气候变化/科学

气候变化在过去几年里成为一个“热门话题”，并且随着美国气候变化政策与世界其他地区和科学界的背道而驰，这一问题变得更加突出。然而，气候变化首先是一个科学议题。在本维基教科书中，我们将详细探讨气候变化的潜在科学原理。气候研究（有时称为气候学或气候科学）实际上是一个相对年轻的领域，但其根源在于所有主要的科学分支。它最容易与大气科学（及其旧名称，气象学）和海洋学联系起来。它还与冰冻圈（冰川学）、生物圈（生物学、生态学）和岩石圈（特别是通过化石燃料的开采和燃烧）有着密切的联系。利用基本的物理原理，我们将揭示气候变化科学及其与其他自然科学的联系。我们将看到，计算机模型、当前观测和古代气候研究如何汇聚成一幅关于近期未来的清晰图景，其中包括持续的全球变暖、水文循环的增强、海冰减少、冰川和冰盖缩小、海洋酸化加剧、海平面上升以及更频繁的极端气候事件。

许多气候科学的基本概念直接源于基础物理学。运动方程与控制所有经典流体动力学的基本方程相同，许多能量转移基于辐射传输和核物理以及光谱学的著名原理，许多观测基于地质、化学和生物过程和方法。所有这些都表明，气候科学是一个多学科领域，具有多样化（有时甚至是彼此独立的）的兴趣和应用。它唯一的统一目标是：理解控制我们自然世界的物理过程。这些相同的物理原理也适用于理解气候变化。主要的区别在于，气候变化研究试图量化差异或趋势，而不是描述气候的平均值或自然变异性。过去的变化和未来的变化以类似的方式进行研究，尽管有时会使用不同的工具，正如我们将看到的。

例如，当大气成分发生变化时，例如二氧化碳浓度的变化，大气的辐射特性也可能发生变化。在没有大气的情况下，地球看起来很像一个黑体辐射体；也就是说，太阳照射地球，地球会升温到平衡温度，然后达到平衡。这种平衡（辐射平衡）将使地球向太空辐射与太阳传递到地面的能量一样多的能量。主要是因为地球很小，并且拦截了太阳辐射的能量很少，因此辐射平衡温度远低于太阳的温度。利用维恩定律，我们可以计算出该温度并确定地球是一个红外辐射体。

当存在大气层时，例如地球上的大气层，构成大气层的一些气体可以吸收红外辐射。光子和分子之间的这种相互作用会增加大气温度，然后大气以略微不同的波长辐射。大气辐射既向太空辐射，也向下辐射，回到地面，在那里被地表吸收。这种过程，即从地表辐射的能量被大气吸收，然后大气将能量重新辐射回地表，被称为温室效应，它是气候系统中一个基本的反饋过程。它将地球的表面温度从辐射平衡温度提高到一个更适合生命存在的温度。全球变暖，或人为全球变暖，是指在二氧化碳人为升高的情况下，与参考状态（通常取工业革命前的时间）相比，全球平均温度的差异。在本书的其余部分，我们将研究与气候和气候变化相关的过程，从太阳的影响，到自然的温室效应，再到观测到的大气成分变化。我们将重点关注被认为在稳定和放大全球气候变化方面发挥重要作用的反饋和过程。