领略全世界最前沿科学问题研究进展
来源:中国气象报   发布时间:2021-01-14
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  为纪念创刊125周年,《科学》杂志于2005年7月提出了125个重要的科学问题,其中包含25个最突出的重点问题以及其他100个生命科学、物理学、数学等领域的难题。

  现在,距离这125个重要科学问题的提出已经过去了15年,人类在科学研究的很多领域持续攻关。本报邀请专家学者就其中一些与气象有关的科学问题展开论述,分析当前最新研究进展,展望未来研究路径。

温室效应会使地球温度升多高?

中国气象科学研究院研究员翟盘茂

  温室效应是指太阳短波辐射透过地球大气射入地面,而地面增暖后放出的长波辐射又被大气中的水汽、二氧化碳等物质所吸收,从而产生地球气候变暖的效应。如果没有大气的温室效应,地表平均温度就会下降到-23℃,而实际地表平均温度为15℃,这就是说温室效应使地表平均温度提高了38℃。

  这种温室效应,本来是一种自然现象,但由于人们在生产生活中利用化石能源以生成能量等方式产生了多种温室气体,这些温室气体的不断增加引发了增强了的“温室效应”,进而导致全球气候变暖加剧。人类活动导致的大气温室气体含量的升高,会决定地球升温多少?这才是目前我们关注的问题。

  大气中二氧化碳排放量增加是造成地球气候变暖的主要原因。气候模型显示,如果大气中的二氧化碳含量比工业革命前增加一倍,地球温度将升高1.5℃~4.5℃(即气候敏感度)。2020年,世界气候研究计划署的25位科学家将其升温范围缩小到2.6℃~3.9℃之间。

  政府间气候变化专门委员会(IPCC)指出,人类活动已经造成了工业革命以来全球升温约1.0℃,如果继续以目前的速率升温,全球升温可能会在2030年至2052年达到1.5℃。全球平均气温正以前所未有的速度上升,全球变暖控制在1.5℃以下的可能性迅速变小,人类跨越气候系统不可逆转的临界点的风险也在增加。

  由于早期观测资料严重不足,准确地评估工业革命开始时(1750年)的温度比较困难。为了避免这一问题,IPCC第五次评估报告提出将1850-1900年平均温度作为工业革命前的参考值,相对于这一参考值高出全球地表温度的升温幅度定义为全球温升幅度。这里的1.5℃增暖是人类活动引起的影响结果,不是某一年简单的直接观测到的结果。因为直接观测的结果包含了人类活动和自然变率两部分贡献,某一年的观测值受到气候年际尺度上自然变率的影响较大。人类活动引起的未来的温度的预估还需要通过数值模式模拟。

  半个世纪以前,大气原始方程组被用于建立数值模式,模拟了大气运动及其演化,标志着对气候系统进行仿真试验的开始。1979年,大气环流模式与混合层海洋模式相耦合,模拟得到在大气二氧化碳浓度加倍后全球平均温度上升1.5℃-4.5℃的结论。之后的数值试验采用了更加复杂的模式,比如考虑云变化、给定海洋热输送、提高分辨率等,但依然使用混合层海洋模式,得到的气候敏感度仍在上述范围之内。20世纪90年代末开始,使用完全耦合的大气-海洋环流模式进行数值试验。

  21世纪,随着科学技术的发展,第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)的最新模式包含了大气、海洋、陆面、海冰、气溶胶、碳循环等多个子模块,动态植被和大气化学过程也被耦合其中,早期的大气环流模式发展成了当下的气候系统模式和地球系统模式。

  世界气候研究项目(WCRP)正在组织第六次气候模式对比计划(CMIP6),从 CMIP5到CMIP6的地球系统模式,其核心是进一步减少地球系统模式的不确定性,提高模式模拟和预估的可靠性,即在多种时间和多种空间尺度的模拟和预估效果都要提高,着重提高地球系统各圈层的气候态、气候变率与趋势、天气与气候现象和极端事件模拟效果,特别是在区域尺度方面。

  无论是早期的大气环流模式还是最新的地球系统模式,科学家们一直不断探求能够更加准确或者更加接近模拟计算真实的气候系统模式,预估由于温室气体排放等人类活动引起全球升温情况,并研究气候变化影响和应对途径等科学问题。

  未来地球温度升高情况取决于人类活动对气候变化影响的控制力度,即是否能有效控制温室气体的排放,所以世界各国纷纷发出进入气候紧急状态的政治行动呼吁,同时加快产业、经济社会绿色低碳转型,控制温室气体排放、实现碳达峰、碳中和成为减缓全球变暖的必然选择。

什么时间用什么能源可以替代石油?

国家发改委能源研究所研究员 姜克隽

  从20世纪后期开始,石油成为全球的主要能源。到2018年,全球石油消费量44.96亿吨标油,占全球能源消费的31.5%,为占比最大能源品种。石油消费主要用于交通、工业、居民消费等,其中交通占比超过75%,石油化工占16%以上。

  未来能源转型将主要由温室气体减排目标驱动。2015年,《巴黎协定》提出,到2100年将温升控制在和1850年左右相比的2℃以下,争取做到1.5℃。2019年12月份欧盟提出的2050年温室气体中和的目标,2020年9月中国宣布争取2060年前实现碳中和的目标,加速了全球走向巴黎协定低于2℃和1.5℃温升目标的进程。之后日本、韩国提出了2050年碳中和目标,美国很可能在明年提出2050年碳中和目标,加上之前已经提出该目标的加拿大、新西兰、南非等,使得占全球近65%的国家在走向实现巴黎协定目标下的路径上,而且这些国家占据了零碳技术主导地位,可以展望,国际社会已经开始走向实现巴黎协定温升目标的路上。

  根据IPCC 第五次评估报告,以及IPCC1.5℃温升特别报告,如果要实现2℃和1.5℃温升目标,能源系统需要在2070年左右(2℃目标)、2050年左右(1.5℃)实现净零排放。实现净零排放的主要途径是电力系统首先实现净零排放,终端部门则大规模使用电力,在某些难以减排的部门使用二氧化碳捕获和封存技术。

  交通部门是实现净零排放的最为首要的终端部门,也是技术进展最大的部门。在交通部门,实现净零排放的途径包括道路交通的电动化、氢动力化,以及生物燃油、船舶电动化和氢动力化,难以电力化的铁路采用氢燃料电池驱动,飞机采用氢动力或者燃料电池以及生物燃料。

  我们在2010年进行了我国几项重大零碳技术的路线图研究,包括电动汽车。根据该路线图,电动汽车可以在2025年实现技术翻转,性能超过燃油车,成本低于燃油车。加上政策推动,会出现汽车销售市场的变革。将2020年三大车展的车型与市场上销售的电动车进行对比分析,电动车的发展和路线图的数据一致。可以展望,在全球走向实现《巴黎协定》目标路上,电动车的发展会很快,加上适当的政策,燃油车会逐渐退出。一些技术领先国家,在2040年到2050年间,汽车就会全面电动化。

  氢燃料电池技术在道路交通中,将主要用于重型卡车。近期汽车用燃料电池技术在日本、欧洲、中国等国家发展迅速,成本明显下降。技术人员预计,到2025年氢燃料电池汽车可以具有市场竞争性。各国能源供应格局不同,使用燃料电池的场景也会不同。由于本地零碳电力资源有限,而且核电发展受阻,日本和欧盟将依赖进口氢作为能源供应的主要部分,因而氢燃料电池技术需要广泛用于各种场景中,包括小汽车、大巴等。而中国、美国等,零碳一次能源供应潜力巨大,直接使用电力会更有效率。

  但是在难以使用电池驱动的场景,如大型船舶以及难以电气化的火车、大型飞机,就需要使用氢燃料电池或者直接燃氢作为动力。目前大量资金已投入燃料电池研发中,未来十年燃料电池技术会进入市场化应用。根据欧盟和美国的研发计划,氢动力飞机将在2035年投入商用。考虑到大型飞机的寿命期,如果2050年实现净零排放的话,还有近一半的大型飞机需要使用生物航空煤油。

  石油化工使用的石油,尽管在生产过程中有技术可以实现净零排放,但是产品中的碳在产品废弃处理时,还很有可能以二氧化碳的形式排放出来,因而欧盟的2050年温室气体中和战略中,力推以绿氢为基础的化工。根据我们的研究,如果零碳电力价格低于0.15元/千瓦时,利用绿氢制造合成氨、苯、乙醇、乙烯等就具有成本竞争性。而我国在河北、甘肃、宁夏、青海、新疆等地区,拥有成本低于0.15元/千瓦时的可利用光伏潜力超过61亿千瓦,可以发电9万亿千瓦时,制氢2亿吨以上,远超需求的6000万吨氢。

  总体上可以判断,在实现《巴黎协定》目标的能源转型和经济转型路径中,石油有可能在2050年被完全替代,替代的能源为零碳电力和氢。

地球磁场逆转的原因是什么?

中国科学院地质与地球物理研究所研究员 何飞 魏勇

  地球之所以有欣欣向荣、繁衍不息的生命,得益于地磁场和大气共同造就并维系的宜居环境。科学家认为,地核内核、地壳和地幔层,都是固体的,而地核内核和地幔之间,包了一层液态的地核外核,而内核与地幔层之间运动步调不是一致的,这些流体的对流运动就产生了地磁场。

  地磁场对地球来说是一把巨大的保护伞,可避免外来的高能带电粒子入侵,减少大气层中的带电粒子逃逸。有研究表明,一旦这种保护作用减弱,大气逃逸加剧,氧含量下降,就可能会导致生物大灭绝。而人们最为熟知的地磁场减弱的情况,正是地磁逆转。地磁逆转是指地球磁场方向发生变化,也就是北磁极和南磁极的对调,该过程伴随着磁场强度先减弱后恢复。地磁场为什么会逆转?回答这一问题的本质实际上是要认识地球内部是如何运转的,这对人类的生存和未来发展至关重要。

  要思考这个问题的解决办法,我们首先要回顾其起源,它涉及到地质学的一个分支——古地磁学。通过测量古代岩石磁化方向,科学家发现了具有全球等时性的反向磁化特征,地磁场的极性确实曾经与当前情况相反。大量研究表明,地磁逆转平均持续7000多年,逆转期间地磁场强度降低了约90%。在过去的7500万年中,地球磁场的方向至少逆转过170次。

  科学家普遍认为地磁倒转时期液态外核的对流是紊乱的,流体的速度和方向发生了变化,因此可以说地磁倒转是地球的“心跳紊乱”。理解这一问题的核心在于认识外核流体运动为什么会改变,而且在时间上如此的不确定。对这些问题,现在还没有公认的答案,未来需要多学科交叉深入理解地球内部多圈层耦合系统。为了回答这个问题,可能在以下几个方面开展探索。

  发展古地磁学新技术和新方法,完善地质历史时期地磁场强度变化特征。时至今日,古强度数据无论在时间还是空间上依然十分匮乏,主要由于古强度测量涉及的理论和实验均比较复杂,样品也不易获取。因此解决实验设备、技术和方法,更准确测定磁性岩石的强度和年代,丰富全球范围内不同地质历史时期的古强度特征,有助于建立更完善的地磁场演化模型。

  发展地球内部探测新技术,认识地球内部运转规律。目前,认识地球内部结构的主要手段来自于地震学,利用地震波在地球内部传播特征的变化,反推地球内部结构,但这种手段很难揭示出地球深部的结构。由于人类几乎不可能达到地球的内部,因此发展新的地球深部电磁探测方法是一条必由之路。

  发展和完善地球动力学模型。地球内部是多圈层耦合的系统,发展数据驱动的地球动力学模拟,将揭示地球内部圈层结构及物质能量交换规律,并揭示内部异常在什么时间和空间尺度上发生。

  从比较行星学视角认识地球。在太阳系中,地球公转轨道内外分别是金星和火星。科学界广泛认为这三颗行星大致同期形成,早期状态基本一致。但如今金星和火星都没有地磁发电机,也就是没有全球性的内禀磁场。它们的发电机是何时及何种原因停止运转的,目前学界还没有公认的答案。通过对火星和金星内部的探索,将帮助我们回答地球内部运转的异常是如何发生的。

是什么引发了冰期?

中国气象科学研究院研究员 丁明虎

  冰期,地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期,又称为冰川时期。

  地球在40多亿年的历史中,曾出现过多次显著降温变冷,从而形成冰期。特别是在前寒武纪晚期、石炭纪至二叠纪和新生代的冰期,都是持续时间很长的地质事件,通常称为大冰期。大冰期的时间尺度至少数百万年,而大冰期内又有多次大幅度的气候冷暖交替和冰盖规模的扩展或退缩时期,这种扩展和退缩时期即为冰期和间冰期。

  地球历史上最近一次冰期发生在第四纪,也就是人类所在的这一纪。研究显示,第四纪是以冰期气候为主导的地球环境新阶段,同时,第四纪气候变化表现为显著的冰期-间冰期旋回特征。多年来,基于第四纪冰期的驱动和触发机制,探索到底是什么引发了冰期这一科学问题,科学家的研究未曾停止。

  关于第四纪冰期的成因,科学界有几种假说。一个是地球轨道参数配置使得北半球高纬接受太阳辐射量达到极小值,进而引发了冰期。另有一个说法是由于巴拿马海峡关闭,促使向北太平洋的热盐环流加强,带来更多的热量,使北太平洋高纬地区水汽蒸散加强、降雪增多,冰雪的反馈作用使冰盖/冰川大发展。也有科学家认为是冰川的负向自调节反馈作用。还有一种观点认为,印度尼西亚及其周边地区的岛屿生长、陆地面积增大,改变了沃克环流,增强了赤道太平洋和东西部的温度差,出现像厄尔尼诺的大气-海洋环流形势,使北美-加拿大地区的冰雪积累加强,冰盖增大,同时,赤道地区陆地面积增长加强了地表风化,吸收了更多的大气中的二氧化碳,使地球更冷……

  从上述假说可以看出,有多种因素对冰期发展有驱动作用,但科学家研究发现,没有一种作用可以完美解释冰期的成因。比如,关于厄尔尼诺大气-海洋环流驱动冰期的假说,因为其难以量化,所以受到质疑。

  假说的不完全成立,没有阻止科学家对冰期的研究,并达成一定的共识,即高纬地区太阳辐射量低值与大气二氧化碳含量、海陆分布、大洋环流以及地表岩石风化强度、植被分布的配置,触发了第四纪冰期,地球轨道参数影响的太阳辐射量周期变化,可能是第四纪冰期-间冰期气候旋回的根本驱动因素。

  然而,也有科学家认为,这些已有的发现大多是基于观测到的现象提出的局部适用的可能机制,用于解释全球范围内的冰期成因仍有许多争议,用于对未来的预测更显乏力。科学家认为,获得高精度、定量化的古气候记录,提高古气候模式的分辨率,可能是理解冰期气候成因的前提,也是研究冰期触发、传递、维持和恢复等四大动力过程的最重要手段。

驱动太阳磁周期的原因是什么?

国家卫星气象中心高级工程师 宋乔

  如果问对人类来说最重要的天体是哪个?答案当然是我们的母亲恒星——太阳。在远古时期,苏美尔、埃及、玛雅等古文明都将太阳作为神来崇拜,在中国古代传说中也有炎帝是太阳神化身和夸父追日等故事。

  到了近代,人们又从科学的角度认识到太阳的影响有多么深远。地球上的日夜交替、季节轮转分别是由地球自转、绕日公转形成的,是倾斜的地轴和太阳光共同谱写的能量交响曲。来自太阳的能量触发形成了地球上的风和降水,驱动着天气和气候,让植物生长,为我们提供食物,还以太阳能发电、风电、水电等方式为人类活动提供能源。当你读到这句话的时候,进入眼睛的光子就直接或者间接来自太阳的能量。

  到了现代,科技的发展让我们以新的视角探究太阳的威力。太阳的能量来自其内部的核聚变反应,以亿年为单位持续稳定地发光发热,其因此被称为“恒星”。然而在太阳的外部,情况却是瞬息万变的,太阳大气中的高温等离子体翻腾旋转、移动振荡,仿佛在表演芭蕾舞一般,只不过这种等离子体之舞,有时会释放出巨大的能量,对航空航天、通信导航、输电网等造成威胁。

  太阳大气中的等离子体之舞,受到磁场这一无形之手的指挥。太阳磁场具有约22年的周期性变化(磁周期),磁周期导致太阳活动水平的变化,形成了约11年的太阳黑子数变化周期,被称为太阳活动周。

  在一个太阳活动周或更短的时间尺度内,太阳爆发活动所产生的X射线和极紫外等辐射、能量粒子以及磁化等离子体会对地球磁层和电离层造成扰动,产生或大或小的空间天气影响。在更长的时间尺度上,太阳总辐照度和太阳活动周的强度变化等因素,则可能会对地球气候产生影响。

  目前气候领域的热点之一是全球变暖问题,如何准确归因气候变化中来自太阳等的自然因素和来自人类活动的人为驱动因素也成为了前沿课题。《科学》杂志在创刊125周年时列出了125个科学问题,其中之一为:驱动太阳磁周期原因是什么?

  要想回答这一问题,需要恒星物理、太阳物理、日震学等学科方向的通力合作,也需要磁流体力学、数值计算等技术方法的密切配合。在此基础上,人们终于建立起比较完整的太阳发电机理论,包括较差自转、子午环流、差旋层等太阳内部动力学特征,不仅可以解答太阳磁周期的起源,还可以从物理机制上预报太阳活动周的强度。

  近年来,太阳表面磁通量输运模型成为了理解太阳磁周期的有力工具。我国学者通过该模型研究发现少数特殊的太阳活动区会显著影响太阳活动周的强度变化,也是导致第24太阳活动周成为百年来最弱太阳活动周的主要原因。目前太阳已经步入第25活动周,随着太阳磁场起源和变化相关研究的深入,空间天气预报和地球气候等研究也将得到促进和发展。

(来源:《中国气象报》2021年1月1日三版 责任编辑:王美丽)

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