兩人獲得1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

圖IV：Molina and Rowland提出的消耗臭氧層的CFCs光解機(jī)制(從諾貝爾基金會(huì)網(wǎng)站上獲得)。

？但是我們現(xiàn)在已知道臭氧洞于每年冬末春初出現(xiàn)在南極低平流層15-20公里處。盧教授和合作者M(jìn)adey（已逝）在1998實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)CFCs與極性分子冰(水或氨)共吸附于某一表面上時(shí)，由CFCs的電子激勵(lì)脫附而產(chǎn)生的Cl和F的產(chǎn)率可增大上萬(wàn)倍，脫附反應(yīng)式為et-(H2O)n+CF2Cl2 CF2Cl2*^- Cl^-+CF2Cl。盧教授在文章中說(shuō)：當(dāng)CFCs吸附了極地平流層云的冰粒子后，由CFCs被電子離解產(chǎn)生的氯產(chǎn)率會(huì)增加三萬(wàn)倍，而在平流層中，電子的主要來(lái)源是宇宙射線(xiàn)．據(jù)此盧教授創(chuàng)新性地提出了“由宇宙射線(xiàn)驅(qū)使的電子誘導(dǎo)反應(yīng)（The cosmic-ray-driven electron-induced reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)CRE機(jī)制）”，如圖(V)所示：

圖V：盧教授提出的“宇宙射線(xiàn)驅(qū)使的電子誘導(dǎo)反應(yīng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CRE)”臭氧洞形成機(jī)制。

圖(II)上綠色波浪線(xiàn)就是根據(jù)CRE機(jī)制計(jì)算的歷年總的臭氧(O3)百分?jǐn)?shù)量 O3；而紅顏色點(diǎn)及其統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)是根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)從衛(wèi)星觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，圖下部的圓形示意相應(yīng)的O3洞。從圖上看，至2010年為止，紅線(xiàn)和綠線(xiàn)相當(dāng)好的重疊有力地佐證了CRE反應(yīng)的正確性。可以說(shuō)，南極平流層臭氧量的變化完全取決于宇宙線(xiàn)的強(qiáng)度和有效氯的數(shù)量．觀測(cè)數(shù)據(jù)表明沒(méi)有二氧化碳和其他非-CFC氣體的溫室效應(yīng)跡象。這一研究結(jié)果啟發(fā)了盧慶彬教授進(jìn)一步探求CFCs和氣候變化的關(guān)系。
第二幅圖(III)形象地顯示氣候變暖的主要肇事者乃是CFCs．圖上的紅線(xiàn)是根據(jù)英國(guó)氣象局(UK Met Office)和美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(US NOAA)提供的數(shù)據(jù)做出的歷年全球溫度變化的觀測(cè)曲線(xiàn)；綠線(xiàn)是僅僅計(jì)及CFCs的溫室效應(yīng)計(jì)算的歷年溫度變化曲線(xiàn)．從圖上的綠線(xiàn)可以看到，自1975-2000年全球溫度升高最快，與實(shí)測(cè)結(jié)果符合。而大約從2002年開(kāi)始預(yù)期全球會(huì)有緩慢變冷的狀況出現(xiàn)，與上世紀(jì)八十年代后國(guó)際“蒙特利爾議定書(shū)”限制CFCs的應(yīng)用有關(guān)。今年國(guó)人感受的奇寒應(yīng)該說(shuō)證實(shí)了這一預(yù)測(cè)。然而，盧教授提醒人們，全球氣候變化趨勢(shì)不能根據(jù)一或兩年的溫度（無(wú)論是較寒或較暖）來(lái)判斷。
？述及CFCs對(duì)全球氣候的影響，盧教授在文中說(shuō)：“一般認(rèn)為CFCs僅僅是全球變暖中的小角色，因?yàn)樗诖髿庵械臐舛取?540 ppt，比非 -CFCs溫室氣體(CO2,CH4,N2O)的濃度低1千到1百萬(wàn)倍。”。例如到2002年，CO2的濃度已升至377 ppm，而一個(gè)ppm等于一百萬(wàn)個(gè)ppt。所謂“溫室氣體”是指大氣中自然或人為產(chǎn)生的能夠吸收地球長(zhǎng)波輻射而使地層升溫的氣體成分，而“溫室效應(yīng)”是指溫室氣體吸收地表向外放出的長(zhǎng)波熱輻射而形成熱覆蓋罩子，使地表與低層大氣溫度增高的類(lèi)似于溫室的作用。因此，溫室效應(yīng)的強(qiáng)弱不僅在于氣體的多寡，更在于其吸收長(zhǎng)波輻射的能力。盧教授在正文(II)的第一部分給出了“地球黑體輻射強(qiáng)度譜（紅色線(xiàn)）和大氣透過(guò)率譜（棗紅色線(xiàn)）”如圖(VI)所示，棗紅色譜注明了各種溫室氣體的吸收波段。

？圖VI：地球的黑體輻射強(qiáng)度光譜和大氣透過(guò)率譜。

？紅線(xiàn)的波峰在8-12微米處，表明地球表面和云層的總輻射能有80%發(fā)射在8-12微米波段，故此波段被稱(chēng)為“大氣窗口”。而對(duì)這一波段輻射吸收最強(qiáng)的氣體正是CFCs，也就是說(shuō)，CFCs正是產(chǎn)生強(qiáng)溫室效應(yīng)的氣體。那么，檢驗(yàn)CFCs是不是氣候變化主角的問(wèn)題就在于：
（１）？？？？ 與非CFCs溫室氣體特別是CO2相比，CFCs的溫室效應(yīng)有多顯著？
（２）？？？？ 對(duì)于具有比CFCs濃度高得多的非CFCs溫室氣體，其溫室效應(yīng)是否已飽和了呢？

圖 VII：全球溫度變化與CO2和CFCs濃度的關(guān)系。A：從1850至1930；B和C：從1950至2009。注意，CFCs自20世紀(jì)70年代才大量排放進(jìn)入大氣層。圖上的歷年全球溫度數(shù)據(jù)是由英國(guó)氣象局（UK Met Office）和美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（US NOAA）提供的；只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了3點(diǎn)平滑處理。

關(guān)于(1)，盧教授分別給出了CO2和CFCs濃度與全球溫度變化的圖象，如圖VII所示。圖VII(A和B)表明，全球溫度從1850-1930年CO2濃度285-307ppm時(shí)并未增高而是持平（R = 0.02），中間部分1975-2002年，CO2濃度330-377 ppm，全球溫度雖有上升關(guān)系，但在最后，2002年后，CO2濃度大于377 ppm時(shí)，全球溫度反而下降。相反，圖VII(C)表明自1950年以來(lái)鹵烴(CFCs，溴化物等)的總濃度變化和地球溫度變化的線(xiàn)性關(guān)系系數(shù)R高達(dá)0.96（R = 1表示100%完全符合）。由此，CFCs及其他鹵烴的溫室效應(yīng)對(duì)于全球溫度變化的影響與CO2等相比，伯仲已經(jīng)涇渭分明。盧教授進(jìn)一步指出，在目前IPCC（2001，2007）和世界氣象組織（WMO 2007，2011）氣候模型中，CO2的輻射力（ F）大約可由一個(gè)指數(shù)公式計(jì)算。根據(jù)觀察到的CO2濃度在1850-1970期間從285升至326 ppm和在1970-2002期間從326升至373 ppm，該公式會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同的輻射力（ F）約為0.72 W/m2。由于IPCC/WMO氣候模型中所謂的“準(zhǔn)飽和”效應(yīng), 全球氣溫對(duì)CO2變化的敏感度在較高濃度范圍（326至373 ppm）應(yīng)比較低濃度范圍（285至326 ppm）低。這些計(jì)算結(jié)果明顯與觀察到的在1850-1970間氣溫約攝氏0.2 度的上升和在1970-2002間氣溫約攝氏0.6 度的上升相違背，更不用提自2002年以來(lái)觀測(cè)到的隨CO2濃度升高（3 373 ppm）而全球平均氣溫反而下降的趨勢(shì)。相比之下，全球氣溫自20世紀(jì)70年代大量排放CFCs以來(lái)至今與大氣層中CFCs總濃度展現(xiàn)一個(gè)近乎完美的線(xiàn)性正相關(guān)（R≈1）。所有這些數(shù)據(jù)有力地表明，增加非鹵素氣體的溫室效應(yīng)已經(jīng)達(dá)到絕對(duì)飽和狀態(tài)并且自1970年以來(lái)，鹵化物（主要是CFCs）在全球氣候變化發(fā)揮主導(dǎo)作用。
關(guān)于第(2)點(diǎn)，盧教授又根據(jù)由美國(guó)國(guó)家航空航天局由衛(wèi)星得到的溫室氣體的干涉監(jiān)控和紅外光譜儀等獲得的大氣透過(guò)率譜和出射長(zhǎng)波光譜(Outgoing Longwave Radiation Spectra，簡(jiǎn)稱(chēng)OLR)的分析得出，隨著CO2濃度的不斷增加，其對(duì)太陽(yáng)光的透射率不變或者變得很小，而從1970-1997年監(jiān)測(cè)的OLR譜比較，未見(jiàn)到CO2的吸收帶，進(jìn)一步顯示CO2的溫室效應(yīng)已經(jīng)飽和。
誠(chéng)所謂，不比不知道，一比嚇一跳，CFCs對(duì)全球變暖的主角作用應(yīng)是相當(dāng)明顯。不妨再回頭看圖III，盧教授預(yù)言如果沒(méi)有新的溫室氣體產(chǎn)生，隨大氣中氟氯化碳濃度非常緩慢的減少，長(zhǎng)期的全球氣溫恢復(fù)至1950年代水平即變冷趨勢(shì)大約已從2002年開(kāi)始并會(huì)持續(xù)未來(lái)的50至70年。據(jù)報(bào)道，最近印度區(qū)已經(jīng)證實(shí)了溫度與CFCs的關(guān)系。而且事實(shí)上，最新世界氣象組織的報(bào)告（2011）承認(rèn)：“全球平均低平流層的溫度從大約1995年以來(lái)就沒(méi)有顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)”。當(dāng)然，盧教授的預(yù)言仍有待將來(lái)更多數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，而全球氣候與大自然的氣象因素及人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系之復(fù)雜，同樣有待繼續(xù)探討。
筆者從與盧教授的通訊中獲悉，盧教授即將發(fā)表關(guān)于這些科學(xué)問(wèn)題的更多研究成果。他說(shuō)，他將會(huì)回答到底太陽(yáng)活動(dòng)或宇宙射線(xiàn)本身對(duì)全球氣候變化會(huì)有多大的影響以及為什么海平面還在繼續(xù)上升（與觀測(cè)到的地球表面的溫度變化不相同）這樣的問(wèn)題。后者與南北兩極的臭氧洞及冰川溶解變化有極大的關(guān)系。但盧教授表示，有一點(diǎn)是肯定的：20世紀(jì)后期全球氣溫上升并不是由于二氧化碳，而是氟氯化碳（CFCs）。他還指出，與過(guò)去十年相似，未來(lái)十年地球仍將是在過(guò)去的150年來(lái)最熱的時(shí)期（見(jiàn)圖III），但從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，全球氣溫在今后五十到七十年會(huì)逐漸還原即變冷。必須指出的是，這種趨勢(shì)與二氧化碳的氣候變暖理論嚴(yán)重不符合。
筆者以盧慶彬教授的工作引為自豪。本文僅僅試作粗淺的介紹，有興趣者可詳讀盧教授的全文，則見(jiàn)識(shí)之加深當(dāng)可期待。
感謝作者賜稿，文本僅代表作者觀點(diǎn)；中國(guó)科普博覽刊登的目的在于傳遞更多信息，并不意味著認(rèn)同其觀點(diǎn)或真實(shí)性。