氣候變化反饋

氣候變化反饋是對於特定溫室氣體排放量將影響全球氣溫上升多少的自然過程。其對於人們理解全球變暖的機理十分重要，因為反饋過程會放大或減弱各種氣候強迫的影響，因此它在確定氣候敏感度和未來氣候狀態方面發揮著重要作用。簡單來說，反饋是改變一個量會改變第二個量，而第二個量的變化又會反過來改變第一個量的過程。正（或加強）反饋放大了第一個量的變化，而負（或平衡）反饋則是減小了變化。

「強迫」一詞是指可能「推動」氣候系統向變暖或變冷方向發展的變化。氣候強迫的一個例子是大氣中溫室氣體濃度的增加。根據定義，強迫是氣候系統外部的效應，而反饋則是內部的效應；本質上，反饋代表的是一種系統內部的過程。一些反饋可能與氣候系統的其他部分相對獨立；而其他的反饋則可能是緊密耦合的；因此，可能很難判斷出特定過程的貢獻有多大。

強迫和反饋共同決定了氣候變化的幅度和速度。全球變暖的主要正反饋是變暖趨勢會增加大氣中的水蒸氣量，這反過來又會導致進一步變暖。主要的冷卻響應可以由斯特藩－玻爾茲曼定律推導得出，即從地球輻射到太空的熱量隨地球表面和大氣溫度的四次方變化。它通常不被視為一種反饋。觀測和建模研究表明，變暖存在一種淨的正反饋。強的正反饋作用可能導致出現突破氣候臨界點的影響，這種影響是否發生取決於氣候變化的速度和幅度。

## 正反饋

### 碳循環反饋

已經有預測和一些證據表明，全球變暖可能會導致陸地生態系統中的碳流失，從而導致大氣中的二氧化碳水平升高。多個氣候模式都表明，陸地碳循環對這種變暖的反應可能會加速 21 世紀的全球變暖。C4MIP研究中的所有 11 個模式都發現，如果考慮到氣候變化，大部分人為產生的 CO2將留在大氣中。到 21 世紀末，兩種極端情況下的模式所預測的額外 CO 2含量在 20 到 200 ppm 之間變化，大多數模式預測在 50 到 100 ppm 之間。較高的 CO 2水平就會導致額外的氣候變暖，範圍在0.1到1.5攝氏度之間。然而，這些敏感性因子的大小仍然存在很大的不確定性。八個模式將大部分的變化歸因於陸地部分，三個模式將其歸因於海洋部分。在這些情況下，最強的反饋是由於整個北半球高緯度北方森林土壤中碳的呼吸作用增加。特別是一個模型 ( HadCM3 ) 表明，由於熱帶南美洲降水量顯著減少，亞馬遜雨林的大部分損失導致二次碳循環反饋。雖然不同模式對陸地碳循環反饋的強度存在分歧，但它們都表明了任何此類反饋都會加速全球變暖的結果。

根據貝拉米等人2005 年 9 月在《自然》雜誌上發表的一篇論文顯示，在過去 25 年的觀測數據中，英國的土壤碳含量在以每年400 萬噸的速度流失，貝拉米強調，這個結果不太可能用土地利用率的變化來解釋。像這樣的結果有賴於密集的採樣網路，因此難以在全球範圍內獲取類似數據。以整個英國的情況來推算，他們估計每年全球土壤中的碳會損失 1300 萬噸之多。這與英國根據《京都議定書》每年減少的二氧化碳排放量（每年 1270 萬噸碳）相當。

也有學者（克里斯·弗里曼）提出，從泥炭沼澤釋放溶解有機碳（DOC）到水道（它會反過來進入大氣）對全球變暖構成了積極的反饋。目前儲存在泥炭沼澤的碳（3900-4550 億噸，占陸地碳儲存總量的三分之一）達到了大氣中碳量的一半以上。弗里曼的假設是，通過刺激初級生產力，不是氣溫升高，而是大氣 CO 2水平升高導致了水體 DOC 水平上升。

研究認為，由於氣候變化，樹木死亡數量正在增加，這也是一種正反饋效應。

根據預測，濕地和淡水生態系統將成為全球甲烷氣候反饋的最大潛在貢獻者。長期變暖改變了淡水生態系統中與甲烷相關的微生物群落的生態平衡，使得它們產生更多的甲烷，而甲烷氧化成二氧化碳（也即甲烷降解）的比例則相應減少。

#### 北極甲烷釋放

變暖也是北極地區碳（主要是甲烷）釋放的觸發變量。從解凍的永久凍土（如西伯利亞的冰凍泥炭沼澤）和海底的甲烷絡合物中釋放的甲烷產生了正回饋。2019 年 4 月，Turetsky 等學者報告稱，永久凍土融化速度比預期的要快。最近，對永久凍土氣候反饋的理解有所提高，但海底永久凍土的潛在排放仍然未知。此外，與許多其他類型的土壤碳反饋一樣，大多數氣候模式中仍然缺失與這一部分相關的模塊。

##### 解凍多年凍土泥炭沼澤

西西伯利亞地區是世界上最大的泥炭沼澤，100 萬平方公里的永久凍土泥炭沼澤區域形成於 11,000 年前的末次冰期末期。其永久凍土的融化很可能導致未來幾十年大量甲烷（擁有強烈溫室效應的氣體）的釋放。預計，這些永凍土可能釋放多達 700億噸甲烷，從而產生額外的溫室氣體排放源。在東西伯利亞也觀察到了類似的融化現象。勞倫斯等人在2008 年的研究表明，北極海冰的快速融化可能會啟動一個反饋迴路，使北極永久凍土迅速融化，從而引發進一步的變暖。2010 年 5 月 31 日，美國宇航局發布稱，在全球範圍內，「由於全球永凍土融化的趨勢，溫室氣體正在以越來越快的速度逸出永久凍土並進入大氣層——例如每年高達 500 億噸的甲烷。這尤其麻煩，因為甲烷加熱大氣的效率是二氧化碳的 25 倍」（相當於每年 12500 億噸二氧化碳）。

2019年，一份名為「北極報告卡」的報告估計稱，目前北極永久凍土的溫室氣體排放量大約等於俄羅斯或日本的排放量，不到全球化石燃料排放量的10%。

##### 水合物

甲烷水合物，也稱為甲烷包合物，是一種水冰形式，其晶體結構中含有大量甲烷。在地球海洋和洋底的沉積物下發現了非常大的甲烷包合物沉積物。在失控的全球變暖事件中，甲烷包合物沉積物中突然釋放出大量天然氣，有假設認為這是過去和未來可能發生的氣候變化的原因。原本被禁錮的甲烷得以釋放，是氣溫升高的潛在主要結果。這種效應可能會使全球溫度再增加 5 攝氏度，因為甲烷作為溫室氣體比二氧化碳的效應更強大。該理論還預測這將極大地影響大氣中的可用氧含量。該理論此前被用以解釋地球歷史上最嚴重的大規模滅絕事件，即二疊紀－三疊紀滅絕事件，以及古新世－始新世極熱事件。2008 年，美國地球物理聯盟的一個研究考察隊在西伯利亞北極地區檢測到甲烷含量比正常水平高出 100 倍，這些甲烷可能是由勒拿河地區和拉普捷夫海和東西伯利亞海之間的地區海床上，永久凍土的冰凍「蓋子」上的孔釋放的甲烷包合物釋放的。

#### 大氣甲烷暴漲

政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 和美國氣候變化科學計劃(CCSP) 的文獻評估考慮了未來預估氣候變化導致大氣甲烷快速增加的可能性。IPCC 第三次評估報告於 2001 年發布，研究了由於大氣物質匯減少或地下埋藏的甲烷儲層釋放而導致的甲烷迅速增加的可能性。這兩項評估都認為，甲烷的快速釋放「極不可能」 （根據專家判斷，可能性小於 1%）。2008 年發布的 CCSP 評估得出的結論是，甲烷突然釋放到大氣中的情況「非常不可能」 （根據專家判斷，機率低於 10%）。然而，CCSP 評估也指出，氣候變化「很可能」（根據專家判斷，機率超過 90%）會加速水合物和濕地排放源持續排放。

2019 年 6 月 10 日，Louise M. Farquharson 及其團隊報告說，他們對加拿大永久凍土進行了一項長達 12 年的研究。「在我們的地點觀測到的最大解凍深度已經超過了預計到 2090 年發生的深度。從 1990 年到 2016 年，我們已在陸地永久凍土層中觀察到4攝氏度的增溫，而且北極年平均氣溫的上升速度是低緯度地區的兩倍，預計這一趨勢將繼續下去。」確定新的熱岩溶發育的程度很困難，但毫無疑問，這個問題很普遍。Farquharson 和她的團隊猜測，占地大約 231,000 平方英里（600,000 平方公里）的永久凍土，或全年永久凍土區的 5.5%，都很容易出現表面快速解凍的現象。

#### 降解

儲存在永久凍土層中的有機物會隨著永久凍土層的融化而分解，從而產生熱量。如同許多氣候模型所預測的那樣，隨著熱帶地區變得越來越潮濕，土壤將有可能出現更高的微生物呼吸和分解速率，這將大大限制熱帶土壤的蓄碳能力。

#### 泥炭降解

泥炭天然存在於泥炭沼澤中，是全球範圍內重要的碳儲存庫。當泥炭變得乾燥時，它會分解，甚至會燃燒。由於全球變暖導致的地下水位調整可能會導致泥炭沼澤中的碳大量釋放。最為可能的是以甲烷的形式釋放，由於其極高的全球暖化潛勢，這個過程會使得反饋效應惡化。

#### 雨林旱化

雨林，尤其是熱帶雨林，特別容易受到全球變暖的影響。其中有兩個影響令人堪憂。首先，乾燥的植被可能會導致雨林生態系統的全面崩潰。例如，亞馬遜雨林可能會被卡廷加生態系統所取代。此外，由於植被覆蓋率的變化，即使是沒有完全崩潰的熱帶雨林生態系統也可能由於乾旱而損失大量碳儲量。

#### 森林火災

IPCC 第四次評估報告預測，許多中緯度地區，如地中海歐洲沿岸，將經歷降雨減少和乾旱風險增加，這反過來將導致森林火災更大規模、更頻繁地發生。這將比碳循環自然重新吸收的更多儲存的碳釋放到大氣中，並減少了地球上的整體森林面積，形成了一個正反饋循環。隨著北方地區成為更適合維持森林的氣候，該反饋循環的一部分是替代森林的更快速增長和森林向北遷移。森林等可再生燃料的燃燒是否應被視為推動全球變暖的一個因素，仍然是一個待研究的問題。Cook & Vizy 還發現亞馬遜雨林可能發生森林火災，最終導致亞馬遜東部地區向卡廷加植被類型的轉變。

#### 荒漠化

荒漠化是某些環境下全球變暖的結果。沙漠土壤含有很少的腐殖質，並且僅能支持很少量的植被。因此，向沙漠生態系統的轉變通常與碳的釋放有關。

#### 建模結果

IPCC 第四次評估報告(AR4) 中包含的全球變暖預測包括了碳循環反饋。然而，AR4 的作者指出，對碳循環反饋的科學性理解還很弱。AR4 中的預測基於一系列溫室氣體排放情景，並推斷在 20 世紀末和 21 世紀末之間變暖幅度可達 1.1 到 6.4攝氏度。這是基於 IPCC 作者的專家判斷的「可能」範圍（大於 66% 的機率）。作者指出，「可能」範圍的下限似乎比「可能」範圍的上限受到更好的約束，其中部分原因就是碳循環反饋。美國氣象學會評論稱，需要更多的研究來模擬碳循環反饋在氣候變化預測中的影響。

伊薩肯等 (2010) 考慮了未來從北極釋放的甲烷可能如何導致全球變暖。他們的研究表明，如果全球甲烷排放量比（當時）當前排放量增加 2.5 到 5.2 倍，那麼對輻射強迫的間接貢獻將分別約為 250% 和 400%，這可以直接歸因於甲烷。甲烷變暖的這种放大是由於預計的大氣化學變化。

舍費爾等人。(2011) 考慮了永久凍土釋放的碳如何導致全球變暖。他們的研究基於中等溫室氣體排放情景（SRES A1B）預測了永久凍土的變化。根據這項研究，到 2200 年，永久凍土反饋可能會累計向大氣貢獻 190 (+/- 64) 千兆噸的碳。舍費爾等人。(2011) 評論說這個估計可能很低。

##### 對氣候政策的影響

氣候變化反饋的不確定性會對氣候政策產生影響。例如，碳循環反饋的不確定性可能會影響減少溫室氣體排放的目標。排放目標通常基於大氣溫室氣體濃度的目標穩定水平，或基於將全球變暖限制在特定幅度的目標。這兩個目標（濃度或溫度）都需要了解碳循環的未來變化。如果模型錯誤地預測了碳循環的未來變化，則可能會錯過濃度或溫度目標。例如，如果模型低估了由於正反饋（例如，由於永久凍土融化）而釋放到大氣中的碳量，那麼它們也可能低估了滿足濃度或溫度目標所需的減排程度。

### 雲反饋

預計變暖將改變雲的分布和類型。從下面看，雲層將紅外輻射發射回地表，從而產生變暖效應；從上面看，雲層反射陽光並向太空發射紅外輻射，從而發揮降溫作用。淨效應是變暖還是變冷取決於雲的類型和高度等細節。低雲往往會在表面捕獲更多熱量，因此具有正反饋，而高雲通常會從頂部反射更多的陽光，因此它們具有負反饋。在衛星數據出現之前，這些細節很少被觀察到，並且難以在氣候模型中表示。全球氣候模型顯示出接近零到中等強度的正淨雲反饋，但在最新一代的全球氣候模型中，有效氣候敏感性顯著提高。相對於上一代模型，模型中雲的物理表示的差異推動了這種增強的氣候敏感性。

2019 年的一項模擬預測，如果溫室氣體達到當前大氣二氧化碳水平的三倍，那麼層積雲可能會突然消散，從而導致進一步的全球變暖。

### 氣體釋放

生物源氣體的釋放可能會受到全球變暖的影響，但對這種影響的研究還處於早期階段。其中一些氣體，例如從泥炭或融化的永久凍土中釋放的一氧化二氮，直接影響氣候。其他的，例如從海洋中釋放的二甲基硫，具有間接影響。

### 冰反照率反饋

當冰融化時，陸地或開闊水域會取而代之。陸地和開闊水域的平均反射率都低於冰，因此吸收更多的太陽輻射。這會導致更多的變暖，進而導致更多的融化，並且這個循環還在繼續。在全球降溫期間，額外的冰會增加反射率，從而減少對太陽輻射的吸收，從而通過持續的循環導致更多的降溫。這被認為是一種更快的反饋機制。

反照率變化也是IPCC預測北半球極地溫度上升到世界其他地區兩倍的主要原因，這一過程被稱為極地放大。2007 年 9 月，北極海冰面積達到 1979 年至 2000 年夏季平均最小面積的一半左右。同樣在 2007 年 9 月，北極海冰消退到足以使西北航道在有記錄的歷史上首次可以通航。然而，2007 年和 2008 年的創紀錄虧損可能是暫時的。美國國家冰雪數據中心的 Mark Serreze 將 2030 年視為夏季北極冰蓋何時可能無冰的「合理估計」。全球變暖的極地放大預計不會發生在南半球。自 1979 年開始觀測以來，南極海冰達到了有記錄以來的最大範圍，但南部冰的增加超過了北部的減少。全球海冰、北半球和南半球加起來的趨勢明顯下降。

冰損失可能有內部反饋過程，因為陸地上的冰融化會導致海平面上升，可能導致冰架不穩定和淹沒沿海冰塊，例如冰川舌。此外，由於等靜壓反彈引起的地震進一步破壞了冰架、冰川和冰蓋的穩定性，存在潛在的反饋循環。

一些亞北極森林的冰反照率也在發生變化，因為落葉松林（在冬天脫落針葉，讓陽光在春季和秋季從雪中反射）正在被雲杉樹（保留黑色針葉）所取代整年）。

### 水汽反饋

如果大氣變暖，飽和蒸氣壓增加，大氣中的水蒸氣量將趨於增加。由於水蒸氣是一種溫室氣體，水蒸氣含量的增加使大氣進一步變暖；這種變暖導致大氣保持更多的水蒸氣（正回饋），依此類推，直到其他過程停止反饋循環。結果是比單獨的CO2產生的溫室效應大得多。儘管這種反饋過程會導致空氣的絕對水分含量增加，但相對濕度幾乎保持不變，甚至會因為空氣變暖而略有下降。氣候模型包含了這種反饋。水汽反饋是非常積極的，大多數證據支持 1.5 到 2.0 W/m 2 /K 的幅度，足以使原本會發生的變暖大約翻倍。水蒸氣反饋被認為是一種更快的反饋機制。

### 海洋變暖反饋

根據美國國家海洋和大氣管理局的說法：海洋變暖為潛在的正反饋機制提供了一個很好的例子。通過將氣體吸收到水面，海洋是CO2的重要匯。隨著CO2的增加，它會增加大氣的升溫潛能。如果氣溫變暖，它應該使海洋變暖。海洋從大氣中去除CO2的能力隨著溫度的升高而降低。因此，增加大氣中的CO2可能會產生實際上加劇大氣中CO2增加的效果。

## 負反饋

### 黑體輻射

根據 Stefan-Boltzmann 定律，隨著黑體溫度的升高，返回太空的紅外輻射隨著其絕對溫度的四次方而增加。隨著地球變暖，這會增加向外輻射的數量。它被稱為普朗克反應，有時也被認為是負反饋（普朗克反饋）。

### 碳循環

#### 勒夏特列原理

由勒沙烏地列原理，地球碳循環的化學平衡將隨著人為 CO2排放而發生變化。其主要驅動力是海洋，它通過所謂的溶解度泵吸收人為產生的 CO2。目前，這僅占當前排放量的三分之一左右，但最終人類活動排放的大部分（約 75%）CO2將在幾個世紀內溶解在海洋中：「通過公開討論，我們認為化石燃料 CO2 的近似壽命可能是 300 年，還有 25% 可能是永久性的」。然而，未來海洋吸收二氧化碳的速度不太確定，該過程會受到變暖引起的分層以及海洋溫鹽環流變化的影響。

#### 風化

地質長期的化學風化作用是從大氣中去除CO 2。隨著當前的全球變暖，風化作用正在增加，這表明氣候和地球表面之間存在顯著的反饋。生物隔離還通過生物過程捕獲和儲存CO 2。海洋中的生物在很長一段時間內形成貝殼，從海洋中去除了 CO 2。CO 2完全轉化為石灰石需要幾千到幾十萬年。

#### 淨初級生產力

淨初級生產力隨著 CO 2的增加而變化，因為植物的光合作用隨著濃度的增加而增加。然而，這種影響被全球變暖導致的生物圈的其他變化所淹沒。

氣候變化加劇了2019年－2020年澳洲叢林大火，導致野火氣溶膠在海洋中沉積，提高了海洋生產力，從而導致了廣泛的浮游植物大量繁殖。雖然這些增加了海洋二氧化碳的吸收，但與火災排放的約 7.15 億噸 CO2 相比，其數量可能相形見絀，並且可能會導致海洋酸化，這反過來可能會導致有毒藻類爆發，但隨著氣候變化對海洋 pH 值的反饋幾乎抵消，這通常會密切關注未來大氣中的 CO2濃度。

### 氣溫遞減率

大氣的溫度隨著對流層的高度而降低。由於紅外輻射的發射隨溫度變化，從相對寒冷的高層大氣逃逸到太空的長波輻射少於從低層大氣向地面發射的長波輻射。因此，溫室效應的強度取決於大氣溫度隨高度下降的速率。理論和氣候模型都表明，全球變暖會降低溫度隨高度下降的速度，產生負的遞減率反饋，從而削弱溫室效應。然而，在逆溫強烈的地區，例如極地地區，直遞率反饋可能是正的，因為地表比高海拔地區變暖更快，導致長波冷卻效率低下。溫度隨高度變化率的測量對觀測中的小誤差非常敏感，因此難以確定模型是否與觀測一致。

## 對人類的影響

該圖表明，氣候變化對人類數量和發展的總體影響將是負面的。

## 外部連結

- 北極永久凍土洩漏的甲烷達到創紀錄水平 Guardian.co.uk，2010 年 1 月 14 日星期四
- CO2：控制地球溫度的恆溫器，美國宇航局，戈達德空間研究所，2010 年 10 月
- 「全球變暖 20 年後：接近臨界點」（2008 年）PDF，致國家新聞俱樂部和眾議院能源獨立與全球變暖特別委員會的地址，華盛頓特區 44 頁：
- 什麼是「氣候反饋」？大圖電視影片 2007 年 2 月 20 日， David Wasdell，經絡計劃主任
- 氣候變化是如何發生的？(Part 1) 大圖電視影片 2007 年 2 月 20 日，David Wasdell，經絡計劃主任
- 氣候變化是如何發生的？(Part 2) 大圖電視影片 2007 年 2 月 20 日，David Wasdell，經絡計劃主任
- 北極熱點的「臨界點」風險」 BBC 2019 年 1 月 24 日