随着全球变暖，未来的天空中可能就没有云了
超级计算机模拟显示，全球变暖和云层减少之间的恶性循环会在一个世纪内将地球推向灾难性的转折点。
1987年，古海洋学家詹姆斯·肯尼特(James Kennett)和他的团队从威德尔海的海底取出了一筒沉积物，一英寸厚的浮游生物化石和其他碎片也埋在了500多英尺深的海底。在他们当中，他们发现了一个令人不安的线索。
在沉积物的下部，有丰富的化石和60种浮游生物，但是在5600万年的横截面中，物种的数量已经下降到17种。氧和碳同位素组成发生了明显变化。肯尼特和他的学生洛厄尔·斯托特从异常同位素推断出二氧化碳充满了整个空气，导致海洋迅速酸化并升温。这与我们现在正在经历的过程相似。
当这17种浮游生物沉入南极海底时，一种类似貘的生物在现在的怀俄明州死亡。1992年，化石的发现者菲里奇、吉姆·扎克斯和保罗·科赫也发现了与当时的肯尼特相同的同位素异常。原来史前哺乳动物也呼吸被二氧化碳淹没的空气。
然后越来越多的数据出现了。5600万年前，一个短暂但灾难性的高潮发生了，即古新世-始新世极热事件(PETM)。地球温度上升，海洋变得更热。世界经历了大规模灭绝。陆地上的原始猴子、马和其他早期哺乳动物沿着植被向北行进，到达高纬度地区，一代又一代地小型化，因为树叶在含碳量高的空气中缺乏营养。与此同时，猛烈的风暴席卷全球。地质记录显示，当时发生了山洪和长期干旱。正如肯尼特所说，“潘多拉的盒子已经打开了。”
在怀俄明州的毕格罗盆地，鲜红的沉积岩是5600万年前全球变暖的第一个化石证据。照片:ALAMY
像PETM这样的古代变暖事件总是比气候理论模型显示的要极端得多。即使将地理差异考虑在内，古气候学家仍然发现他们的模型缺少一个不会在化石记录中留下痕迹但却发生了巨大变化的因素。"现在很明显，答案是云."普渡大学的古气候建模师马特·休伯说。
目前，云层覆盖了地球的三分之二，但是计算机模拟显示，随着地球变暖，云层越来越少。结果，地球变得更热，导致云层减少，形成恶性循环。该电路将导致温度失控上升。
本周发表在《自然地球科学》杂志上的新发现表明，云量减少的影响足以解释像PETM这样的变暖事件，并逐渐引发未来的灾难。
加州理工学院的气候物理学家对层积云进行了最先进的模拟，因为层积云对地球的冷却效果最为显著。模拟显示了一个转折点:当大气中二氧化碳浓度达到百万分之1200时，层积云消失了。在持续平均排放的条件下，燃烧化石燃料可以在大约一个世纪内把我们推到临界点。
麻省理工学院的气候学家凯瑞·伊曼纽尔说，一旦云层消失，模拟中的气候似乎就直接“越过悬崖”。她说这个发现“非常可信”，但是其他科学家仍然需要尝试复制这个实验。
想象一下全球变暖12度，在北极和赤道游泳的鳄鱼被烤焦。研究人员之一、加州理工学院的塔皮奥·施耐德说，如果碳排放不能迅速得到控制并突破临界点，“真正毁灭性的气候变化就要来了”。(他与collenkul和kylepresel一起进行了这项模拟研究。)
Huber补充说，随着消失的云背后的机制变得越来越清晰，“这种巨大的敏感性不再是过去的历史事件，而是很可能是我们的未来。”
云中的疑惑
云的形状各不相同，包括爆米花状的积云、细长的卷云和铁饼状的雨云。它们由跨越数英里的微小水滴组成，共同覆盖了地球表面的大部分，阻挡阳光到达地球并使其冷却。
起初，云非常简单。温暖潮湿的空气上升并冷却，水蒸气凝结在灰尘和其他颗粒周围，形成“云滴”。然而，在热、蒸发、辐射、风等因素的影响下，情况变得越来越复杂。
南大洋层积云的激光成像:左边是由冰构成的不规则云滴，右边是由过冷液态水构成的球形云滴。照片:emmajrvinen博士martin schnaiter博士(德国基特和施奈特)
美国宇航局戈达德太空研究所的凯特·漫威说，世界各地的气候研究中心运行着大约30个模型，对所有已知因素进行编程，以预测二氧化碳上升和全球变暖之间的关系。
每个气候模型在代表地球大气的球形网络上求解一组方程，而超级计算机负责显示每个网络中的空气和热量循环，并及时提出解决方案。科学家可以在此基础上观察地球的气候反应。所有模型都包括大部分气候反馈回路，如海洋和气流，如极地冰盖融化和湿度上升导致的全球变暖。
最不敏感的气候模型预测了地球对二氧化碳增加的最温和的反应。结果显示，如果大气中的二氧化碳比前一个工业时代增加一倍，地球将会变暖2℃，目前预计这将发生在2050年左右。在燃烧化石燃料之前，二氧化碳的浓度是百万分之280，现在超过了百万分之410。迄今为止，全球平均气温上升了1摄氏度。
2℃是最好的情况，但是“令人恼火的是，当二氧化碳翻倍时，全球温度将上升4到5℃，这距离上一次冰河时期只有4.5度。”
照片:lucyreading-ikkanda/quanta杂志
预测气温上升2℃的气候模型显示云量变化不大，而上升4℃的模型预测几十年后云量会急剧下降。宾夕法尼亚州立大学地球系统科学中心的气候学家迈克尔说，即使2摄氏度也会杀死珊瑚礁，导致海平面上升几英尺，对低地岛国和海岸构成威胁。当温度达到4℃时，我们会看到大量的动物物种消失，并面临灾难性的极端天气事件。如果海平面上升几米，人类文明可能会像今天这样结束。
更难想象一个世纪后，当温度再升高8℃时，层积云会是什么样子，就像古新世-始新世极热事件一样。
模拟天空
2008年，一架研究飞机在智利海岸上空的层积云中飞行，收集数据。照片:罗伯特·伍德
华盛顿大学的大气科学家和数学家克里斯·布雷特(Chris brether)在2013年和2014年对这些层积云进行了模拟，发现当层积云下的海面在二氧化碳的影响下变暖时，云层变薄了。然而，结合其他研究，如美国国家航空航天局的卫星数据，结果表明，前面提到的最不敏感的气候模型，即预测2℃变暖时云层覆盖的微小变化的气候模型，可能是错误的。
加州理工学院的塔皮奥·施耐德、科琳·考尔和凯尔·普莱塞尔(从左到右)已经确定了层积云破裂的临界点。
随着二氧化碳浓度上升和海面温度上升，施奈德和他的同事发现云的动力学发生了变化:层积云突然消失，因为两个主要因素阻碍了它们的形成。
首先，当地球表面和天空变得更热时，额外的热量会在云中产生更强的湍流。这些湍流混合了云顶附近的潮湿空气，并将它向上推出覆盖层积云的边界层，同时从上向下吸入干燥空气。顾名思义，夹带物分解云。
其次，随着上层大气变暖变湿，层积云从顶部到底部的冷却效率将降低。这种冷却是非常必要的，因为它会让冷湿气团下沉，为地球表面的热湿空气腾出空间，使其上升并形成新的云。
但是当冷却效果变得更差时，层积云变得越来越薄。
如果排放不受限制，二氧化碳水平将达到百万分之1200——这可能在100到150年内发生——更多的夹带和更少的冷却将共同导致层积云的完全碎裂。
为了进一步了解云的消失将如何影响地球的温度，施奈德和他的同事们发现，吸收到海洋中的大量额外热量(因为层积云消失了)将提高海洋的温度和蒸发率。天空中有越来越多的水蒸气，表面会吸收更多的热量。然后席卷全球，全球变暖失控，可怕地增加了8℃。
但是当水蒸气饱和空气时，二氧化碳的急剧下降不会使云再生。“有一个滞后，”施奈德说。“为了再次形成层积云，我们需要将二氧化碳浓度降低到当前水平甚至更低。”
3x3公里层积云模拟。照片:KYLE PRESSEL
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