联合国政府间气候变化专门委员会（International Panel of Climate Change,IPCC）第四次评估报告说：
“①从1906-2005年，全球地表平均温度上升0.74℃±0.18℃。近150年气温最暖的12年，有11年出现在1995-2006年。②20世纪全球海平面上升0.17m；1961-2003年间平均上升速率为1.8mm/ 年；1993-2003年平均上升速率是3.1mm/年。③全球南北极，高山积雪融化，冰川退缩。”
目前气象界和社会公众间流行的看法：这是CO2惹的祸。因为找到了CO2浓度和气温上升间的关联。工业革命前大气中的CO2浓度是280ppm，2005 年增加到379ppm，1958年更增加到379ppm。这就是说，最后50年间增加了约20％，（而过去65万年间的变化是180-330ppm）。近 10年（1995-2005）CO2的浓度增长是1.9ppm/年, 而1960-2005年间仅为1.4ppm/年。当然还有其它温室气体如CH4等等的变化，其含量较小。此外还发现,地球北半球的CO2浓度比南半球的高约2-3 ppm，这可能表明，人类文明活动导致大气CO2浓度增加。
总之，自工业革命以来，CO2的浓度增加得越来越快，并且这一增加和气温的升高呈很强关联。但是,关联并不一定就是因果,更不一定是唯一的因果。不过,通过CO2光谱的研究表明：正是这类温室气体对地球长波辐射强烈的吸收,会增加地面温度,即温室效应。通常,和这一温度变化所对应，在大气顶层,即对流层顶层,有一辐射能流的变化，气象学家又称为辐射强迫。为此，气候学家们进行了大量计算。从1750年算起，和全球气温升高对应的,并只和人类作用有关的辐射强迫为 +1.6W/m2(0.6-2.4)(以上数据引自《大气辐射学》，6.1.2节，石广玉，科学出版社，2007)。应该指出：这类计算带有很大的不确定性，不仅是因为这里的各种物理过程极为复杂，而且涉及大数相消。作为对比，只需指出：在大气顶层，入射的平均太阳辐射流强是342W/m2，而辐射强迫的数量级只是辐射流强的0.5%。
因此，对全球变暖和温室气体的作用问题，在科学界内部和外部都存在很大的争议。一个有趣的例子是去年在Skeptical Inquirer（注：这是国外一本以揭露伪科学闻名的杂志）上，美国NASA Goddard Space Flight Center 的天体物理和物理学家，终身教授 S.D.Jordan发表了一篇表明政策的长文（见Skeptical Inquirer,Vol.31, No.3(2007)p.32），支持并解释IPCC 评估报告，并声称对这一问题科学家们已取得完全一致的意见。可就在此文还没有完全刊登完（文章是分两期刊登的），编辑部就收到大量读者来信，有激烈反对的，也有竭力支持的。为此编辑部随后发表了部分读者来信 (ibid,Vol.31,No.5（2007）,p.59)，并附上了作者的回答。这个例子生动证明了科技界远没有取得一致意见。
事实上，在科学界内部，有不少人对近百年气温升高的原因是否只是或主要是人类排放温室气体增加而引起，持有不同观点。本文以下介绍的，就是2000年在欧洲日内瓦高能物理研究中心实验室CERN，曾正式提出一项实验建议，研究宇宙线和大气中凝聚水滴形成的关系，全名是“Cosmic Leaving Outdoor Droplets”,简称“CLOUD”的研究项目。这是一项有多家欧美及俄罗斯著名实验室共同提出的国际合作实验项目。原建议见CERN/SPSC 2000-021,SPSC/P317, 随后，又在2004年和2006年分别补充了一些实验方案和各参加国实验室的批准文件(见CERN-SPSC-2004-023,SPSC-M- 721;CERN-SPSC-2006-004,SPSC-P317Add3; 以及CERN/SPSC-2000-041SPSC/P317 Add.2。)。这一实验项目终于在2006年获得CERN的正式批准，并已在这之前开始了工作。上述文件，连同其引文，充分反映了相当一部分学者所持不同观点。本文以下的内容，如不加说明，都取自以上文件。现在摘要介绍如下：
二、有没有别的因素可以导致气候变暖？
1.太阳辐射本身周期的及长期的变化对气候的直接影响
最早在1796年，英国天文学家W. Herschel就注意到英格兰小麦的价格在太阳黑子多时会下降，少时就上涨。就是说，太阳的活跃期和地球上的气候存在着某种关联。太阳黑子多时，气温较高，小麦的收成较好，于是，价格下降；反之，就上涨。历史上1645-1715年小冰期时，太阳几乎没有黑子，与这一现象对应，是当时的历史文献，都记载了欧洲出现了反常的低温。但是，近代由卫星上提供的测量数据表明：在太阳活动的两个周期内，最大和最小（黑子数）太阳辐照的改变只有0.1%，对应所贡献的辐射强迫只是0.3W/m2，只是对CO2贡献所作估算+1.6W/m2的1/5。更详细的分析，表明太阳辐射强度引起的变化，只有+1.6W/m2的 3%。虽然太阳辐射是地球的最大能量来源，虽然这也是不可忽略的因素，但这一“最大能量”的“变化”，不足以解释现在的升温。
2.宇宙线变化的直接影响
太阳的周期变化不仅只反映在电磁辐射的变化，还反映在对行星际磁场和地磁场的激烈扰动，以及粒子束，也就是太阳风等的变化。到达地球的宇宙线的强度将会受到这种扰动的调制，在黑子极大时变弱，反之变强。也就是说，太阳活动水平和宇宙线之间存在着强烈的反关联。
图1 地面中子计数管探测宇宙线的结果
图1中的粉红线和绿线分别表示两个地面观测站，美国Climax和秘鲁 Huancayo用中子计数管测量宇宙线强度的50多年的结果。可以看出，这50年来明显呈现出11年的周期变化。与此同时，太阳辐射或黑子强度的周期变化也在图上用深绿面积给出。这里可以清楚地看到，二者的极大和极小正好相反。还可以看到，两观测站因纬度不同，地磁场对入射粒子截止能量不同，其中太阳的调制对宇宙线的低能部分影响更大。因此，在高纬度观测到的宇宙线和太阳的活动有更强的关联，而临近赤道地区，就只有较弱的关联。
实测给出，在太阳极大和极小时，全球平均的宇宙线流强改变约为15%。这是地表上观测到的几个最大的与太阳活动有关的现象之一。但宇宙线能否影响气候变化？这是需要证明的，因为关联并不等于因果。宇宙线所能直接贡献的能量是极为有限的，约是 10-9的量级，如没有任何“放大”机制就太小了。
3.关键的工作是1997年，Svensmark和Friis-Christensen提出（J.Atm.Solar Terres.Phys, 59(1997)1225），宇宙线强度的变化和地球大气层中的云量覆盖厚度的变化有关联。
图2 宇宙线和全球云量的关联的变化
图2给出的是卫星上测得的数据，表明宇宙线强度的周期变化和全球云量变化存在关联（H. Svensmark, Phys.Rev.Lett. 81(1998)5027）。数据显示，在一个太阳周期内，“方格”所表示的全球平均的云量的相对变化可达到~5％；“虚线”所表示的是太阳10.7cm 射电波辐射（注：这是太阳辐射频谱中穿透本领较大，可直达地面的波段）的变化曲线；“实线”表示的宇宙线的数据取自 Climax中子测量数据。实际上，云量的数据只选取了在海洋上空的数据。以上所有数据都作了12个月的平均。
由图2可看出，云量的变化和宇宙线的变化高度“同步”，呈显出正关联。但以10.7cm 射电波为代表的太阳辐射似乎滞后至少约两年。如果此图上所显示的关联是真实的，一种可能的解释是：宇宙线的增强导致云量的增加，而云量的增加会屏蔽太阳辐射，最终使气温下降。但是，为什么宇宙线增强会导致云量增加，这要给出理由，给出证明，而且，仅有一个观测到的“关联”的数据显然是不够的。
图3 云量随宇宙线强度的变化
4.图3 给出的是另一些从卫星上获得的有关全球云量的数据
为使读者不陷在细节之中，这里只给了低层云（< 3.2Km）结果（数据来自 ISCCP-D2 的红外数据库）。图中实线是按月平均的云量变化，虚线是Climax中子管宇宙线的测量数据。
这里人们又一次看到这种强关联。
图 4 1984－1994年 ISCCP-D2 数据库的中另一组低层云的测量结果
5．图4 是1984－1994年ISCCP-D2 数据库的中另一组低层云的测量结果
“实线”是宇宙线强度变化曲线，“虚线”是10.7cm辐射强度变化的曲线，“方格”是全球平均云量的相对变化。这一数据综合了多个卫星的测量，所以云层数据覆盖了全球，而且是昼夜不停的取数结果。
6.以上结果似乎表明：太阳的周期变化引起宇宙线的变化，并通过宇宙线和气候发生关联
这里云层起放大的作用，当宇宙线变强时，低层云会增加，这就使得反射出去的辐射能会比吸收的更多，因而导致气候变冷。
如果真是如此，从上述强关联，人们曾估算出：太阳一个周期的变化能使辐射强迫增加约1.2W/m2，而如上所述，上世纪由CO2产生的辐射强迫是1.6W/m2。这表明这一“效应”，绝不可忽视，因为1.2W/m2是1.6W/m2的75%。
但这一变化，即使是真实的，也只是一种周期约为10年的周期变化。所用到的数据是用粒子探测器探测宇宙线强度，只有近50年的历史，而现在讨论的气候变暖是过去约100年的持续变化。所以必须找到宇宙线长期变化的数据，还要找到这种变化和气候存在着强关联的证据。
7.为此，首先要找到宇宙线在历史上确有长期变化的证据,一个重要的数据来自同位素14C和10Be的测量。
宇宙线会引起大气层中原子核释放出中子的散裂反应，由此会在大气中不断产生14C和10Be。14C 的半衰期是T1/2=5730±40 年，产生率是~2.5原子cm-2 s-1；10Be 的半衰期是T1/2=1.5百万年，产生率是~3.5.10-2原子cm-2s-1。
14C产生后在大气中很快以CO2的形式存在，并在经历约4年的平均周期后，会被植物等生物圈和海洋吸收，其中相当部分会重新回到大气中。但是进入植物体组织等固体中的14C的成分一般不会重返大气，所以能保留当时大气中14C的相对浓度，以后随14C的半衰期而衰减。
10Be产生后会迅速被联接到气态或液态的气溶胶中，经过约1至2年后，会随雨水或雪水降落到地面上。其含量反映当时宇宙线强子成分的强度。
实测结果是：
图5 近100年来Be10丰度和太阳黑子的变化
对格陵兰岛冰芯中10Be浓度的分析表明：图5中上一曲线表示10Be浓度的变化，由此可知100多年来宇宙线强度是在减小。现在的极大值比1900年的极小值还小。和上世纪相比，平均减弱~15%（10%-25%）。图5给出了这一结果。这一趋势与中子探测器近50年的测量结果相符。
图5中上部的曲线清楚地显示着10Be的浓度峰值和下部曲线所表示的太阳黑子的数量的变化呈反关联的关系。
8.人们还注意到，宇宙线这一减弱的趋势与太阳风强度的增加，和行星际磁场的加强直接相关
图6 1860年-2000年间从冰芯中Be10丰度变化和从太阳日冕磁力线密度的增强得出的宇宙线变化趋势
这反映在有关行星际磁场或磁力线的变化（这一记录起始于1868年，经历了12个太阳活动周期）。正是太阳磁场的活动屏蔽了射向地球的宇宙线，从而减弱了宇宙线。图6上“虚线”是从10Be 浓度随时间的变化得到的宇宙线近140年的变化趋势，而“实线”是利用太阳日冕磁力线密度随时间的变化记录推断出的同时期宇宙线变化。10Be的测量来自格陵兰冰芯的取样。可以看到，二者所纪录的峰数和谷数高度重合，而且其整体演变的趋势也高度一致。
9.另一方面,近50年的粒子探测器的宇宙线测量结果（俄罗斯列别节夫研究所）也呈现出图6所示宇宙线强度变小的趋势
在北纬68.57度的Murmansk地区的测量表明，10年间宇宙线强度减少是 2.3%/10yr；而北纬55.56度的Moscow地区的测量，10年间宇宙线强度减少1.8%/10y。这里，因两地纬度不同，相应对入射粒子的截止能量也不同,相应的宇宙线强度减少也将不同。
如果这一降低是真实的，那么由于宇宙线的减弱约~15%→云层量变少→导至全球增温约可达～0.6℃左右。这将是重要的全球变暖的因素。
10．人们还可以找到时间跨度更长的，1000年以来宇宙线强度变化的数据
图7 1000年来C14浓度的变化与气候反常的关联
图7是通过对美国狐尾松古树年轮的14C浓度的高精度测定得到的有关大气中14C浓度随年代的变化。虚线标出的是14C浓度偏离等于±10ppm的界限。凡大于±10ppm的时期，对应气候反常期。点和圈所示数据分别代表两组独立的高精度测量结果。实线是用其他大量中等精度测量结果拟合所得演变曲线。图7 所示前4个有文字标出的区域对应著名气候反常时期，和历史文献的记载一致。
上述14C浓度和1000年以来气候反常的关联还在赤道附近地层沉积物的分析中找到更多的证据。这表明这一现象是带有全球性质的。
11.但是，这样的关联是否真正存在，气象学界有强烈的反对意见
如前面提到的 S.D. Jordan，就认为云量的数据的选取有“偏见”。认为如果将图4和图2的云量覆盖范围取得更大，这种正关联就会消失，甚至会变成负关联。
问题在于，已经有很多有关宇宙线和气候关联的实验事实，其中不乏质量很高的而且关联很强的事实。从同位素分析得到的结果就是这种“高质量、强关联”的实例。人们不能置这类事实于不顾，更不能先验地排除它们。至于宇宙线和云量的关系，除了要获取更多和更好的云量数据外，更重要的是需要回答一个机制问题，即为什么有宇宙线和云量的这种关联？
三、一个很有兴趣，也有可能是真实的科学的假说
云的主要成份是水滴、冰珠和各种固态和液态的粒子团——也称气溶胶。水蒸气本是大气的组成部分。当空气冷到一定温度下，水气过饱和，一般不会立即凝聚，但在有凝聚核时，就凝成水滴或冰珠。凝聚核（CCN）可以是离子和各种气溶胶。在大气对流层中，如果凝聚核的浓度很高，水滴的浓度会增加；在水气总量不变时，凝聚核的增加会阻止雨云的形成，延长云的寿命。水滴和冰珠还会增加对太阳辐射的反射，从而屏蔽了太阳光到地表面的辐射总量。
带电的粒子可以成为这种凝聚核，这已为实验所证实。这就是在物理学里已使用了100年之久的云雾室的工作原理。因此宇宙线第一个可能的作用是：宇宙线强度的增加使大气中离子增加而导致凝聚核（CCN）的浓度增加→增加了云量。
宇宙线的第二个作用，是可能直接作用在气溶胶，产生各种复杂机制，其中包括电荷的转移，从而增加了云量，延长了云的寿命。
对这一种可能的机制假说，也有来自温室气体的支持者的强烈反对。其理由是：云雾室里的水蒸气要比大气中的至少大500－600倍。但是，有20世纪60年代的云雾室里的实验表明，能够出现“超灵敏凝聚核”，即在和大气中水蒸汽浓度可比较的，约为1％的水蒸气水平下，也能凝聚。
正是在上述这些有争论的机制上，急需有新的可靠的实验。本文所介绍的各观测资料和实验数据，均来自CLOUD项目的建议书。CLOUD是从2000年就开始提出的实验建议,其中心内容是利用欧洲日内瓦中心SPS加速器的数百GeV粒子束模拟宇宙线，用一个云雾室和反应室，其中的温度和压力可模拟对流层或平流层的情景，其中引入水汽，各种特定的微量分子和气溶胶。加速器的束流调节范围可对应宇宙线从地面直到大气对流层顶部的真实状况；再利用多种探测手段，直接观察宇宙线对云中各种可能的粒子及粒子团和气溶胶成核的作用，以及气溶胶在水汽和各种化合物存在的条件下如何生长并成为云珠。CLOUD实验自2006 年批准以来，已分别在2007年和2008年发布了工作进展报告CERN-SPSC- 2007-014/SPSC-SR-019和CERN-SPSC-2008-015/SPSC-SR-032(http: //cdsweb.cern.ch/record/1100201，http://cdsweb.cern.ch/record/1027049)。
这是第一次将高能物理的大型加速器和宇宙线的多种探测技术，应用在大气物理的研究中，可实现对大气现象的可控而精密的观测。从我们来看，即使没有对温室气体不同意见的争议，从纯学术的观点来看，这一云雾物理的研究也是极有价值的。这也是物理学向环境科学进军的极佳领域。
建议有关人士和单位对这一研究项目积极关注，采取行动。同时，我国在宇宙线研究的布局上，要关注一些长期的宇宙线变化的高精度的观测项目的监测和坚持。如在西藏羊八井地区已有的中子强度的监测，也许还要部署其他宇宙射线强度的监测。只有持之以恒，才能有所成就。
四、总结起来可以认为，CO2的变化并不是解释全球变暖的唯一原因，我国应该有根据自己的研究工作独立得出的科学的意见
本文建议采取措施大力加强宇宙线对对流层中的气温变化的研究，还应该加强宇宙线对同温层中的O3即臭氧等气体的影响的研究。
原载《科学新闻》2008年12月第1期
本文原题为《中科院理论物理研究所庆承瑞研究员的文章主要内容》
[ 右派网 
