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人类行为造成的气候变化有可能演变为一场巨大的灾难，我们从什么时候开始就已经对此心知肚明？
在过去的几十年里，当代科学家对全球气候变化已经提出过很多次警告，最著名的一次是在1988年。当时的NASA科学家詹姆斯·汉森警告美国国会：“已有相当充分的证据可以证实，温室效应确实存在。”自那以后，科学家对这一问题达成了越来越多共识，民调也显示，美国有四分之三的人相信人类活动正在使全球气候变暖。尤其是当气候变化造成的恶果开始真实地显现以后，例如弗罗里达州基拉戈岛被洪水淹没、加州山火肆虐等，人们在这方面的认识更加一致。可以这么说，公众从未像现在这样热切地关注已然失控的气候变化问题。
其实，人类对气候变化的了解最早可以追溯到19世纪中叶，维多利亚时代的科学家进行了各项实验，首次证实了不受控制的二氧化碳终有一天会使地球的温度急剧升高。
换句话说，“全球暖化现象早在一百多年前就已经被人类发现了。”
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19世纪，科学技术突飞猛进，催生了人类对气候问题的早期研究。那时的科学家对热力学及其与化学和分子物理学的联系进行了研究，并为后人建立了这方面的知识基础。其中有一位是法国数学家和物理学家约瑟夫·傅里叶，他穷尽毕生精力研究了控制热量传递的力学原理以及方程式，但他一直被一个谜题吸引：为什么地球能够如此温暖？因为根据他估算出的太阳照射到地球的能量，地球的温度照理应该比现有的低很多。
对此他提出，造成这一现象的原因是地球的大气层。在一篇发表于1824年的论文中，傅里叶假设大气层中的气体形成了困住地球热量不让其流失的屏障，当时他还不知道是什么样的分子作用机制困住了地球的热量。但是在发表于1837年的《美国科学与艺术》杂志上的一篇论文中，傅里叶猜测，经过一段很长的时间后，地球表面的总热量有可能会发生变化。他提出了以下预言：“人类社会的发展和进步，加上大自然力量的作用，可能在地球的广泛地区引起地表状态、水资源分布以及大气运动等方面的显著变化。在几个世纪后，这样的变化一定会使那些地区的平均气温产生变化。”
这是人类对地球可能发生气候变化做出的最早预测之一——尽管当时，人类尚未弄清气候变化的原因以及气候将会如何变化，以及，究竟是何种气体会对气候造成影响。
1856年，当一项了不起的实验成功进行后，这个问题的答案出现了。美国业余科学家、杰出的妇女参政论者尤尼斯·牛顿·富特对不同气体的吸热能力进行了测试，这是历史上首次有人进行此类实验。富特将温度计分别放入几个圆筒状的玻璃瓶底部，然后给这些圆筒玻璃瓶灌满各种气体，包括极稀薄的空气、较浓的空气、湿润的空气以及含有“碳酸”的空气，即现在称为二氧化碳的空气。她把这些玻璃瓶放到阳光下晒热，再移到阴凉处让它们冷却。通过观察这些玻璃瓶的温度变化，富特发现，装着二氧化碳的玻璃瓶和含有水蒸气的玻璃瓶，比其他装着普通空气的玻璃瓶温度更高，而且它们在被置于阴凉处后保持热量的时间也更长。也就是说，她的实验证实了，含有水蒸气的湿润空气和二氧化碳是能够吸收热量的“温室气体”。
富特将实验结果写进了论文，并提出了一个惊人的预言：发生在装满二氧化碳的玻璃瓶里的事情，同样也可能发生在我们的星球上，“如果大气层中充满这类气体，地球的温度将会升到很高。”这篇论文发表在1856年的《美国科学》杂志上。
这是气候物理学第一个真正的实验，不幸的是，她的实验后来被人们遗忘。而且，当她要在美国最著名的科学组织——美国科学促进协会——面前展示她的研究成果时，协会不允许女性发言，因此，她的研究报告最后是由一位男性同事宣读的。一个多世纪以来，尤其是早期主要集中在欧洲的气候科学家，似乎都没有讨论或引用过富特的研究成果。加州大学圣芭芭拉分校研究员约翰·佩尔林写道：“那个时代对她来说，有三个不利因素：她是一位女性，她是一位业余科学家，而且她还是一位美国人。”直到最近十年，富特的研究成果才随着相关论文的出现而重新浮出水面。
19世纪爱尔兰物理学家约翰·廷德尔，1885年 图片来源：Wikimedia Commons
与富特的境遇相反，气候科学研究方面的聚光灯很快就集中在了爱尔兰科学家约翰·廷德尔的身上。廷德尔的研究领域广泛，而且他擅长制造各种精密的实验设备（也善于用科学实验回击当时社会流行的降神或与亡灵通话等做法）。同时，他也着迷于维多利亚时代科学界十分重要的一个研究议题，即究竟是什么导致了地球冰河世纪的出现？地质学家一直在寻找这方面的相关证据，以证明在过去的不同时期里，地球曾被大量冰川覆盖。这是一项令人兴奋的发现，但是科学家并不清楚地球的温度为何会出现如此剧烈的波动。
有一种理论沿用了法国科学家傅里叶的思路，认为组成大气层的空气成分是造成温室效应的罪魁祸首。如果空气成分发生改变，就有可能保持住或散发掉大气中的大量热量。廷德尔认为这是最合理可信的解释，1859年，他开始设法找出那些造成温室效应的气体。
这个问题正是富特在三年前刚刚探索和研究过的！但是，在廷德尔后来的论文中，他声称自己从未听说过富特。这给历史学家提出了一个难以证实的问题：廷德尔说的是真话吗？还是他在剽窃了富特的研究成果后又故意将她从自己的论文中剔除？关于这些不确定，存在着一些争议。有些人认为廷德尔在描述自己的实验时故意不提及富特做过的研究实验，也有人认为他确实完全不知道富特撰写的论文，因为，如果他读过富特的论文，他应该会为自己的研究设计出一套更为有效的实验装置。
不管怎样，在1859年到1860年间，廷德尔发明了一些具有独创性而且非常精确的实验装置，用于测试组成大气层的气体。他精心制作了一种长形玻璃管，将玻璃管的一端放进由高温金属块和沸水组成的系列装置中加热，再把各种气体装进这种长玻璃管里，用岩盐封口，接着测量能够通过这些气体的热量。与富特的研究成果相似，廷德尔发现，水蒸气和二氧化碳在吸收热量上具有非常强的能力：事实是，二氧化碳吸收热量的能力是干燥空气的1000倍。
这个实验结果令廷德尔感到震惊，他在1861年进行关于此项实验的学术演讲时也表达了这种心情。他说：“那些和我一样，一直被教导应当把无色气体看成是近乎完美的透热体（即对热量全无阻隔）的人，可能会像我一样因为目睹上述实验结果而感到震惊。”二氧化碳的吸热能力令人非常困惑，因此，廷德尔将实验重复做了数百次，以确保得出的实验结果真实可靠。廷德尔当时经历过的那种难以置信的感受，现在仍然可能使很多非专业人士感到震惊，尤其是如果人们了解到，大气中非常微量的二氧化碳（百万分之几的含量）竟然就能够对地球造成如此巨大的影响。
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人类在气候科学方面的最终进步出现在1896年，当时瑞典物理学家斯凡特·阿伦尼乌斯制造出了世界上第一个气候变化模型。
阿伦尼乌斯在做实验
和廷德尔一样，阿伦尼乌斯最感兴趣的是关于地球冰河世纪的争论。他希望能够计算出，究竟二氧化碳的浓度达到什么样的水平就会改变地球的温度。
幸运的是，阿伦尼乌斯有一些可供利用的新的科学数据：瑞典科学家、地质学家阿维德·霍格博姆当时发表了一篇论文，估算出地球上存在过的二氧化碳总量。另一位研究人员，塞缪尔·皮尔庞特·兰利也新发明了一种能够进行高度精确测量的热量探测器，他使用这种仪器测量了穿越大气层散发出去的总热量，以及受大气层阻挡留下来的热量。根据这些数据，阿伦尼乌斯开始计算当二氧化碳和水蒸气的含量发生变化时（他称之为“选择性吸收”），有多少热量会被阻挡并滞留在大气中。
根据历史学家伊丽莎白·克劳福德的记载，阿伦尼乌斯手工进行了“多达1万至10万次的计算”，这堪称一项苦力活。整个1895年，阿伦尼乌斯都在为获得这项数据而埋头苦干，他在给朋友的信中也曾抱怨这项“乏味”的工作，并一度悲哀地说，“这么微不足道的一件事竟然花去了我整整一年时间，真是令人难以置信！”
当阿伦尼乌斯完成计算后，他作出了一个惊人的预测：如果让大气中的二氧化碳含量增加一倍，地球的气温将会上升5至6摄氏度。令人赞叹的是，阿伦尼乌斯当年做出的分析时至今日仍然站得住脚。正如伊莎贝尔·希尔顿在2008年所写，阿伦尼乌斯得出了“一个即使在后来的一个世纪花费数百万美元再进行研究，也不会做出任何改变的结论”。现代气候模型的时代自此开始了。
尽管如此，阿伦尼乌斯和他的同行当时并没有担心全球变暖的问题，也没有因为工业化进程会使地球升温产生过焦虑。当时工业革命正在顺利进行，燃烧了大量的煤炭。但是，科学家都没有料到，化石燃料的消耗后来会变得如此巨大，以至于严重改变了地球的环境。在接下来的一个世纪里，数以百万辆计的汽车在道路上驰骋，发电厂通过燃烧煤炭发电，森林砍伐破坏着世界的碳汇（carbon-sinks， 指森林通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其储存和固定在植被和土壤中，从而减少大气中温室气体浓度的能力 ——译注）。阿伦尼乌斯确实预测了地球会发生气候变化，但是，这种变化将会非常缓慢地发生：根据他的推测，大气中的二氧化碳浓度上升50%，需要3千年的时间，即整整30个世纪。可是，现在仅仅过去了一个世纪，我们就使二氧化碳的浓度上升了30%。
说到灾难，令阿伦尼乌斯和他同时代的科学家更为担心的是，火山爆发可能会严重扰乱世界气候。几年前，印度尼西亚的喀拉喀托岛火山爆发，向空气中排放了大量二氧化硫，在一年多时间里使整个北半球的气温降低，这次火山爆发也导致了数千人死亡。19世纪的科学家知道气候突然发生变化会对人类造成致命威胁，但是他们想象不到气温的逐渐升高会带来什么样的危险。他们没有预见到，全球暖化将给人类带来了怎样的问题：例如，迁徙入侵物种造成的各种挑战、冰川消失后出现的复杂的生物圈反馈现象等。
实际上，阿伦尼乌斯认为一个更暖和的地球会给人类带来更多好处。在他于1908年出版的《正在形成的世界》（ Worlds in the Making ）一书中，阿伦尼乌斯这样写道：
这些想法在当时看来应该不错，遗憾的是，大自然并不与阿伦尼乌斯持相同想法。如果光看当今媒体上充满恐慌感的各类新闻，也许你会感觉地球暖化这件事似乎发生得很突然。那么，之前有人对此做过科学预测吗？答案是肯定的，而且，早在几代人以前就已经做到了。
（翻译：郑蓉）