二氧化碳必然導致溫室效應嗎

目前社會上比較流行的觀點是，城市化和工業化導致二氧化碳含量加劇。二氧化碳有一個負面效應，就是對地球大氣產生“溫室效應”，因此二氧化碳被扣上“危害地球氣候”的帽子。事實果真如此嗎？

人類發展既離不開含碳能量，又要應付含碳能量的利用帶來的負面影響，怎樣妥善應對？我想從個人的研究實踐角度，提出一些思考，與大家一起探討。

我們知道，人類社會的發展離不開能量，目前我們的主要能源還是含碳能源 （煤、石油和天然氣等）。特別像我國，非碳能源（核能、水能、風能等）所占的分量不多，如核能在我國只占總能源的2%左右，水能也不占主要地位，主要還是用含碳能量。含碳能量被利用時，會產生二氧化碳和甲烷等溫室氣體。此外，我們人類的各種社會活動過程，也會放出大量的二氧化碳。地球上所有生物的代謝過程，都會釋放二氧化碳。植物是雙重性的，當有光的時候吸收二氧化碳，進行光合作用；當沒有光的時候，其呼吸還是會放出二氧化碳。工業生產過程基本上是純粹的二氧化碳排放過程，還沒有發現哪類工業生產是吸收二氧化碳的。

有一個很簡單的化學反應式：二氧化碳＋水＝碳水化合物＋氧氣。這個反應式其實是雙向的。二氧化碳加上水變成碳水化合物加上氧氣，同時把太陽輻射能轉變成生物化學能，這被稱為“光合作用”，是生物特有的負熵過程。反過來就變成了“呼吸作用”，放出二氧化碳和水，并把化學能轉變成熱能，耗散在周邊環境中，是增熵過程。這是基本的科學知識。

讓我們再把思路轉向宏觀環境。近10多年來，整個地球好像不是很太平，火山、地震、海嘯、颶風、臺風等自然災害發生的頻率比以前多了不少。還有資料表明，地球上很多地方的冰山和冰川在融化，格陵蘭的冰川在萎縮，歐洲北海的海冰分布在縮小等等。所有這一切，都是什么原因造成的呢？

目前社會上比較流行的觀點是，城市化和工業化導致二氧化碳含量增加。二氧化碳有一個負面效應，就是對地球大氣產生“溫室效應”。通俗地說， “溫室效應”就是在一個封閉系統中，輻射短波進得來長波出不去，使得系統內溫度不斷升高所致。因此二氧化碳被扣上“危害地球氣候”的帽子。按這個觀點推論：溫室氣體排放導致氣溫上升、海平面上升、全球氣候急劇變化、地球環境惡化、生物物種消亡，最后將導致人類無法生存而滅絕，地球變成無生命的死球，回歸到40億年前寂靜的世界。

這個觀點有些是基于事實的描述，有些是基于目前無法改變的趨勢的推導，當然，也有人認為是別有用心的假設。我提醒大家注意三個問題：一是時間尺度，二是空間尺度，三是發展（發生）程度。很多學者從這三個方面做研究來否定或修正上述觀點。但是，假如這個推論是正確的，碳能利用的負面影響確實存在，我們該如何妥善應對，破解問題？

眾所周知，人類社會的發展主要是人口、經濟和能源利用的發展。由于發展中國家人口一直在上升，能耗總量也在急劇上升。從百萬人口的平均能耗來看，我國人均能耗是世界的二分之一，美國人均能耗是我國的12倍，日本是我們的5-6倍。再看一下地球大氣中溫室氣體濃度的資料。大氣中的甲烷濃度總體一直在升高，上世紀80年代后期到2000年還有一個爬升過程，但從2000年后增長比較慢，一些學者認為這與通過宣傳減少了稻田面積有關，我不認同這個觀點。實際上，我們看一下，這個坐標實際區間總共是100個單元，測點也不同。再看二氧化碳，還在往上升，跟全球溫度升高同步。溫室氣體的排放，2010年中國占第一位，美國是第二位，新的資料顯示2011年中國占全球的22%，美國超出我們，是22.4%，中美兩個國家占了全世界二氧化碳排放的44%左右。資料顯示，我國二氧化碳排放總量這幾年還在上升，但從人均排放量來說，我們排在日本后面。從人口角度講，印度的人口跟我們差不多，但他們總的排放量比較少，這跟印度現代化程度較低有關。上面這些數據表明：我們的含碳能量使用在逐年增加，我們的社會能源需求在逐年升高，全球二氧化碳排放量還在逐年增大。

用運動的眼光認識碳排放

我們是要認真考慮二氧化碳排放給人類社會帶來的負面影響，但全球氣候是否因人類活動（包括二氧化碳排放）而產生變異目前仍只是一個推論，而不是科學結論，還有待進一步實證研究。我們要在一個系統的絕對的變與相對的不變之間，找到人類最能適應的可持續的生存方式。

接下來的問題是，碳排放是否直接影響到全球氣候變化？抑或只是“溫室效應”實驗的類推？如果你在封閉的系統中做一個實驗，人工模擬地球環境，隨著二氧化碳排放量的增加，溫度會慢慢升高，二者的因果關系非常明確。但從全球角度看，各地二氧化碳的排放是不均勻的，地球上城市和工業區的分布也是不均勻的，排放點呈不規則分布。這些點上的二氧化碳排放會不會造成整個地球的“溫室效應”，國際上越來越多的學者對此產生了懷疑。比如有些學者認為，局部地區的二氧化碳排放不一定跟全球氣溫升高有關系，而僅僅是影響了局部地區的氣溫。一些地區的二氧化碳大量排放影響了該區域的氣溫，大氣的流動造成了全球氣候的異常。這是一個否認“全球變暖說”的論點。

還有，溫室氣體排放增加，是不是必然導致全球溫度升高？全球氣候變化是否一定導致自然災害頻繁？這些問題都是需要打問號的。

首先，冰山融化和海平面上升的速率是多少，目前還僅僅是推論。按照某些學者的推算，氣溫每10年增加2攝氏度，或每年海平面升高幾毫米。海平面升高幾個毫米，對做海洋學的人來說，有時可以忽略不計。像中國沿海，包括長江口，是強潮地區，每天漲潮落潮，平均潮差3米，一年中最高潮差可達5米多。在這樣的情況下，增減幾毫米，大大小于系統誤差和測量誤差，一般是不會考慮即時影響的。當然，作為長周期的影響應該予以重視。另外，像美國墨西哥灣沿海，是弱潮地區，每天漲潮落潮50厘米，那里的影響可能稍微大一點。所以，二氧化碳排放導致海平面上升的推論僅供長期影響研究參考。我們是要認真考慮二氧化碳排放給人類社會帶來的負面影響，但全球氣候是否因人類活動（包括二氧化碳排放）而產生變異目前仍只是一個推論，而不是科學結論，還有待進一步實證研究。

其次，我們的確看到一些不正常的現象，但從長時段的角度來考慮的話，是不是到了頻發期，是值得研究的。比如，在地球發展過程中的某些時間段，地震、火山、海嘯等是會集中發生的，那么這又跟什么因素有關呢？有人認為原因有二：一個是跟我們所處的宇宙的位置變動相關。地球不是孤立存在的，它旁邊有衛星、行星，還有其他星系等等，這些相鄰星球的運動變化軌跡自然會影響到地球。同時，地球內部也是在不斷變化中的。這些都是自然因素。所以，我認為，目前的自然現象、氣候變化的原因，至少應該從兩個方面來看。一個是自然因素，另一個是人類活動的影響。如果我們將自然因素暫時忽略不計，就算氣候變化全部是人為所引起，也有一個問題：哪些推測是可以用科學方法來驗證，哪些推測是虛假的。現在我們的很多推測，除了氣候變化以外，把其他所有事物都看成是靜止的，這就產生問題了。在我看來，萬事萬物都在變，生物在變，地球在變，包括地球在內的整個宇宙也在變。因此，我們要在一個系統的絕對的變與相對的不變之間，找到人類最能適應的可持續的生存方式。

回過頭來，讓我們再一起來看看有關二氧化碳濃度的歷史。在1億年前，地球上的二氧化碳濃度是非常高的，然后有個逐漸下降的過程，到了約6000萬年前到達一個低點，然后又逐漸上升。從這個斜率趨勢可以看出，近60年來二氧化碳濃度的上升應該是有人為的因素，有學者認為，與二次世界大戰后全球經濟的迅猛發展有關。理由一是，歷史上人類的能力比較小，影響也小，氣候變化以自然波動為主，該階段二氧化碳濃度波動幅度很大；二是，根據自然綜合因素的影響分析，大氣中二氧化碳的濃度應繼續下降，但實際情況卻是在上升。這就說明確實有人類影響的成分，但由于人類歷史相對還比較短暫，影響還不是很大。

通過碳同位素測年技術確定，全球氣溫與二氧化碳濃度確實線性相關。資料顯示，歷史上大氣中二氧化碳含量是周期性變化的，而且有大周期和小周期之分，大小周期主要都是自然因素造成的。另外，有學者認為，距今46億年到10億年間，地球上的二氧化碳濃度的變化源于自然；10億年前，自從地球上有了生物，二氧化碳濃度的變動還可能與地球上的生物量有關。人類活動對大氣二氧化碳濃度的影響，主要是近200年的事。換句話說，近200年來，二氧化碳排放對氣候的影響至少有三個原因：一是宇宙和地球運動變化，二是生物量的變化，還有就是我們人類的經濟社會活動。這三個部分如果分不清楚，現在下很多結論都為時過早。

如何真正實現 “零碳”

目前我們通過節能減排等措施可以做到 “低碳”，但還不能做到“零碳”。真正的“零碳”設想是：師法自然，在碳循環的碳匯庫上做文章。在認識自然碳循環客觀規律的前提下，通過生態建設的措施，增強全球（或地球局部地區）的碳匯能力，特別是海洋及海洋生物的碳匯能力，從實現局部區域的 “零碳”做起，促進人類可持續發展。

現階段有很多研究數據確實都證明了：地球上二氧化碳濃度是有周期性波動的，現在到了一個小周期的高峰，但是還沒有超過小周期波動的峰值。當然有些人說超了，或到警戒線了，有的甚至認為到了災難的臨界點，這都需要進一步的科學論證。人類用了很多方法，包括地質的、物化的、模擬分析的等等，力圖證實地球氣溫升高、二氧化碳濃度升高會不會給人類帶來災難等問題。上世紀90年代，有不少全球氣溫預測資料，有的還發表在國際頂尖學術刊物《科學》上，引起了全球各方關注。但是近20年的實際情況證明，不少預測是不正確的。聯合國下屬的氣候專家組織（IPCC），常組織召開各種會議來探討如何應對這個問題。該組織的不少專家認為，現在溫室氣體排放太多了，應該馬上減少二氧化碳類溫室氣體的排放，如果現在不降下來的話，全球氣溫會形成指數型上升趨勢，會很快導致地球不適合人類居住，換句話說，地球毀滅的日子快要到了。實際情況好像并不是那么回事。

如果我們從生態學的角度來討論這個問題的話，可以發現，碳循環是生態系統物質循環的一種系統，屬沉積型循環物質類型。據專家檢測，整個地球碳的含量并不是太高。地球結構的0.027%是碳，而且大部分儲存在石灰巖中。廣西桂林地區的大量溶洞由溶巖構成，溶巖也是石灰石，石灰巖中儲存了大量的碳。地球的碳庫是溶巖，可惜，現在我們的教科書中沒有強調這點。教科書中的碳循環模型大都遺漏了石灰巖碳庫這一主要組成部分。大部分碳存在石灰巖中，是把碳循環歸為沉積型循環物質的依據，以此區別于氮為氣體型循環物質等。在巖石中，碳主要以碳酸鹽的形態存在，在水體中主要以碳酸氫根的形態存在，在大氣中主要以二氧化碳的形態存在。碳及其化合物，在地球圈包括生物體內不斷轉變形態，形成不同類型的循環圈。大氣中的碳目前是380單位，在水中少一點，160單位。如果含碳能源利用多了，二氧化碳排放就多，大氣中的濃度就會上升，除了溫室效應，還會引起酸雨現象。在很多工業發達地區，下的雨不少是酸雨，這也是造成有些綠化植物生長不好的重要原因。同時，二氧化碳也會溶入水中，如果水中碳多了就會出現水體酸化現象，現在很多專家都關注到了這個問題。由此可見，目前全球生態系統的幾個重大生態問題中，不少都與碳循環相關。

由于碳循環引發了不少生態問題，事關全球人類發展，大家很自然地認為，應該想辦法控制碳排放。目前主要有三個觀點：不排碳、少排碳、使用無碳能源。不排碳行不行？不排碳的地區就是不發展的地區，甚至是沒有生命的地區，所以完全不排碳是不可能的。少排碳，就是現在普遍提倡的“低碳社會”，這到底是怎么回事呢？所謂“低碳社會”主要是通過四方面達成：一是節能減排，盡可能提高能量的使用效率，特別是通過一些措施，提高工業生產的能效；二是“低碳”建筑業，提倡熱傳導率低的建筑，冬天保暖，夏天通風散熱；三是“低碳”城市規劃和區域規劃，通過合理布局產業、居民區和交通來節約能量，這一塊也包括產業結構調整在內；四是行為“低碳”。去年復旦大學在校園中做了一個實驗，讓每一個同學在開學時填一個低碳契約，設計了幾十條，比如隨時關燈、關水龍頭等，能夠做的勾上，到了學期結束再看看，哪些承諾做到了，哪些沒做到。通過這種方式，的確給學校節約了不少能源。

當前社會更感興趣的，是尋找無“碳”能量。比如法國用得最成功的是核能，約占了本國能源使用的64%左右；日本也用得很成功，可惜去年福島核泄漏出了事情。我們曾經想學法國和日本，大力發展核電技術，但現在發現，核能的弊病越來越大，甚至比含碳能量造成的危害更多。不僅會有各種核泄漏事故，就是核電的廢料處理也還沒有特別好的方法。還有一種是太陽能。我看到一個報道，最近我國有個地方建成了“太陽谷”，主要運用光伏電池，直接利用太陽光，住宅區的電能都是太陽能。這有點模仿英國倫敦或阿聯酋的低碳示范區。問題是，安放光伏電池還是要占很多地方的。現在很多地方都在規劃建設低碳城，但是實際上不少規劃是借建低碳城，向中央和地方財政要錢。

實際上，一個區域既要發展，又不改變碳能利用方式，是不可能達到“零碳”效果的。再節能減排，還是會釋放二氧化碳。不管是傳統工業，還是未來要發展的新工業，包括“迪士尼”那樣的游樂業，都不可避免消耗能源。前面講到的四條“低碳”路子是有可能的，但目前不可能做到完全“零碳”。國際上敢打出“零碳”這個旗號的，一個是英國倫敦的太陽村，另一個就是阿聯酋馬斯達爾的“零碳城”。后者建設的預算是1000多億美元，在沙漠里廣闊的土地上，安裝太陽能發電裝置。現在總共花費200多億美元，建設完成四分之一不到，吸引了大批游客去參觀，形成當地一個新的旅游景點。但是不少參觀者回來說那是富人的玩意兒，我們玩不起。

現在很多地方搞太陽能發電，規劃很好，但實施過程中發現了不少問題。比如太陽能光板的制作過程，一方面要消耗大量能源，另一方面也會產生大量污染，尤其是重金屬污染。還有儲能問題，因為太陽不是每天準時出來，即使出來了亮度也不固定。光能多時要把能量儲存起來，而高效率的儲能電池就成為新的發展瓶頸。還有，太陽能發電占地面積很大。盡管我國沙漠也很多，可沒人去，如何輸出電力也成問題。除此之外，我們還有風能，風能發電廠全國都在造，特別是沿海地區。也有人提議做潮汐發電，但是潮汐發電需要建壩，而建壩對環境的破壞很大，所以這項技術沒能推廣。現在技術有了發展，比如美國人在研究洋流發電，歐盟研發出一種新的潮汐發電裝置，據說在水流360度變化的情況下都能發電，而且這個裝置不用建壩。最近我們通過中歐清潔能源中心與歐盟在洽談，希望在長江口做示范。這也就是說，在新能源上，我們是可以有所作為的。

總而言之，目前我們通過節能減排等措施可以做到“低碳”，但還不能做到“零碳”。我們可以用無碳能源局部替代含碳能源，但由于開發無碳能源的設施裝備還擺脫不了含碳能源的消耗，因此不能被稱作是真正意義上的“零碳”。那么，是否有真正能做到“零碳”的設想呢？換句話說，我們在未來100至200年內還要使用含碳能源，我們如何來使得地球環境在這個階段不受損害，確保我們的經濟和社會繼續發展？或者我們如何來創造人類社會繼續發展的動力，實現真正的“零碳”？我的設想是：師法自然，在碳循環的碳匯庫上做文章。在認識自然碳循環客觀規律的前提下，通過生態建設的措施，增強全球（或地球局部地區）的碳匯能力，特別是海洋及海洋生物的碳匯能力，從實現局部區域的 “零碳”做起，促進人類可持續發展。