冰川和气候的不可逆性

我们经常听到一些呼吁，要把全球变暖的幅度（相对于工业革命前）控制在2°C以内，最近的一次应该是年10月份的《巴黎公约》。那么为什么要把这个数定在2°C而不是其它数值呢？这个其实有一定的随意性，个人觉得定在1.8°C或者2.2°C应该也没什么不同，但是总得订个数，所以选个整数没什么不好。就好像公路上的限速牌，为什么不定在32km/hr或者47km/hr（除非把国外的英里限速换算过来）而是非要定在30或50或45km/hr呢？当然，选择2°C还得有道理才行，否则为什么不选个6°C，应该还不至于把人都热死吧。比较有意思的是，2°C最一开始是耶鲁大学一个叫WilliamNordhaus的经济学家年提出来的。他的主要理由可能是在过去10万年人类没有经历过比2°C更暖的气候。虽然后来大家争来争去（如，VictorandKennel(,Nature)和Rhamstorf的争论），这个数居然就没有再变过。当然也是因为大家发现这个2°C还是有其道理的（比如不少人觉得超过2°C后，气候、生态、碳循环和海平面的变化就不能忍了），再加上很多模式和观测的不确定性，大概定个2°C也就行了。不过这个帖子不是关于为什么要用2°C的，只是北极的格陵兰冰盖的不可逆性差不多就发生在2°C。

说起不可逆性，似乎我们心里都有个感觉，但是要真正的定义一下其实没那么容易。按照IPCCAR5的定义，这个不可逆性是和时间尺度有关的。具体定义为：在自然过程的作用下，如果一个动力学系统从扰动态恢复到初始态所花的时间远远超过从初始态达到扰动态的时间，那么该扰动态在某个时间尺度上就是不可逆的。比如，现在我们排放大量的温室气体，造成了气候变暖，然后马上停止一切排放，等着地球系统自己把温室气体都吸收并恢复到工业革命前的状态，这个过程需要几千上万年，那么在几百到上千年的尺度上来看，现在的扰动就是不可逆的。这个定义不是很直观，而且严格来说好像也没什么用，但它是从衡量地球系统的自我恢复能力出发的，做政策研究的可能比较喜欢。对做动力学研究的来说，最直观的定义可能还是：如果把外强迫恢复到原样但是系统却不能恢复到原来的状态，那这个扰动态就是不可逆的。这个定义也有可能是和时间尺度有关的。最明显的例子恐怕就是磁滞回线（magnetichysteresisloop）了，一块铁在磁场中磁化以后，即使把磁场撤掉了，它仍然保有一定的磁性，但保持不了多久，因此在比较短的时间尺度上可以说铁被磁化是不可逆的。而钢被磁化以后就能保持磁性相当长时间，那就可以在更长的时间尺度上说它的磁化是不可逆的。

气候系统也有这样的不可逆性或者hysteresis，这种hysteresis一般都和突变以及多稳定态联系起来。这样的不可逆性在冰雪地球事件上表现是最明显的。比如考虑图1a中的理想大陆情形，假设一开始处于比较温暖的状态，大气中CO2含量为ppmv左右，如图1b中的A点。然后逐渐降低CO2含量到ppmv，气候会逐渐变冷（图1b中的B点），但是如果把CO2含量恢复到ppmv，那气候很快就会恢复原样。如果继续降低CO2含量到ppmv（图1b中的C点），情况就不同了，气候经历了一个突变（在图1b中是个突变，但在时间上来说可能需要10万年左右，所以“突变”也是需要定义的）。这个突变主要是陆地冰川演化及其反照率的正反馈引起的。在状态C（图1c）的时候把CO2含量恢复到ppmv，气候只能变到状态D，而不能回到状态A。所以在CO2含量为ppmv的时候，有两个稳定态，一个较冷，一个较暖。实际上在整个~–0ppmv的范围内都有两个稳定态。确切的说，如果我们考虑更冷的状态，也就是全冰封的状态（图1b的E点和图1d），那就有三个稳定态。最后一个稳定态和海冰的正反馈有关系。

图1a）一个椭圆形理想大陆（灰色）；b）红线上面的每一个点都代表一个稳定的气候态，箭头代表气候态可以变化的方向，单向箭头表示的是不可逆变化；c）和d）分别对应于b）中C点和E点的气候态。粉色代表冰川厚度，白色代表海冰，深蓝色为海洋。

显然，如果这个气候系统一开始处在一个很温暖的状态，它在很大的CO2范围内都是稳定的，对它的扰动不会产生不可逆的变化。但是如果它已经处在某个临界点附近了，比如图1b的B点，那么对它的一个比较小的扰动就会让系统产生不可逆的变化。对我现代的地球气候来说，有可能就已经接近这样的一个临界点，如果全球变暖的幅度超过这个点，有可能地球系统中的某些地方就会产生不可逆的变化。IPCC上列举了很多可能性，比如海冰、森林、珊瑚礁和其它生态系统，但都不是很确定是不是不可逆的。个人觉得其中最不可逆的有可能是海洋大陆架上存储的天然气水合物，如果被扰动了应该很难恢复原样。另一个比较不可逆的就是极地冰盖。有模拟显示，如果格陵兰地区温度升高2-4°C，格陵兰冰盖可能就会全部融化，即使把温度再降回去，也不会再长出新的冰盖来。希望在下一次能继续这个话题，讨论一下为什么这个冰盖长不回去（如果我能搞明白并讲清楚的话）。