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主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？十 气溶胶 -- 橡树村
气溶胶就是空气中固态或者液态的颗粒物的聚集。别看固体液体的密度比空气大上不少，当颗粒足够小的时候，这些东西也是可以漂浮在空中的。小到什么程度呢？差不多是在10个纳米到10个微米之间。这些微小的颗粒物聚集在一起，能够在大气中驻留至少几个小时，甚至更久，长达数天数月。不过虽然气溶胶停留的时间并不长，但是由于大自然和人类持续的排放气溶胶，整体来说大气总是能够保持一定量的气溶胶，其对气候的影响也需要考虑。实际上，这是一个非常重要的影响因素。
气溶胶是很重要的一个因素
气溶胶影响气候的方式非常复杂，也很热闹。下面这个图了解释大部分气溶胶对气候的影响过程。首先，最左边的一个，气溶胶会影响大气对太阳光的反射，也就影响了太阳光抵达地面的程度，这个叫做直接作用。但是究竟气溶胶会增大对太阳光的反射，还是会减少太阳光的反射，那可就热闹了。不同化学成分、形状的气溶胶，它们都不一样！究竟起到什么样的作用，要看这个气溶胶的光学性质，同时还与当时的湿度有关，大气中的气溶胶的分布状态，运动状态，高度，地点，也会影响到气溶胶对太阳光的反射。总的来说，可以部分吸收太阳光的气溶胶，如果处在颜色比较深的地球表面上空，比如海洋，或者森林，会减少太阳光对这些地区的辐射，是一个负的辐射强迫；而如果气溶胶处在很明亮的表面，如雪面，冰面，沙漠，或者云的上空，就可能产生正的辐射强迫。一般来讲，气溶胶影响的只是短波辐射，也就是从太阳来的辐射，但是如果气溶胶颗粒加大，就有可能影响到长波辐射，也就是地表发出的红外辐射，这自然就会增加了事情的复杂性。
气溶胶的直接和间接作用
然后呢，气溶胶还可以影响云的行为，这就是间接的影响。这就可以非常热闹了。云是在大气中聚集的水滴或者微小的冰颗粒，所以云也可以粗略分成水云和冰云两种，虽然实际上水云冰云经常混在一起。无论哪一种，大气中气态的水蒸气要凝结，都需要有一个种子，也就是需要大气中的固体或者液体颗粒，或者说需要气溶胶。如果大气中根本就没有这些颗粒，水的分压再高也是形不成云的，在温度比较低的高空，这种情况就比较常见，低空的话，因为气溶胶广泛存在，这样的时候不算很多。要是气溶胶少呢，相对来讲，形成的云的水滴就要大一点，就是左边第二个图显示的。气溶胶多了呢，就是左边数第三个图显示的，会增加云里面的水滴的数量，进而影响云对太阳光的反射。这个作用，被称为一级间接作用。这个具体的影响呢，也与气溶胶的化学成分、大小，和当时的温度有关。然后人们发现实际情况还要热闹。云里面的水滴小了，就会改变下小雨的可能性，左边第四个图画的就是这个；再向右边看，有可能会对云的高度产生影响，可能会影响到云的留空时间。这些都被称为二级间接影响。最右边的两个，说的是因为一些气溶胶对短波辐射的吸收，导致了对流层局部湿度和稳定性的影响，从而影响冰云高度变化以及稳定性改变等等，这个叫做半间接作用。很热闹吧？好在考虑辐射强迫的时候，现在还不考虑半间接作用，不过这个作用也不是被忽略的，而是作为反馈来考虑的。
对云的行为的理解，大约是目前气候变化研究最不确定的地方
这么复杂的行为，其认知程度就不要指望太高。对气溶胶的大规模研究起步的年头不多，所以相关学科进展很快，但是因为起步太晚，目前的认识水平基本上是中等水平。到了AR4的时候，已经可以在大陆地上分辨出什么地方大约都有什么气溶胶，也就可以判定那些硫酸盐、有机碳、炭黑、硝酸盐、工业粉尘等等的气溶胶的分布，而卫星监测的使用，地面监测站的建立，也收集了很多数据，可以用来建立验证各式各样的大气气溶胶模型。尽管如此，现在对单一气溶胶的直接辐射强迫的认识还很不足，不过总是已经有了一定的估计。
气溶胶光学厚度。
上图为2001年一至三月，下图为2001年八至十月。图中的白色和红色的小点显示了检测气溶胶的站点的分布
人类向大气排放的二氧化硫与水和大气中的氧特别是羟基反应形成的硫酸盐是气溶胶里面很重要的一个，在大气里面，基本上硫酸盐都是以硫酸铵、硫酸氢铵的形式存在的。大气中74%的硫酸盐都是人类排放的，72%来自化石燃料燃烧，2%来自生物质燃烧，大自然也排放不少的二氧化硫，海洋的浮游生物排放的二氧化硫占到了总量的19%，火山喷发也贡献了7%。在1990年代，估计二氧化硫排放的总量是每年91.7到125.5吨硫，其中66.8到92.4吨硫来自人类活动。人类导致的硫的排放目前已经在下降。欧洲目前硫排放已经从1980年的每年18吨降低到2002年的每年4吨，美国的硫排放也从1980年的每年12吨降低到了每年8吨，不过在亚洲以及其他发展中国家，硫排放目前还在增长，亚洲2000年代初期的硫排放大约在每年17吨。不过总的来说，从1980年到2000年，全球的二氧化硫排放已经从73吨减低到了54吨，其中北半球从64吨下降到43吨，南半球从9吨增加到11吨。这个硫排放地点的变化，也会对气溶胶的辐射强迫产生影响。对于硫酸盐的辐射强迫，研究者之间的差异还是不小的，从-0.21W/m2一直到-0.96W/m2，平均值在-0.46+-0.20W/m2。在AR4中，最终选定的数值是-0.41W/m2，取90%的置信水平之后，就是-0.40+-0.20W/m2。换句话说，硫的排放可以起到降温的作用。
气溶胶的辐射强迫分布
a) 人类排放的气溶胶的光学厚度；b) 与观测值的差异，显示自然排放的气溶胶的效果；
c) 短波辐射； d) 辐射强迫模型的标准偏差
e) 大气的短波辐射强迫； f) 表面的短波辐射强迫
化石燃料还会造成有机碳颗粒和碳黑进入大气，生物质燃烧也有类似作用。这个量，不同的研究者的估计也有不小差异。有人认为化石燃料每年向大气输送10到30吨的有机碳颗粒，8吨碳黑，也有人认为化石燃料提供的有机碳颗粒物和碳黑都只有两吨多，生物质燃烧实际上贡献更多的有机碳颗粒。一组数据说化石燃料燃烧每年提供2.2吨有机碳颗粒，而生物能源却贡献了多达每年7.5吨。这些颗粒自身对于太阳光照射的影响不算大，同时不同来源的颗粒影响也有区别，而这些颗粒又很容易与其他的颗粒聚集在一起，难以单独考察，这都把问题弄得非常复杂。目前的最佳水平估计，有机碳造成的辐射强迫是-0.05+-0.05W/m2，炭黑+0.2+-0.15W/m2，生物质燃烧+0.03+-0.12W/m2。人类还排放硝酸盐和其他矿业粉尘。硝酸盐的形成机制，是当大气中所有的硫酸盐都被氨饱和之后，余下的氨会缓慢氧化形成硝酸盐。或者说，在一些硫酸盐的影响下降的区域，会出现硝酸盐的影响上升的情况。目前的估计，硝酸盐颗粒造成的辐射强迫是-0.10+-0.10W/m2，矿物粉尘造成的辐射强迫是-0.1+-0.2W/m2。
对于人类排放气溶胶直接作用辐射强迫的各种估算结果
气溶胶造成的直接影响的总和，并不是这些数值的简单相加。这些单一因素之间即有重叠，也有干扰，简单作加法是不行的。把这些因素综合考虑，也需要对这些作用的充分理解，最终需要依靠模型来模拟计算。这方面到AR4的时候研究也刚开始不久，同时结合一些卫星得到的数据进行验证。不同来源的估算得到的总辐射强迫的数值差异也不小，从略微的正值一直到-0.8W/m2。AR4最终采用的是这些数值的综合，-0.50+-0.40W/m2，这里面的不确定性还是很大的。
人类排放气溶胶间接影响的辐射强迫估算结果
间接辐射强迫，也就是说对云的反照率，或者说对云对太阳光的反射的影响，研究仍然在起步阶段，这方面的认识水平很不高。这个影响的确非常复杂，不是所有的气溶胶都会影响云的性质的，所以就要研究究竟什么地方都有什么样的气溶胶，什么样的化学成分，颗粒大小，排放的时候当地的温度、湿度、风的情况、排放高度等等。而由于不同的云对于太阳的反照也有所区别，这里面还需要考虑形成的云的大小、水滴尺寸、冰晶比例，甚至云的形状都是一个不可以忽略的因素。对于已经形成的云，气溶胶也会对云产生一些影响。不打算在这里展开了，有兴趣的可以去看第一工作组技术报告的2.4节。和气溶胶的直接影响一样，对这个间接影响的估算，目前不同研究者得到的结果差异也非常大，从-0.3W/m2一直到-1.8W/m2。AR4又采用了谁也不得罪的方法，把所有人的结果都纳入了进来，选定了一个平均值-0.7W/m2，90%的置信区间是-0.3到-1.8W/m2。也就是说，气溶胶造成的对云的影响，增强了云对太阳光的反射，降低了抵达地球表面的辐射强度。
总结一下，气溶胶的研究还很初步。目前的估计，气溶胶的直接辐射强迫是-0.50+-0.40W/m2，间接的辐射强迫是-0.7[-0.3~-1.8]W/m2。气溶胶对辐射强迫的贡献，是人类活动对负方向的辐射强迫最重要的，数值也是最大的。可以预计这方面的研究的进步，会对人类活动的整体辐射强迫的估算有很大的影响，大约是对人类活动对辐射强迫估算的最大不确定性的来源。
不要忘了飞机的影响
影响云的还有一个一般人想不到的因素，就是飞机造成的航迹云。对流层的上部气温低，但是气溶胶也很难到达，没有晶种就行不成云，所以这里面的冰很多时候处在过饱和状态。而目前的飞机是可以很轻易的达到这个高度的，实际上喷气式飞机经常在这个高度活动。飞机经过之后，对过饱和状态的水汽造成影响，燃料燃烧排放的颗粒物来提供晶种，就会形成长长的凝结尾迹，也就是能见到的航迹云。这些云自然是可以反射太阳光的，不过这个云也可以吸收地面发射的红外辐射，并且从目前的研究结果来看，后者起到的作用还要大一些。对这个问题研究还不充分，认识水平并不高。AR4的估计，这个凝结尾迹对辐射强迫的贡献是+0.01[+0.003~+0.03]W/m2，基本上是正的强迫，但是数值很小。高空飞行器对于卷云的形成也会有影响，航空燃料燃烧后排放的气溶胶也对云的行为有影响。但是这两个影响，目前还没有了解。
气溶胶降落到地面以后，还会对地面对太阳光的反照造成影响。这个问题，下一节谈。
橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？11 土地变化及其他
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看来是形成云雨的一种重要原材料.
影响气温的系统太庞大太复杂了,每一个因素的估计、误差，或者了解还不够深入、考虑还不够周到造成的错误，最后，结果会不会谬以千里？
这个误差很大，误差范围甚至超过了一些并不很次要的因素的贡献值。这种情况，只能依靠在这方面更多的研究工作来弥补。
AR4的做法，是收集这方面的最新研究，来考察这个因素影响的可能范围，对目前水平下估计的数值做一个整理。应该说基本上不会有大的影响因素出现，但是误差对于具体模型的影响仍然有可能是显著的。对于整体的影响，颠倒正负关系的可能性是极小的，但是很多不确定因素加起来，对最终的总的辐射强迫的估计会带来很大的不确定性。
实际上AR4里面提到的工业活动以来人类行为造成的总的辐射强迫，数值是0.6-2.4W/m2之间，中间值是1.6，这个不确定范围还是相当大的，会影响到后面最终预测的可靠性。
不过这方面的进步也是比较明显的。比如这一节里面提到的众多因素，很多在上一个报告里面，连估计数值都没有，只能定性描述。
会不会谬以千里？不能完全排除这个可能性，只不过这个可能性很小。
事情总是要一步步来做的，在起始阶段，注意不要太执着于一时的观点就行。
前面讲过，在地球的总能量平衡里面，地表对太阳光的反照也贡献了不小的比例，将近10%的太阳光直接被地表反照。地表对太阳光的反照显然与地表本身的颜色、植被、地形、地貌有关。而人类工业活动以来，大规模改变了不少地方的地表覆盖物，这些变化，就会对地表对太阳光的反照造成影响。比如人类把大量的森林开辟出来，成为农田、牧场，就可以直接改变这个地区地表对太阳的反照程度。农田与森林的反照有很明显的区别，由于森林植被茂密，形状也不一，高低不齐，森林对太阳的反照就要少一些，而农田相对来讲整齐划一，也普遍比较低矮，这样对太阳的反照就要多一些。另外，在降雪的时候，森林很难会完全被大雪覆盖，总是有很多高耸的树木露出来，从而降低雪地对太阳光的反照，而农田基本上是一片平地，被大雪覆盖后比较均匀，对太阳光的反照就会比较强烈。
人类自1750年以来对地表的影响
上图：重建的没有人类影响的地面植被；下图：1750年与1990年农业（中）与农牧业（下）的比较
在1750年，人类农牧业用地的总面积估计是790到920万平方公里之间，占地球陆地面积的7%到9%。这些土地主要分布在欧洲、印度恒河平原，当然还有中国。然后，人类的农牧业用地就一直在增加，在1850年到1950年之间的农牧业用地增长非常迅速，到了1950年前后达到最高值。从1950年开始，农牧业用地总面积基本上稳定，并略有减少。到1990年，人类农牧业用地总量是4570到5130万平方公里，占地球陆地面积的35%到39%。和这个数值相对应的，就是森林覆盖面积的减少，估计森林减少了1100万平方公里。1950年代以后西欧和美国都有大量农牧业土地被废弃，这些地表重新被森林覆盖，与此同时，美洲、非洲和亚洲热带雨林在迅速消失，变成农牧业用地。
前面讲了，森林成为农牧业用地，会导致地表对太阳光的反照程度增加，但是对这个反照程度的估计可不这么容易，需要考虑的因素很多。不同的植被是有不同的反照率的，同样的植物，不同的生长阶段的反照情况也是有很大差异的，所以要得到可靠的反照估计，就需要对于全球各个地方不同时期所种植的植物有所了解，需要了解其播种、成长、和收割的时间等等。可以想象收集这些数据的难度。这个方面现在有了几个根据卫星扫描得到的数据库，有的已经可以精确到一公里分辨率，进步不小，一些研究者已经开始根据这些数据库来对反照的变化进行估算。因为IPCC比较的是1750年与现在的差别，那么1750年的状况是什么样子的，也是需要了解的。这就产生了很大的差别，不同研究者对于历史数据有不同的视角和解读方法，导致计算结果有很大的差异。已经有研究者把1750年的植被情况复原到经纬度半度的分辨率，是很不错的成绩了。其他会对估算造成影响的，还有对雪面的估计，比如积雪多长时间，是否可以覆盖地表和植被等等。综合起来，AR4采用的数据，是1750年以来因为土地改变对地表直接反射造成的影响，其辐射强迫是-0.2+-0.2W/m2，基本上说是一个不算很小的负方向的辐射强迫。目前科学界对这个问题的认识程度是中等。
雪对森林和农田的覆盖是不同的
人类向大气中排放的各种气溶胶最终都会降落到地表。气溶胶特别是炭黑沉积到雪面冰面上就会降低地表对太阳光的反照，从而导致一个正方向的辐射强迫。这方面需要考虑炭黑和雪究竟是怎么混合的，炭黑的大小等等因素，涉及到的面积也是一个不确定因素。相关研究有限，AR4采用的数值，是辐射强迫为+0.10+-0.10W/m2，认识程度低。
人类对地表的改变还会带来一些更加复杂的影响。比如直接改变地表的辐射率，比如对水的输送和挥发的影响改变水汽的运动模式，改变潜热和焓的比值（鲍文比Bowen Ratio，衡量传导与挥发潜热的比值的参数，气象学的一个重要参数），改变空气动力学粗糙度（影响大气的摩擦拽力和热量以及水汽传输的参数）。这些奇怪的气象学名词，都会对接近地表的空气温度造成影响，会对湿度有所影响，影响降雨，也会影响风速。比如人类的灌溉行为就可以改变地表的水汽输送，从而影响地表的能量平衡。人类使用水导致的挥发只占大自然水挥发量的1%，其中70%的用水目的是灌溉。灌溉对温度、湿度、降雨的影响还是有的，甚至对全球的温度和湿度都有影响。比如有研究说亚洲的农业灌溉导致了对流层底部水蒸气含量增加1%，导致+0.03W/m2的辐射强迫。不过，灌溉导致的挥发增加，实际上把地表的能量带入到大气中，在地面，会导致温度降低，同时，灌溉用水也会对大自然的水循环造成干扰。森林减少也会影响水的挥发，等等。这些因素更多的要归结到非辐射强迫里面，不能用套用辐射强迫的概念。人类使用化石燃料也会导致水蒸气的排放，这方面的影响远远低于灌溉用水的影响。总的来说，这方面的认识水平还非常低。
灌溉会影响水的分布，水的挥发，进而影响地表的能量变化
还有很多很复杂的作用。比如农田本身对尘土也有影响，这里面也会对辐射强迫产生贡献。人类排放的一些气体，比如二氧化碳，会影响植物的呼吸作用，从而对鲍文比产生影响，进而影响其他。不过这些因素里面，有一些属于强迫，有一些属于反馈，很多时候很难分辨。这些都归结到非辐射强迫里面，并不在辐射强迫的概念内讨论。对这些问题的认识程度也还很低。
人类活动在地表直接释放的能量，比如加热建筑物、大型机械的工作、汽车里面内燃机的燃烧等等，也会把能量排放到环境里面。这个因素不会对辐射强迫直接产生影响，但是与地球的总能量平衡有关，也可以用W/m2来衡量。这些人类直接的能量排放，基本上都集中在城市里面。在人口集中的地方，人类把大量能量排放到环境里面，影响当地的能量平衡。在城市，这个能量可以达到65W/m2，还是很大的数值。即使没有这些能量排放，因为城市内缺少植被，也会造成城市热岛效应。一个对东京的研究说，在白天，这个数值可以达到平均 400W/m2，而在冬季可以达到 1590W/m2。不过这个因素对于城市气候影响虽然很重要，但是在全球尺度，仍然是一个很小的因素。毕竟城市的面积仅仅占地表面积的 0.046%，全球平均下来，仅有0.03W/m2，对总能量平衡贡献微乎其微。
城市热岛效应
讨论到这里，人类行为对辐射强迫的影响基本上就讨论完了。有人提出水蒸气这么重要的温室气体为什么不讨论，这里简单解释几句。某个因素能不能归结到这里面研究的辐射强迫里面，要看这个因素从1750年以来有没有自主的变化。也就是说，这个变化是因为大自然自身的变化，或者人类的行为导致的变化，并且，这个变化是自己发生的，不依赖其他原因。只有符合这个条件，才能归结到辐射强迫里面。水蒸气并不能自己主动变化，只能根据环境的变化而变化，是很多变化的结果。当然水蒸气在被动变化之后，会对其发生的原因产生增强或者减弱的影响，但是，这样的行为，是作为反馈来讨论的，而不是强迫。所以除了前面提到了人类灌溉对水蒸气的影响，水蒸气的研究都不列入辐射强迫。这不等于水蒸气的行为不被考虑。在所有的气候变化模型里面，水蒸气都是非常重要的因素。在影响水蒸气的行为的各个因素里面，可能气溶胶的作用是最重要的，要高于其他因素的影响，但是这方面的研究还很不充分。
总结一下AR4里面研究的人类活动导致的辐射强迫。温室气体，二氧化碳 +1.66+-0.17W/m2，甲烷 +0.48+-0.02W/m2，氧化亚氮 +0.16+-0.02W/m2，氟氯烃 +0.32+-0.03W/m2，对流层臭氧 +0.35[+0.25~+0.65]W/m2，平流层臭氧 -0.05+-0.10W/m2，甲烷导致的平流层水汽增加 +0.07+-0.05W/m2。这些因素的估计，因为研究的相对比较充分，作用机理也比较简单，误差范围都比较小，研究的可靠性也比较高。这些因素之间又相互影响，所以不能简单相加。温室气体的总贡献被估算为 +2.63+-0.23W/m2，比这些数值的和要低。
剩下的两个重要因素的研究水平就要差很多了。气溶胶的直接效应导致的辐射强迫估计为 -0.5+-0.4W/m2，间接效应导致的辐射强迫估计为 -0.7[-0.3~-1.8]W/m2，航迹云的辐射强迫 +0.01[+0.003~+0.03]W/m2。土地变化的影响 -0.2+-0.2W/m2，气溶胶沉降对地表反照的影响是 +0.1+-0.1W/m2。这些因素，大部分都是造成负的辐射强迫的因素，误差几乎都可以达到100%甚至超过100%，导致的绝对数值的变化也很大，研究水平也不高。在这些领域的深入研究有可能会对人类活动影响的结论产生不小的影响。
人类行为的总影响，被估算为 +1.6[+0.6~+2.4]W/m2，或者说是从+0.6W/m2到+2.4W/m2之间。这个数值范围还是不小的。
人类影响造成的辐射强迫
温室气体的影响还有一个复杂的问题，在于温室气体在大气中的存在是有一定时间的，而对于不同的温室气体，这个时间还是有很大区别的。这方面，已经有很系统的关于具体某种温室气体在大气中留存寿命的研究，并引入了一个叫做全球变暖潜势GWP的概念，对这些温室气体在不同时间尺度下的影响进行量度。比如同样量的二氧化碳和甲烷，20年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势为1的话，甲烷就是72，而到了100年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势仍然是1，甲烷已经下降到了25，到了500年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势仍然是1，甲烷的则已经降低到了7.6。其他所有温室气体都有着一系列数值。
温室气体的时间效应
人类的影响说完了，那么，和大自然自身的变化相比，人类的影响究竟是大还是小呢？
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这么多的因素和数据啊。
我只能看看结论，那些数据会让人晕头转向。。。
做研究的都是各个领域各有各的研究者。IPCC的作用是汇总，自己不直接作研究。当然参与IPCC工作的人，都有各自的领域。至少可以说IPCC不直接资助研究。
橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？11 土地变化及其他
太阳对地球的重要性不用多说，太阳是影响地球气候气象活动的最重要因素。在地球表面的能量平衡里面，太阳实际上是唯一一个外部能量来源，没有了太阳的辐射，什么地面反照、云的反照、温室效应等等就都没有了意义。而太阳辐射的变化，自然就是影响地球表面平衡的一个最重要的因素。要研究1750年以来地表能量平衡的变化情况，自然就需要了解这期间太阳辐射的变化情况。
太阳是影响气候的最重要的因素
现代对太阳的观测已经比较充分。观测太阳辐射变化最方便的地方是在太空，这样，就需要人造卫星来对太阳到达地球的辐射进行直接测量。从1978年以来，人们就开始用人造卫星直接对太阳辐射变化进行观察，这当然是最直接的第一手数据。现在有四个独立的对太阳辐射进行直接观测的卫星系统，这些数据汇总在一起，成为太阳辐射变化数据库的一部分，给人们的研究提供了很大方便。这四个系统中，运行时间最长的是1984年开始运行的地球辐射收支卫星ERBS，然后是1996年开始的在太阳和太阳风探测器SOHO上进行的辐射和重力震荡的观测实验VIRGO，1999年开始运行的空洞变化辐射监测卫星ACRIMSAT，以及2003年开始运行的在太阳辐射和气候试验SORCE里面的全日辐射监测计划TIM。不过有了详实数据不等于就有了准确数据，测量本身需要校准，对仪器的漂移等等都需要进行一定的处理，这些处理的方法的差异就会对最终结果导致一些细微区别，不同卫星的数据也会有差别。下图里面展示了1980-2005年太阳辐射的两个分析结果，数据使用的是月平均值，显示的是变化的百分比。可以看到这段时间的观察，覆盖了两个太阳周期，2005年差不多处在即将达到第三个周期低谷的位置上。这里面，有一组数据比另一组数据在第二个周期的时候高了0.04%，这被认为很可能是来自仪器的偏差，而不是太阳辐射的实际变化，但是具体原因仍然未知。之所以有这个选择，是因为另一组并没有明显升高的数据与其他观测结果更符合。按照这个数据，基本上可以讲，最近的这两个太阳周期内，太阳辐射并没有很明显的变化。有人给出了一个辐射周期最小值有0.01%的增高的分析结果，不过数据误差达到了+-0.026%，也就是说，这个有可能存在的略微增高，不确定性还非常大。因此，从这些数据来讲太阳辐射从1980年以来在增强还是非常缺乏依据的。可以认为这两个周期内，太阳辐射的长期趋势不明显。或者说，这两个周期的时间相比较，地球平均气温的变化，与太阳辐射变化的关系不大。
1978年以来太阳辐射的月平均变化。两个颜色的数据来自两个不同的卫星体系
太阳周期就是那个明显的11年周期。每11年，太阳的辐射就从高到低再到高的走上一圈。伴随这个周期的，是太阳黑子和太阳光斑的周期性活动频率，但是具体的变化机理目前还不清楚。太阳辐射也有一个很广泛的频率范围，在这个11年周期里面，不同波长的辐射的变化也是有一些区别的。这方面的监测也已经有了，比如200到300纳米的紫外线，周期内变化1.3%，315到400纳米范围，变化达到0.2%，而400到700纳米的可见光范围，变化为0.08%，700到1000纳米的近红外区，周期内变化0.04%，1000纳米到1600纳米范围，周期内变化仅有0.025%。不同波段的能量分配也是不同的，对于地球温产生重要影响的主要是波长高于300纳米的可见光和红外辐射。由于太阳辐射的能量主要集中在400到500纳米之间，虽然紫外区的变化比例很大，但是能量的绝对值变化很小。综合这些因素，太阳周期内太阳辐射能量的变化幅度被定为是0.08%。
太阳的光谱。黄色为大气层顶部的光谱，红色为抵达地面的光谱。
光谱覆盖了三个波段，从左到右为紫外、可见光、红外
但是人类对太阳的精确观测也只有这三十年，这之前的数据就需要通过其他方法来重建。因为这个报告研究的是1750年工业化以后地球能量收支的变化情况，那么，就需要对这两百多年前的太阳辐射进行估算。太阳辐射的变化会影响到地球地磁的变化，以及一些宇宙同位素的量，通过重建地磁的变化情况，分析在冰芯、树木年轮里面的宇宙同位素的测定，就可能重建太阳辐射的变化历史。但是这个重建的理论目前仍然不完善。在2001年发布TAR的时候，使用的是1990年代的重建方法。这些方法假定太阳的辐射在已知的11年周期的基础上，还有一个长周期的变化因素。这个假定的依据有三个，一个是对其他类太阳的恒星的观测结果，认为太阳现在处于辐射变化比较大的状态，一个是对地磁的长周期变化的观察，最后一个是依据从宇宙射线同位素得到的太阳模型。根据这个理论，在1645年至1715年的蒙德尔极小值，比目前的太阳周期极小值的太阳辐射低了0.15%到0.3%。按照这些方法估算的1750年以来的太阳辐射强迫，最高的数值达到了0.68W/m2，其他几个研究也在0.3W/m2左右。TAR综合了1990年代的几个研究，最终给出的太阳的辐射强迫是0.3+-0.2W/m2，不过同时指出了这方面的认知水平还很低，对太阳辐射度的历史重建还没有可信的方法。2000年代初，对上述三个依据都有了新的认识。首先是判定太阳现在处于辐射变化较大状态的宇宙射线同位素依据没有得到重复，研究降低了这个论断的可靠性，然后发现地磁变化的长周期，实际上来源于仪器本身的漂移，经过修正以后，这个长周期规律也变得依据不足，至少变化幅度小了很多，再有，人们发现宇宙射线同位素、地磁等与太阳辐射的关系，可能不是简单的线性关系。这样，1990年代研究太阳辐射变化的三个基本依据都出现了问题，1990年代的研究结果也就不能使用。
树木的年轮对很多气候资料的重建都非常重要
2002年，有研究发现太阳的磁通量变化与辐射变化的关系，从而导致了2005年对历史上太阳辐射的重新估算。这个新的理论仍然使用地磁和宇宙同位素C14以及Be10的丰度数据，但是根据太阳开放磁通量的变化的模型，对从1713年到1996年26个太阳周期的太阳磁通量进行重建，进而重建了18世纪初期以来的太阳辐射变化。这项新研究的结果，是大大降低了这段时间内太阳辐射度的变化范围，所估计的17世纪蒙德尔极小值与目前太阳周期极小值的太阳辐射差别，仅为0.04%，仅是1990年代估计的数值的三分之一到七分之一。对于更古老的，1610年以前太阳能辐射度数据的重建显示在12世纪时候的中世纪极大值与目前的周期极大值基本相当。不过这方面的了解仍然有欠缺，在AR4整理的时候，研究人员正在试图建立太阳磁通量变化导致的太阳风的变化，继而影响宇宙同位素的变化，以及后续的一系列物理化学反应的模型。这方面的初步研究结果，指出了最近的70年以来，太阳的活动水平明显高于过去的8000年以来的太阳活动水平，有显著的增强。不过在扣除了化石燃料对C14的影响之后，这个结论有了修正，发现最近70年以来的太阳活动的确仍然在增强，太阳活动水平的确是历史上的高水平，但是并不是特别的高。
两个2000年代初期的太阳辐射变化的研究结果。可以看到最近70年太阳辐射的增强，周期波动幅度增大
太阳辐射基本上在1365-1366W/m2附近变化，按照上面的说法，从蒙德尔极小值到现在的周期极小值升高了0.04%，实际增加的辐射就是0.5 W/m2。这个单位不是我们在考虑辐射强迫的时候使用的单位，而是单位截面积上太阳的辐射。由于辐射强迫考虑的面积是对流层顶的表面积，所以把太阳辐射转换成辐射强迫，需要把数值除以4，因为球体的表面积正好是截面积的4倍。这样，从蒙德尔极小值到现在的太阳周期极小值之间的辐射强迫，就是0.1W/m2。由于11年周期的幅度变化也有不同，最近这个幅度也有增加趋势，所以总的太阳辐射能量增加要高于极小值的增加数值。重建结果是从1750年到现在太阳辐射总量增加了0.05%，相当于+0.12W/m2的辐射强迫，这个数值比TAR时候的估计大幅度降低。有研究专门探讨了这个增加的上限和下限。对上限的估计是0.12%的变化，相当于+0.30W/m2的辐射强迫，对低限的估计为0.026%的变化，相当于+0.06W/m2的辐射强迫。这样，就有了AR4中采纳的太阳辐射强迫范围，+0.12[+0.06~+0.30]W/m2。对于认识水平，AR4认为认识水平虽然比TAR的时候有所提高，但是仍然处于较低的水平。
影响云的因素实在太多了
太阳辐射还有一个间接影响。大气宇宙射线离子和太阳周期有关系，而这个大气宇宙射线离子会影响全球平均的低层云覆盖，具体的作用可能是改变云凝结核的分布，以及云滴数和浓度等的分布，进而对云的反照产生影响。这方面，人们刚发现这里面的可能关系，详细情况和机理都仍然缺乏了解，另外这个问题本身还有争议，更无法定量研究。太阳辐射里面的紫外部分，因为基本上被平流层的臭氧层吸收而不计入辐射强迫，但是这部分的能量变化幅度最大，实际上贡献了整个太阳能辐射能量变化的15%。这部分会对平流层的臭氧产生影响，能导致全球臭氧浓度2-3%的变化。对这个问题认识也非常初步，还无法定量研究。
臭氧层吸收了绝大多数300nm一下波长的太阳辐射，保护大地的生物
总结一下，AR4中使用了当时最新的研究结果，认为1750年以来，太阳的辐射强迫仅为+0.12[+0.06~+0.30]W/m2，这个数值远远小于前面提到的人类活动造成的辐射强迫+1.6[+0.6~+2.4] W/m2。换句话说，AR4认为太阳在这段时间内的辐射变化，小于人类活动造成的影响。不过需要注意，AR4认为这个问题的认识虽然有了进步，但是水平仍然较低。
1100年来的气候辐射强迫重建。
上面第二个为太阳辐射的重建，第一个为火山影响，第三个为其他因素影响，即人类因素影响。
下图为北半球陆地平均温度重建
太阳辐射如此重要，但是这方面的研究水平却很低，这自然就给这个数值的估算留下了很大的争论空间。如果有研究认为太阳的辐射强迫很大，高于人类的影响，那么，太阳辐射变化自然就会成为气候变化的最重要原因。这里面，应该能看到不同的意见的。这些估算的方法是否合理，恐怕就不是我们这些外行能评价的了。实际上，大自然对气候的影响里面，太阳辐射是唯一一个会导致增温效果的。另外一个影响气候的原因，火山爆发，产生的影响正好相反。下一节讲火山的影响。
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这么一个特别重要的因素，结论就是如此，说明我们对很多看法，不能太执着。很多时候，应该是在“现有”理论下，姑且知道有这么一种“说法”。
这一节里面，其实我有很多名词不明白，比如“磁通量”。“磁”对我来说是大自然里很神秘的东西。我只知道：正两价的叫“亚铁”，比如，FeO，正三价的叫“铁”，比如，Fe2O3。要是Fe3O4呢？那是两个三价铁和一个两价铁的混合，所以有磁性了，就是磁铁矿，可是为什么这样会有磁性我不知道。
地球会有磁性，是因为它有铁芯吧？可是为什么有铁芯就有磁性了？磁通量，那是什么玩艺儿。。。
很多问题上科学都有局限性的，要了解这个局限性。对于这方面的问题，既不要过于轻信，也不要因为科学界改了说法而彻底不信。因为科学界有争议而扣帽子就更没有必要了。保持一个客观的态度就好。
磁的来源是电子，每一个电子都是一个磁子。电子有一种形态，以自转来描述，有两个方向，不同自转方向的电子产生的磁场方向就不一样。对于大多数物质来说，两个自转方向的电子数量相当，这样整体就没有磁性了；但是对于一些物质，因为各种各样的原因，某个自转方向的电子比另一个方向的多，那么这个物质就有了磁性。
地球本身就是个大磁铁，就是有磁性的。
磁通量是描述单位面积上通过的磁的量的，是一个描述磁场强度的量。
地球的磁性来自于地心融化的铁核和地球的自转，金星就没什么磁性，因为自转太慢了。
太阳风和电磁场对地球气候的影响还不清楚。正如村长描述的，现在能观测到的太阳辐射变化是很小的，特别是考虑到大气内部因素对辐射的影响，很难用太阳辐射变化来解释气候的变化。现在看来，地表/云层/大气反射率对辐射平衡的影响超过了太阳辐射本身的变化。
影响地表能量平衡的自然因素里面，太阳辐射的变化是外来的因素，火山活动就是来自地球的内部因素。火山爆发是非常剧烈的地质运动，在火山喷发过程中，地壳破裂，地壳下面的各种气体、液体都释放出来，喷发本身还伴随着大量灰尘的释放，很是壮观。火山的成因和危害这里就不说了，这里只讲火山对气候的影响。
1991年皮纳图博火山喷发是20世纪最猛烈的一次火山喷发
由于火山喷发是相对罕见的事情，所以对于大多数火山喷发，至少是人类有史以来的火山喷发，火山喷发本身的能量释放，喷出来的岩浆对气候的影响就可以忽略。所以火山喷发对气候的影响主要来自气体和灰尘。火山喷发可以带来不同的气体，一般来讲，最多的就是水蒸气，然后是二氧化碳和二氧化硫，其他的，硫化氢，氯化氢，氟化氢也是很常见的火山气体，另外还有一些更加复杂的化合物，不过量都很少了。喷发出来的水蒸气虽然最多，但是一方面水蒸气在大气中停留的时间只有十几天，影响时间短，另外一方面这个量与全球水循环相比可以忽略，所以目前在研究火山对气候的变化的时候并不考虑。二氧化碳是重要的长寿命温室气体，总有一些人认为火山喷发的二氧化碳比人类多，实际上平均下来，火山喷发的二氧化碳每年只有1.3-2.3亿吨，虽然不是一个小数字，但是比起来人类目前排放的将近300亿吨二氧化碳来讲，数值上低了两个数量级。所以火山喷发的二氧化碳对气候的影响也可以忽略。火山对气候影响的最重要因素，就是二氧化硫。
皮纳图博火山
火山喷发出来的气体可以高达16-32公里，可以进入平流层。这样，二氧化硫就直接进入了平流层。在平流层里面，二氧化硫经过缓慢氧化，与平流层里面的羟基反应，形成硫酸，进而形成硫酸盐，形成气溶胶，气溶胶逐渐沉积抵达地面。这个过程也不是特别缓慢。描述这个过程的速度的，是一个叫做指数递减时间e-folding time的概念，说的是反应物浓度降低自然底数e=2.71828倍数所需要花费的时间。二氧化硫氧化形成硫酸和硫酸盐气溶胶的指数递减时间是35天，而硫酸和硫酸盐形成的气溶胶沉积的指数递减时间是12到14个月。火山喷发出来的灰尘主要成分是硅酸盐，这些硅酸盐颗粒一般都在2个微米以上，所以可以很快从平流层中清除，对气候的长期影响不大，但是对于爆发后的气候有显著的短期影响。总的来说，火山喷发形成的硫酸盐气溶胶是对气候影响起最主要作用的一个因素。由于在平流层形成气溶胶，而硫酸盐气溶胶可以增强对太阳辐射的反照，所以这些气溶胶的就会产生一个负的辐射强迫。
火山喷发对气候的影响
对火山喷发形成的气溶胶的辐射强迫进行估算，就需要对气溶胶的形成有清晰地了解。这方面，通过长期的地面观察以及探空气球的测量，人们已经积累的不少知识和数据，不过在卫星时代之前，人们对于全球的变化仍然缺乏直接全面认识手段。1980年代使用卫星对平流层气溶胶进行观测之后，人们就掌握了这个问题的第一手资料，特别是从1980年代开始的专门的平流层气溶胶和气体试验更是专门对这个问题进行观测、研究，积累了20多年的详细数据。这期间地球有两次大的火山爆发，正好也是20世纪最大的两次，1982年的墨西哥埃尔奇琼El Chichon火山爆发，1991年的菲律宾皮纳图博Mt Pinatubo火山爆发。这两次产生的影响，都得到了非常全面的记录。火山爆发后形成的气溶胶会被大气输送到极地地区，高寒地区，这样，这些气溶胶就会被保留在冰里面。通过研究冰芯里面的颗粒物，就可以重建气球的火山喷发历史。当然，大气对气溶胶的输送远没有对气体的输送那样有效均匀，受到气溶胶的高度分布影响，受到很严重的噪音干扰，所以这方面的数据不确定性仍然不小。怎么说也是直接观察最可靠，到目前为止，人类观察最充分详细的，就是1991年的菲律宾皮纳图博火山爆发，在这个火山爆发之后，一直到AR4成文的2007年，都没有可能影响气候的火山活动，这期间，很明显观察到了平流层气溶胶的浓度下降，这些气溶胶的光谱特性也一直被跟踪研究，对于火山爆发后的气溶胶行为有了不错的了解。根据这些知识，人们开始重建历史上的数据，下图列出了两组重建的19世纪末起到20世纪末的火山气溶胶圈可视光深的数据。
两组对19世纪后期以来火山喷发导致的气溶胶的光深变化
已经有人开始对火山喷发时候的辐射强迫进行计算，比如研究最充分的皮纳图博火山，喷发时产生的辐射强迫可以达到-3.0W/m2。不确定性仍然很大，因为气溶胶的尺寸分布对光学性质又不小的影响，而气溶胶尺寸估算和重建又很困难，这就是一个重要的误差来源，不同研究者之间的研究结果差异还是不小的。对过去的主要火山的估算，只有19世纪末期以后的还可靠一些。火山喷发产生的气溶胶对气候的影响大约有这么几个方面。首先，气溶胶产生的辐射强迫可以直接影响地球的能量平衡，这样，会对地表平均温度造成影响。然后，这个气溶胶存在一个水平和垂直分布，这样就会对平流层的循环造成一定影响，进而影响对流层。再有，这些辐射强迫还可以对对流层内的一些变量产生影响，对气候构成干扰，可能触发、放大、衰弱、改变一些气候事件。最后，火山气溶胶还可以改变臭氧层的分布，火山喷发出来的一些少量气体，也会与臭氧反应，在一定的时间内造成干扰。总而言之，火山喷发会影响很多其他气候现象，把整个系统弄得非常复杂。这些因素综合在一起，结果就是人们对于火山喷发造成的长期辐射强迫还没办法估计。由于火山的短期性，不连续性，给出这个数值还是很困难的。在TAR的时候就没有给出火山气溶胶的辐射强迫，到了AR4，虽然人们在这方面的了解有所增强，但是还是给不出这个辐射强迫。无论如何，这是一个负的辐射强迫是大家都肯定的，但是数值究竟是多少，仍然不知道。自然，虽然人们对皮纳图博火山喷发着一次了解得很不错了，但是整个领域的科学认知程度，仍然是低水平。
皮诺图博火山喷发之后的日落
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