出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）今天有幸給大家介紹一下海洋，在全球變暖背景下海洋到底是什麼角色？起什麼作用？它到底是儲熱罐還是火藥桶呢？全球變暖我們知道“萬物生長靠太陽”，地球系統的能量來源是太陽，這些以短波輻射為主的能量滋養了萬物、大氣，提供了海水運動的能量來源、支撐了光合作用等生物化學過程。同時，地球也在向外釋放能量，主要包括紅外輻射在內的長波輻射的形式。長期以來，地球系統能量的“吞”和“吐”保持在一個動態平衡狀態，使得地球不至於一直變熱或一直變冷。
在這個平衡中，大氣中包括二氧化碳、甲烷等在內的溫室氣體起了非常關鍵的作用，它能吸收長波輻射，將一部分能量保留在地球系統中，這就起到了保溫的效果。如果沒有溫室氣體的保溫作用，我們生活的大氣平均溫度可能比現在冷30攝氏度左右。所以溫室氣體並不是魔鬼和壞蛋，它們是我們地球系統中不可缺少的組成部分。問題在於溫室氣體在大氣中越來越多了！工業革命以後，人類活動大量消耗煤炭、石油等化石燃料，不斷地往大氣中排放CO2等溫室氣體。這張圖是過去80萬年以來的大氣中CO2濃度，可以看到，過去80萬年內，CO2 濃度基本都在170-300ppm之間波動，從來沒有超過300ppm。
而在短短的100多年內，人類讓大氣中的二氧化碳增加到了2020年的415個ppm，比工業革命前多了50%。溫室氣體的作用是保溫，越來越多的溫室氣體意味著地球系統的保溫性能越來越好，“吞”進來的能量沒怎麼變、“吐”出去的能量變少了，就使地球系統內部的能量越來越多，這就是全球變暖的原因。全球變暖的能量去了哪裡？全球變暖產生的這些多餘的能量去哪裡了呢？由於海洋巨大的比熱容，全球變暖93%的能量都儲存在了海洋中，另外7%的能量用於加熱陸地、加熱大氣、融化極地海冰、冰蓋，融化山地冰川等等。所以，我們說海洋才是地球的儲熱罐。
全球變暖不單單是我們人類生存的地球表面的變暖，它就像雪糕上一塊融化的巧克力一樣，這股暖流已經不斷從地表和海表流向深海，導致海洋變暖，僅關注地表是遠遠不夠的。
在這個時候，我希望大家稍微停下來，再看看我們人類生存繁衍的地球。如果我們有機會和宇航員一樣，站在太空中回望地球，我們會發現，地球是一顆絕美的、透著淡藍色光澤的藍色彈珠。海洋才是刻畫我們這顆星球形態的主要部分，因為它覆蓋了71%的地球表面積。它也是形成我們地球氣候的主要因素。而現在，因為不斷吸收熱量，它正處於不斷變暖的過程中。這是從1940年到現在海洋上層2000米的熱量的變化，藍色代表比較涼，黃色紅色代表比較熱，涼和熱是相對於1981-2010年這三十年的平均狀態而言。海洋熱量雖然有很多空間上的波動，但是在不斷地變暖。
來看看全球海洋總的上層2000米熱含量。這是從1958年開始到2019年的變化，每一個柱子都是一年總的熱含量，藍色的柱子代表熱量比1981-2010年平均值低，紅色代表熱量比這三十年的平均值高。很容易看到，全球海洋在過去60年非常顯著地持續變暖。1990年之後的變暖速率比之前速率快了4倍左右，說明海洋變暖在顯著地加速。大家可能對能量沒什麼直觀的概念，通過幾個對比，可以直觀地看到海洋變暖的能量到底有多大。近60年，海洋變暖量：3.7×1023焦耳，海表溫度上升約0.5 ℃，相當於58億顆廣島原子彈，過去60年的每一秒鐘，都爆炸3-4顆廣島原子彈。這也相當於1600倍中國2017年全年發電量。大家可以直接感受到，人類的力量是非常巨大的，正在靜悄悄地往海洋裡儲存能量。海洋，正在成為地球的火藥桶。如何知道海洋在變暖？大家可能會問：我們怎麼知道海洋一直在變暖呢？科學家通過長達一個世紀不斷觀測海洋溫度來計算海洋熱量的變化。為此發明了非常多海洋儀器。比如，1960年之前主要用的是在船上掛個滑輪往水裡放的南森瓶和看起來非常笨拙原始的機械式探溫儀。
本世紀發明的非常具有科技感的水下滑翔機，上世紀下半葉開始使用的很大、很酷的CTD儀器。
1966-2001年用的拋棄式探溫儀XBT。這是我在地中海出海探測拍的一次投放，可以看到一個人拿著一個發射器，通過一個長長的管子把很小的XBT投放到海裡，一分鐘左右就能測量700多米水深，非常方便。
上面的那些儀器都得靠船去放，下面這兩種是自動的。一種是靠著萌萌的海豹之類的海洋哺乳動物。一種是自己帶有電池，一旦投放就靠著自身動力不斷地在海洋0-2000米深度上下漂流。
下圖是一個典型的在東太平洋紅點這個位置進行的一次觀測得到的海洋溫度廓線，從海表到水下450米深，溫度不斷降低。海洋學家們就是通過這樣的不斷觀測來得到海洋溫度和熱量隨時間的變化。到目前為止，全世界海洋學家們觀測到的溫度廓線已經超過1300萬條，數量還在持續增加。這些數據是我們瞭解海洋認識海洋的基礎。海洋變暖是好事還是壞事？既然我們已經通過各種手段明確了海洋在變暖，那麼變暖到底是好事還是壞事呢？大家可能首先想到的是遊泳，水熱了遊起泳來是不是更舒服了？確實可能有一點。但很多時候我們都無福消受。
另一個好處是“北極航道”的縮短，平常從北極進行太平洋和大西洋之間的航行一定要繞過厚厚的北極海冰，走藍色的航線。但全球變暖會讓一年有些時間北極海冰完全消失，走紅色直線就好。在經濟上肯定有所節約，降低運輸成本。
壞處是海洋變暖會讓海平面上升。根據熱脹冷縮的原理，海洋變暖體積就會增加，導致海平面上升。
上面這張圖是1993年以來海平面上升及其“貢獻因素”。20餘年海平面上升了7.5釐米，變暖膨脹“貢獻”了其中40%，其餘60%是由於冰蓋和冰川融化使得更多的水注入海洋導致的，其中包括南極冰蓋、格陵蘭冰蓋和陸地冰川。但是，全球海平面上升只是海平面影響的一小部分。海平面對沿岸和小島嶼的影響需要考慮區域差異、考慮潮汐的峰值、考慮風暴潮（比如颱風天氣帶來的大浪等打擊）、考慮對沿岸的侵蝕，也要考慮人類不斷建造建築物使得土地沈降這樣的相對水位的上升。這些因素的疊加使得海平面上升的影響遠遠不止全球平均上升幅度那麼一個數字。
一個例子就是威尼斯。下圖是威尼斯街道隨手拍：河在下方，台階上就是人生活的街道，不會超過50釐米高。
伴隨著海平面上升、極端天氣和潮汐等一系列因素疊加，2019年威尼斯發生了自1966年以來最嚴重的洪水，90%以上的街道都被淹了。這就是真實的海平面變化的風險。你可以想像這樣的情況發生得越來越頻繁的話，威尼斯會真的從水城變成“泡在水中的城市”，人顯然沒法繼續在這裡生活。就像可樂變熱了裡面的氣就跑了，海洋變暖了也會導致海洋溶解氧下降。過去60年海洋溶解氧已經下降了大約3%。就像人類呼吸需要氧氣，海洋很多生物也需要呼吸氧氣，這對魚類等海洋生物是極大的挑戰。海洋漁業為32億人提供了20%的動物蛋白攝入，是我們重要的食物來源。隨著變暖、汙染等海洋環境變化，我們已經發現了海洋漁業資源的減少，從1930到2010年，海洋漁業專家們發現最大可持續產量已經減少了4.1%。珊瑚礁更為脆弱，因為它們不像魚類能遷移，將直接面對氣候變化帶來的衝擊。珊瑚礁就像海洋中的熱帶雨林，以0.1%的面積，供養了25%的海洋生物。但目前珊瑚礁在持續白化，在2016-17年大規模白化後，大堡礁今年又出現了新一輪更為廣泛的白化事件。這對海洋食物鏈是極大的打擊：大魚吃小魚、小魚吃蝦米，蝦米小魚都沒了，可想而知大魚也不會好受。海洋變暖也會導致颱風和颶風更強、降水更多，因為海洋是颱風/颶風的一個主要能量來源：變暖的海洋會提供更多的能量。前面只舉了一些例子，但總體而言，我們已經非常清楚，短短數十年和百年內發生的劇烈的、全方位的變化。其負面影響遠遠大於正面影響，對於人類和生態系統來說，海洋正在成為真正的火藥桶。未來如何？該怎麼辦呢？2015年，各國首腦和談判專家開了一個會，雖然吵得頭破血流，但最終制定了一個“小目標”：努力把全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內，並為控制在1.5℃內付出努力。《巴黎協定》代表了一個較為可控的未來。下圖是1950年到現在全球地表氣溫變化，以及科學家對未來變化的預估。一個預估是大概能實現《巴黎協定》目標，藍色。一個是維持高溫室氣體排放，紅色。可以看到，如果能實現《巴黎協定》的目標，21世紀氣溫將最多上升1℃。但如果還是維持高溫室氣體排放，2100年的氣溫將比現在高至少4攝氏度。大家可以想像在炎熱的夏天，氣溫再高4度是什麼感受。然而，不幸的是，對於海洋來說，就算近似可實現《巴黎協定》，海洋變暖也不會得以遏止。上圖是過去60年海洋0-2000米熱量變化以及未來兩個情景預估。如果近似可實現《巴黎協定》，21世紀海洋變暖將是過去60年的3倍；如果維持高排放，變暖量是過去60年的6倍！海洋，就像一輛超級巨型卡車，一旦讓它動起來，慣性太大，很難遏止。同樣沒法控制的是海平面上升。下圖給出了海平面各個貢獻因素的21世紀預估。近似可實現《巴黎協定》是藍色，高排放是紅色。21世紀變暖膨脹、格陵蘭融化、南極冰蓋、山地冰川融化全部將會持續上升，使得海平面持續上升。海平面上升將至少持續到2300年。用一個直觀的例子來說明全球平均海平面到底會上升多少。以小李子為參照，他身高大概是1.8米。到2100年，如果《巴黎協定》實現控溫2度，海平面將上升0.43米，到膝蓋這個位置，維持高排放是0.84米，到胯這個位置。到2300年，如果控溫2度，1米；如果維持高排放，3.8米，大概有1層半樓那麼高。大家可以想像，很多大家熟悉的海邊沙灘、建築都將被淹沒。目前世界上30個超級城市中，有17個在近海，氣候變化對大城市的風險將在未來變得越來越大。因此，站在海洋的角度，應對未來將發生的一系列變化和危機需要兩條腿走路：第一，按照《巴黎協定》的目標實現減排以及綠色、可持續發展，降低風險。第二，對於無法避免的變化，要適應變化、提前準備好應對變化帶來的風險。舉一個簡單的例子，應對變化，其實我們可以做很多事情。我有一套海景房，海平面持續上升，啥都不干必然會影響到我的房子。但是我們知道未來海平面要上升，那麼就可以預先計畫，修的時候就把地基打得很高，這樣就不會受到上升的影響；也可以做防護，修建防波堤等等；當然也可以搬遷到地勢更高的地方。前面那些太費錢，就做點小調整，做個吊腳樓風格的調整。可以採取一些構建沿岸紅樹林啊、濕地等生態系統做一個緩衝區，來降低風險。法國科學家做了一個非常形象的實驗，水槽裡面模擬海中的大浪，在近岸種了很多水生植物，模擬紅樹林等一些近岸生態系統。可以看到，任它波浪滔天，經過生態系統的緩衝後，到岸邊也非常風平浪靜。我國目前也投入了大量的人力物力來修復、維持和構建沿岸生態系統。但是，可悲的是，現在國際上對氣候治理其實是陷入僵局的狀態。如果要達到《巴黎協定》的目標，我們需要把二氧化碳排放在2020年達到峰值後不斷減排，就像圖中藍色線這樣。要控溫1.5度，減排當然要更多。但是目前各國的氣候政策是沿著黃色的線發展的，CO2還是在持續不斷地上升，各國願意做出的減排承諾也非常有限，因此，現實和目標之間差距還是非常大。要達到《巴黎協定》目標，全世界需要付出更大的努力才行！最後，人類不斷發展進步成為地球食物鏈的頂端，但是在發展進步的同時伴隨著明顯的氣候風險，對於人類自己和地球系統所有生物的風險。
幸運的是，人類可以選擇自己的未來。希望我們的未來是一個可以持續發展的、人和自然和諧共存的未來。“格致論道”講壇，原稱“SELF格致論道”講壇，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。
