全球气候变化的周期
2024年，全球年平均近地表气温比1850—1900年平均水平高约1.55℃。单年超过1.5℃，并不等于《巴黎协定》的长期温控目标已被突破。海冰减少、冰盖失冰和珊瑚白化等变化，正让气候变暖的影响变得可见；这些现象需要结合多年观测理解，不能归因于某一年的温度数字。
然而，地球的气候从来不是恒定不变的。在漫长地质历史中，地球经历过温暖的“温室期”和寒冷的“冰室期”：约7亿年前的“雪球地球”事件中，冰川可能延伸至赤道附近；约5600万年前的古新世—始新世极热事件中，全球气候曾显著变暖。这些变化的成因和速率，并不都与今天相同。
理解地球气候历史的自然变化，既能帮助我们认识地球演化，也为判断当代变化提供参照。观测与归因研究表明，当前全球变暖主要由人类活动驱动，不能用自然旋回来解释。
地球气候历史的时间尺度
气候变化并不是在单一时间尺度上发生的，而是涵盖了从数百万年到短短几十年等多个不同层级。理解这些时间尺度上的气候变化，有助于科学地区分什么是“自然波动”，什么又是“人为异常”，从而更准确地解读现代气候变化的特殊性。
正是这些层层递进、彼此嵌套的时间尺度，共同构筑了地球气候变化的多重“节奏”。从几十万年甚至上亿年的地质、天文周期，到千年、百年和现代的气候变动，每一层尺度都承载着独特的气候故事和变化机制。
通过理解这些尺度，我们能跳出现代社会的短暂视角，置身于更长时段和更大空间框架之中，更加客观和冷静地审视当代气候变化的特殊性与紧迫性，也更好地把握其在地球演化史中的位置和影响。
历史大冰期
前寒武纪“雪球地球”
距今约7.2亿至6.35亿年前的成冰纪时期，地球经历了至少两次极端的“雪球地球”事件。在这些时期，冰川的覆盖范围甚至可能到达赤道附近，全球大部分的海洋都被厚厚的冰层封冻。关于雪球地球的成因，一种解释认为，当时大陆裂解导致大量陆地裸露在赤道附近，这增强了硅酸盐岩石的化学风化过程，大量消耗了大气中的CO₂，进而引发极端降温。
同时，广泛的冰雪覆盖增强了地表的阳光反射（即冰雪反照率效应），持续加剧降温并形成气候冷却的正反馈。在冰封的环境下，火山活动还会持续释放CO₂，而消耗CO₂的硅酸盐风化受到冰封和低温抑制，最终使大气中的CO₂浓度不断积累，达到极高水平。当温室效应变得足够强大时，才最终打破了全球冰封的局面，地球逐渐回归温暖状态。
第四纪冰期
距今约258万年前开始的第四纪（Quaternary），包含多次“冰期”（glacial period）与“间冰期”（interglacial period）的交替。早期旋回主要呈约4.1万年的节律，近约100万年来则以约10万年的节律更突出，并非整个第四纪都保持同一周期：
- 末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM）：约2万年前，北美洲北部和北欧大片地区被大陆冰盖覆盖，西伯利亚大部分地区并未被大陆冰盖覆盖。全球海平面比现在低约120至130米，东海大片陆架露出，台湾与中国大陆相连
- 末次冰期结束：约1.17万年前进入全新世，冰盖退缩和海平面上升逐步塑造了今天的海陆格局
米兰科维奇旋回
第四纪冰期-间冰期旋回的节律，受到米兰科维奇旋回（Milanković cycles）的调节，并由冰盖、温室气体和海洋等反馈共同塑造。这一理论由塞尔维亚天文学家米卢廷·米兰科维奇在20世纪初提出，核心是地球轨道参数的周期性变化：
- 偏心率（Eccentricity）：地球公转轨道的椭圆程度，主要周期之一约10万年。它对全球年平均太阳辐射总量的直接影响较小，但会调节岁差对季节辐射分配的影响
- 黄赤交角（Axial Tilt/Obliquity）：赤道面与公转轨道面的夹角，也等于自转轴与轨道面法线的夹角，目前约23.5°，周期约4.1万年。倾角越大，高纬度地区的季节辐射差异通常越明显
- 岁差（Precession）：自转轴方向和轨道长轴方向的变化，共同改变冬夏与近日点、远日点的对应关系。影响气候的岁差主要具有约1.9万至2.3万年的周期
这三个轨道参数共同改变太阳辐射的季节和纬度分配。北半球高纬度夏季辐射减弱，有利于冬季积雪留存和冰盖扩张；夏季辐射增强则有利于消融。冰雪反照率、温室气体和海洋变化会进一步影响冰期旋回，轨道变化并不是唯一因素。
现代气候变化
全球变暖的科学证据
多种独立观测共同记录了当代变暖。比较变化幅度和速率时，应明确统计时段与参照基准：
- 气温上升：2011—2020年全球平均地表温度比1850—1900年高约1.1℃；1970年以来的升温速率，超过至少过去2000年中任何其他50年时段
- 冰川退缩：全球多数地区的山地冰川持续损失质量，但具体冰川的变化受降雪、地形等条件影响，不能用同一个年度损失值概括所有时期
- 海平面上升：1901—2018年全球平均海平面上升约20厘米；卫星观测显示，2015—2024年的平均上升速率约为每年4.7毫米
- 极端天气事件增多：多数陆地区域的热极端更频繁、更强，许多地区的强降水增强；强热带气旋的比例可能上升，但不能据此断言全球热带气旋总数同步增加
- 生态系统响应：部分物种的迁徙、开花时间改变，一些高山林线上移，海洋热浪引发珊瑚白化；不同物种和地区的响应并不一致
温室效应的物理机制
温室效应（greenhouse effect）本身是一种自然且对地球生命至关重要的物理过程：
- 太阳短波辐射（包括可见光等）穿透大气层，被地面吸收，地面增温
- 地面以长波辐射（热辐射）向大气释放热量
- 大气中的温室气体（水汽H₂O、CO₂、CH₄、N₂O等）吸收特定波段的长波辐射，并向各个方向发射，其中向下的部分称为大气逆辐射，使地表比没有温室效应时更温暖
自然温室效应是地球宜居的重要条件。保持现有反照率等条件的简化估算中，地球有效辐射温度约为-18℃，低于约15℃的全球平均地表温度；两者之差不能直接当作移除整个大气后的精确温度变化。
增强温室效应（人为温室效应）：工业化以来，人类大量燃烧化石燃料、砍伐森林、农业活动，大幅增加了大气中CO₂、CH₄等温室气体浓度，增强了温室效应，导致额外的净增温——这是当代全球变暖的根本机制。
大气CO₂浓度的历史变化
南极冰芯（ice core）是记录过去80万年大气成分和气温变化的“天然档案馆”：
- 冰芯记录显示，过去80万年的自然冰期—间冰期旋回中，大气CO₂浓度大致在180—300 ppm（百万分之一）之间波动
- 约1750年工业化前：约280 ppm
- 2023年：全球平均地表CO₂浓度约420 ppm，明显高于过去80万年冰芯记录的范围
- 近几十年的增速明显快于冰期向间冰期过渡中的长期平均变化速率，但逐年增量会波动
全球变暖的区域影响与反馈机制
全球变暖的影响并不均匀。北极近几十年的升温明显快于全球平均，这通常称为“北极放大”。其幅度随统计时段和区域范围变化，不能把同一倍数套用于所有极地和高山。岛屿、沿海城市和干旱区也面临各具特点的气候风险。
正反馈机制（加速变暖）：
- 冰雪消融→反照率下降（冰雪表面对阳光反射率高，裸露地表或水面反射率低）→吸收更多太阳辐射→地表继续升温，反过来加剧冰雪消融
- 冻土融化→原先冻结的有机质分解，释放CO₂，缺氧条件下还可产生CH₄→温室效应增强→进一步升温和融化
- 海冰减少→北冰洋与其它极地水域暴露面积增加→吸收更多热量，夏季融化期延长→极地温度上升进一步加快
- 森林火灾增加→碳汇能力下降→大气中二氧化碳浓度再度增加
对中国及全球的主要影响
全球变暖带来的这些区域性和系统性影响高度复杂、相互联系，加强对气候反馈机制和极端事件的科学理解，是适应和减缓气候变化的重要基础。
全球气候治理
面对全球变暖和日益突出的气候风险，国际社会已经建立并不断完善一系列气候治理与合作框架，通过联合行动努力减缓温室气体排放，适应和应对气候变化带来的挑战。
- 《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC，1992年）：这是全球气候谈判与合作的基础性法律框架，确立了“共同但有区别的责任”原则，要求发达国家率先控制和减缓温室气体排放，并为发展中国家提供资金、技术和能力建设支持，同时推动各国定期召开缔约方大会（COP），协商全球气候行动。
- 《巴黎协定》（2015年）：作为21世纪最重要的气候协议之一，《巴黎协定》明确提出“将全球平均气温较工业化前水平升幅控制在远低于2℃，并努力限制在1.5℃”的目标。协定要求所有缔约方制定并周期性更新“国家自主贡献”（NDC），承诺具体减排目标和适应措施，并通过全球盘点机制（Global Stocktake）不断提高减排力度，倡导全球实现温室气体的净零排放。
- 中国“碳中和”承诺（2020年）：中国作为全球最大的发展中国家和碳排放大国，宣布“力争于2030年前实现二氧化碳排放达峰，2060年前实现碳中和（净零排放）”，这一承诺极大提升了全球气候治理的信心，对实际的国际减排行动也产生了积极带动效应。此外，中国积极推动绿色低碳转型，大力发展可再生能源、加强碳汇保护，同时参与全球多边气候合作，为全球气候治理作出了重要贡献。
碳中和（carbon neutrality）通常指在一定时期和核算范围内，二氧化碳排放与人为移除量达到平衡，即二氧化碳净零排放；它与涵盖甲烷等气体的“温室气体净零排放”应加以区分。实现碳中和需要优先深度减排，再以可靠的碳移除平衡难以消除的剩余排放。
全球气候治理正朝着“合作共赢”和“公平包容”的方向持续推进，各国协同减排、科技创新和资金流动都在不断加强。实现碳中和的目标，既是减缓全球变暖的关键，也是各国实现可持续发展的重要机遇。
练习题
第1题 米兰科维奇旋回理论中，驱动第四纪冰期-间冰期旋回的最主要机制是什么？
A. 太阳辐射总量以10万年为周期大幅增减，导致地球定期进入和离开冰期
B. 地球轨道参数（偏心率、黄赤交角、岁差）的周期性变化，使高纬度地区（约65°N）夏季接收的太阳辐射量周期性改变，当夏季辐射量不足时冬季积雪无法融化，冰期由此开始
C. 地球磁场以10万年为周期发生极性反转，磁场减弱期间宇宙射线增多，导致降温
D. 大陆漂移使北极圈附近陆地面积以10万年为周期增减，影响反照率
第2题 南极冰芯记录显示，过去80万年自然状态下大气CO₂浓度大致在180—300 ppm之间波动，2023年已达约420 ppm。这说明了什么，以及与自然波动的最关键区别是什么？
A. 当前CO₂浓度虽然高于历史水平，但仍在自然变化的正常范围内
B. 2023年的约420 ppm明显超出过去80万年冰芯记录的范围；结合排放核算、同位素等证据，可以确认工业化以来的CO₂增长主要来自人类活动
C. 历史上CO₂浓度也曾超过400 ppm，因此当前变化属于正常自然波动
D. 由于冰芯记录存在误差，历史CO₂水平不确定，无法与现代水平比较
第3题 北极近几十年的升温明显快于全球平均。下列哪项描述了放大北极变暖的重要反馈机制？
A. 北极地区没有人口，缺乏工厂废热来源，因此升温主要来自自然因素，响应更快
B. 海冰和雪盖消融后，较暗的水面或陆地吸收更多太阳辐射，促进进一步升温和融化，形成正反馈
C. 北极大气层更薄，温室气体更容易散失，无法保温
D. 北极地区受洋流影响，来自热带的暖流量随全球变暖增加，将更多热量运至极地
第4题 青藏高原冰川被称为“亚洲水塔”，全球变暖导致冰川退缩对下游（中国西部和南亚）水资源的长期影响是？
A. 长期来看水资源将增加，因为冰川融水更多，河流流量持续增大
B. 在依赖冰川融水的流域，加速消融可暂时增加融水；越过“峰值水量”后，冰川储量减少可能使其融水贡献下降，加重供水压力
C. 冰川融化后土地裸露，蒸发量增加，局地降水增多，可弥补融冰减少的水量
D. 冰川退缩不影响下游水资源，因为下游主要依靠季风降水而非冰川融水
第5题 中国提出“2060年前实现碳中和”的目标，“碳中和”的含义是什么，实现这一目标的主要路径有哪些？
A. 碳中和是指完全停止一切碳排放，中国将在2060年前彻底关闭所有化石燃料工厂
B. 碳中和是指在明确的时期和核算范围内，优先减少CO₂排放，并以人为移除CO₂平衡难以消除的剩余排放，实现CO₂净零排放
C. 碳中和是指将中国的碳排放总量下降到“中性”水平，不再增加但也不减少
D. 碳中和是指购买国际碳信用额度，用别国的减排量抵消中国的排放