摘要：近年来，全球多地频遭极端天气侵袭，"暴晒“和”暴雨“模式渐成常态，气候变化问题日益严峻。在此背景下，减碳减排已成为国际社会关注的核心议题。然而，人类对温室效应机理及全球变暖后果的认知，却经历了一个漫长而曲折的过程。回溯历史，早在工业革命方兴未艾的19世纪，当绝

导读：

近年来，全球多地频遭极端天气侵袭，"暴晒“和”暴雨“模式渐成常态，气候变化问题日益严峻。在此背景下，减碳减排已成为国际社会关注的核心议题。然而，人类对温室效应机理及全球变暖后果的认知，却经历了一个漫长而曲折的过程。回溯历史，早在工业革命方兴未艾的19世纪，当绝大多数人尚未意识到气候变化的威胁时，一批科学先驱敏锐地洞察到温室效应，并将之记录下来。

李研 | 撰文

陈晓雪 | 编辑

为什么地球会这样暖？

在科学史上，法国数学物理学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）堪称是意识到地球表面大气层保温作用的第一人。

傅里叶提出：如果大气没有保温作用，气温或将低于冰点（L代表来自太阳的热量，σT4代表地球散发的热量）。图源：参考文献3

这位科学巨匠的人生极具传奇色彩。他青年时代曾追随拿破仑，30岁时作为科学顾问随军远征埃及，后担任开罗研究院秘书。或许是受北非酷热气候的影响，傅里叶在回到法国后表现出异常的畏寒体质，终年裹着厚重的大衣。晚年的他，更是将自己包裹得"如木乃伊般严实"，其居所的闷热环境也常令访客难以忍受。

也许是这种对“热”的独特执念，最终催生出《热的解析理论》（Théorie analytique de la chaleur，1822）。在这部划时代的著作中，傅里叶不仅系统阐述了热传导方程，更开创性地提出了傅里叶变换、量纲分析等革命性概念。这些理论成为数学、物理学和工程学研究的万能工具。

《热分析理论》著作发表后不久，傅里叶将注意力转向了地球。在1824年和1827年发表的两篇开创性论文中，他尝试以热传导的视角分析行星的温度，首次指出地球在持续吸收太阳辐射的同时，还通过释放"暗热"（dark heat，即红外辐射）维持热平衡。

傅里叶 1824年撰写的论文《地球及其表层空间温度概述》；"Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires," Annales de Chimie et de Physique, 27 (1824) 136–67.

尽管在19世纪20年代观测数据和理论模型都很匮乏，他依然凭借超凡的物理直觉和数学天赋计算出：和地球一样大小并距离太阳同等位置上的物体，如果仅受到太阳辐射的影响，表面温度应低于冰点，这与人类实际观测的地表平均温度（约15℃）存在着显著差异。

这一矛盾引发了傅里叶更深层的思考。他曾怀疑地球还吸收了宇宙中来自太阳之外的其他热量，但他也指出了另一种可能，那就是地球表面的大气层具有保温的作用，部分阻挡了地球向外辐射的热量。换句话说，如果没有能够吸热的大气层，地球从温度上就不会是一颗宜居的星球。傅里叶的洞察，为后来温室效应理论的诞生奠定了基础。

什么气体在吸热？

傅里叶提出了大气层可能吸收地表热辐射的假说，但在复杂的大气成分中，究竟哪些气体真正具有保温作用？这个问题数十年悬而未决，直到1859年才由爱尔兰物理化学家约翰·丁达尔（John Tyndall）揭晓答案。

丁达尔发现：大气中水蒸气(H2O)和二氧化碳（CO₂）等气体能够吸收红外辐射。图源：参考文献4

丁达尔通过精心设计的实验装置，对各类气体的红外吸收特性进行了上百次测量。他的研究揭示：水蒸气(H2O)是大气中最强的热辐射吸收体，二氧化碳（CO₂）、臭氧（O₃）和甲烷（CH₄）等微量气体同样具备吸收红外辐射的能力，对温度的影响也不可忽视。相比之下，占大气主体的氮气（N₂）和氧气（O₂）对红外线则几乎是"透明"的，毫无影响。

值得一提的是，如今广为人知的“丁达尔效应”正是源于他对气体红外吸收特性的研究。当时，实验气体样本的纯净度是一个关键挑战——悬浮的尘埃或微粒会严重干扰测量结果。为解决这一问题，丁达尔用强光照射装有气体样本的玻璃管，当光线穿过含尘气体时，原本不可见的微粒能使光束清晰显现，形成一条明亮的通路。这一发现不仅为气体纯度检测提供了方法，更为胶体化学和光学研究开辟了新领域。

丁达尔测量各类气体红外吸收的实验装置。图源：参考文献4

丁达尔建立了气体分子与红外吸收之间的关联，提供了关于"大气吸收热辐射"的确凿证据，使人类对温室效应的认知迈出关键一步。正因如此，科学界长期尊称他为"气候科学之父"。然而， 2010年新发现的史料揭示出，还有一位先驱者的贡献长期被忽视。

被遗忘百年的“业余科学家”

尤妮斯·牛顿·富特（Eunice Newton Foote）是一位在19世纪就热爱科学的传奇女性。

她1819年出生于美国东北康涅狄格州的一个农夫之家。牛顿（Newton）这一姓氏透露出不凡的血统，她的父亲被认为是科学伟人牛顿（Isaac Newton）的远房亲戚。尤妮斯幸运地在1836-1838年间进入当时极少数能接收女性的特洛伊女子学院（Troy Female Seminary）学习。在这所被誉为"女性教育圣地"的学府，她不仅掌握了一些化学实验技能，更习得严谨的科研思维方法。

尤妮斯·富特研究了不同气体的升温效果。作者未能找到她本人留下的公开相片资料（网上流传的一些她的照片实际上是美国作家Mary Foote Henderson）。从她护照上的文字记载可知，她身材娇小，拥有鹅蛋脸、深棕色头发和灰蓝色眼睛。图源：尤妮斯·富特的纪录片（参考文献7）

1841年，尤妮斯与发明家伊莱沙·富特（Elisha Foote）结婚。一位生活在19世纪女性，婚后要花很多精力来相夫教子，但她仍不失为一位“业余科学家”。借助一个空气泵、四支水银温度计和两个直径约10cm、长约76cm的玻璃圆筒，尤妮斯·富特搭建了一个巧妙的实验装置。她将不同气体分别密封在两个玻璃圆筒中，置于阳光下观察温度变化。富特发现，潮湿的空气比干燥的空气能吸收更多的太阳热辐射。同时她还发现，充满二氧化碳的圆筒比充满氢气或氧气的圆筒要热得多。

1856年，她的论文《影响太阳光线热量的环境条件》（Circumstances Affecting the Heat of the Sun's Rays）发表在《美国科学与艺术杂志》。之后，这篇仅有两页、言简意赅的论文被收录到1857年《科学发现年鉴》（Annual of Scientific Discovery）。

富特1856年发表在《美国科学与艺术杂志》上的论文。图源：参考文献6

遗憾的是，在19世纪科学界普遍的性别偏见氛围下，这篇科学史上首次由女性独立完成的自然科学论文并未引起应有的学术关注，尤妮斯·富特的发现逐渐被遗忘。

所幸她毕竟发表了论文，使后人的追溯与发掘成为可能。2010年，退休石油地质学家雷蒙德·索伦森（Raymond P. Sorenson）在研究科学史料时，偶然在泛黄的《科学发现年鉴》中发现了这段被遗忘的科学传奇。经过严谨考证，科学界确认富特早在1856年就揭示了二氧化碳与温室效应的关联，这比丁达尔的研究还整整早了三年。这一迟来的正名，不仅改写了气候科学的发展史，更让这位被遗忘的女性科学先驱重新获得应有的历史地位。

当然，以现代科学视角审视，富特当时所使用的实验装置堪称简陋，其论文结论也存在理论缺陷。她误认为二氧化碳和水汽直接吸收太阳辐射，而实际上这些气体吸收的是地表受热后释放的长波红外辐射。这一关键机理在三年后丁达尔更为严谨的实验研究中得到了准确阐释。然而，后人也在怀疑丁达尔是否受到过富特研究的启发。这一怀疑并非空穴来风，除了两者实验思路的高度相似，1856年出版的《美国科学与艺术杂志》更是同时刊登了富特的那篇气体吸收光热的论文以及丁达尔的一篇关于色盲研究的论文。如此巧合不禁令人生疑，丁达尔在自己论文发表后，会对同期刊上的其他重要研究视若无睹吗？

究竟是受限于19世纪欧美科学界的信息壁垒，还是丁达尔有意的“知而不引”? 这其中是否又暗含了对女性的偏见？人们对此至今没有定论，使之成为科学史上的一桩悬案。

二氧化碳、气温、全球变暖

19世纪是近代科学蓬勃发展的时代。就在丁达尔和富特探究不同气体保温效果的时候，地质学领域也接连取得新的发现。人们意识到在遥远的过去，地球曾不止一次被冻成“冰球”，整个欧洲大陆都被厚厚的冰层覆盖。科学家担心人类的璀璨文明会再次被冰封，但对于地球温度为何会经历如此剧烈波动，却莫衷一是。直到19世纪末，一位瑞典化学家系统地总结了前人的发现，提出冰河时代是由大气中二氧化碳含量的波动引起的，使人们对温室效应的认识有了一次巨大的飞跃。

阿伦尼乌斯计算出空气中二氧化碳含量与全球气温之间的关系。图源：参考文献8

斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）常被称为化学家，主要是由于他提出了电离理论，并因此获得了1903年诺贝尔化学奖。然而，这仅仅是他卓越科学生涯中的一小部分成就。

作为一位百科全书式的学者，阿伦尼乌斯的研究横跨多个学科：他创立的阿伦尼乌斯公式揭示了温度对化学反应速率的影响规律；他撰写的《免疫化学》（Immunochemistry）一书，是免疫化学领域的奠基之作；他对生命起源也有独到的见解，他认为地球上的生命体来最初是以孢子（Spore）或其他某种具有顽强生命力形式的微生物从外星球带来的，这一离经叛道的观点至今仍是很多科幻作品的灵感来源。或许还应该提到，阿伦尼乌斯因为门捷列夫曾质疑过电离理论而耿耿于怀，极力反对门捷列夫获得1907年的诺贝尔化学奖，最终使元素周期表这样划时代发现与诺奖失之交臂，此事也成为诺贝尔奖史上的重大遗憾。

言归正题，阿伦尼乌斯对地球冰河世纪的争论非常感兴趣。他敏锐地意识到，要解开地球气候变迁之谜，必须建立精确的量化模型。基于傅立叶、丁达尔等人提出的观点（遗憾的是，他也完全忽视了富特的杰出贡献），他构建了一个理论模型，首次定量地计算出空气中二氧化碳含量与全球气温之间的关系。

阿伦尼乌斯提出的计算方法主要建立在双组分能量平衡模型之上：大气层向太空辐射的热量等于其接收的热量，相应的，地表向大气层及太空传递的热量也等于其接收的热量。为了不使计算过于复杂，阿伦尼乌斯进行了一些简化。例如，忽略来自地球中心的热传导，大气层内部的对流热交换保持恒定，以及地球上各处云层的覆盖率保持不变等。即便如此，在电子计算机尚未问世的年代，只靠手工演算这仍是一项令人望而生畏的艰巨任务。

不过，阿伦尼乌斯有着深厚的数学功底。而且，当时他刚结束第一段婚姻，或许正是这段情感低谷促使他将全部精力投入到科研工作中。在近一年的时间里，他每天坚持工作14小时，最终于1896年完成了具有里程碑意义的论文《空气中的碳酸对地表温度的影响》。文中所称的“碳酸”(carbonic acid)即为我们今天熟知的二氧化碳。

阿伦尼乌斯《空气中的碳酸对地表温度的影响》的论文，以及计算温度的主要公式。图源：参考文献9

在这篇开创性论文中，阿伦尼乌斯明确指出大气中所含气体的保温作用，若大气中不含二氧化碳，地表温度将下降约21摄氏度；而温度降低后大气中的水蒸气含量也会减少，会进一步导致温度再降低约10摄氏度。阿伦尼乌斯还绘制了详尽的表格，计算了5种不同二氧化碳浓度在全球各纬度带（每10度为一个区间）产生的温升效应。结果显示，当二氧化碳浓度翻倍时，全球平均温度将上升5-6摄氏度，越靠近两极，温度变化越显著。

阿伦尼乌斯计算，当二氧化碳浓度从300ppm上升到600pm后对地球各纬度气温的影响。图源：参考文献10

令人叹服的是，尽管阿伦尼乌斯的模型简化了许多复杂变量，但这些被忽略的因素之间恰好在某种程度上相互抵消，使得他在一个多世纪前得出的结论，竟与现代气候模型保持着惊人的一致性。

"阿伦尼乌斯得出的结论，即便在后来的一个世纪里投入数百万美元进行深入研究，也几乎无需任何修正。"

—— Isabel Hilton，BBC资深记者

值得一提的是，虽然傅里叶、富特、丁达尔以及阿伦尼乌斯等科学先驱早在19世纪就已经开始关注温室效应问题，但 “温室效应”（greenhouse effect）这个名词是由阿伦尼乌斯的挚友、瑞典气象学家尼尔斯·埃克霍尔姆 （Nils Ekholm）在1901年最先提出的，而彼时人类已经悄然迈进了20世纪了。

到了1904年，阿伦尼乌斯和埃克霍尔姆都已敏锐地注意到人类活动对气候的影响，预见"工业发展可能在几个世纪内显著改变大气中微量碳酸（二氧化碳）的比例"，从而引发全球变暖。只不过，他们认为这种变化将会非常缓慢地发生。

根据阿伦尼乌斯的推测，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。作为生活在寒冷北欧的科学家，他对气候变暖持乐观的态度，认为温和的气候能使高纬度地区更适宜居住，提升农业产量以应对人口增长，甚至可能阻止下一次冰河期的到来。

“By the influence of the increasing percentage of carbonic acid in the atmosphere, we may hope to enjoy ages with more equable and better climates, especially as regards the colder regions of the earth, ages when the earth will bring forth much more abundant crops than at present, for the benefit of rapidly propagating mankind.”

——Svante Arrhenius 《Worlds in the Making》

1751-2024年二氧化碳的排放（黑）与大气浓度（蓝）。图源：参考文献13

阿伦尼乌斯的这一预测被证实过于乐观。此后，人类活动排放的二氧化碳及其他温室气体呈现爆发式增长，仅过了一个世纪，大气中二氧化碳浓度就已经上升约30%，全球变暖的速度和程度远非早年的科学家所能预见。如今，我们正面临着比"温和变暖"严峻得多的气候危机，极端天气事件频发、生态系统持续退化、海平面加速上升等现实不断威胁着人类生存，这与百年前科学家的美好预期形成了鲜明对比。

百年前，这些科学先驱敏锐地关注到气候变迁，值得我们当代人致敬。与此同时，我们也需要清醒认识其时代局限性。预测未来总是艰难的，但已有的证据告诉我们，减缓气候变暖刻不容缓，现在行动就是最好的解决方案，不要将未来交给侥幸

。

参考文献：

1.History: Who’s Who in Pioneering Climate Change Science Understanding：https://greenswrm.com/history-whos-who-in-pioneering-climate-change-science-understanding/

2.Joseph Fourier: https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

3.Global Warming: An Inconvenient History: https://www.youtube.com/watch?v=GGtAilkWTtI&t=630s

4.John Tyndall：https://en.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall

5.Eunice Newton Foote: https://en.wikipedia.org/wiki/Eunice_Newton_Foote

6.Eunice Foote, Circumstances Affecting the Heat of the Sun's Rays, The American Journal of Science and Arts 22, no. 66 (November 1856): 382–383.

8.Climate Change Today - How We Know It's Us: https://cbs6albany.com/weather/weather-extra/climate-change-today-how-we-know-its-us

9.Svante Arrhenius, On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 5, Volume 41, April 1896, pages 237-276.

10.Arrhenius 1896: First Calculation of Global Warming: https://protonsforbreakfast.wordpress.com/2024/09/06/arrhenius-1896-first-calculation-of-global-warming/

11.Oct. 15, 1902: Chemist Warns Burning Coal May Lead to Boiling Earth: https://www.zinnedproject.org/news/tdih/article-warns-of-burning-coal/

12.Ekholm, Nils (1901). "On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and their Causes" (PDF). Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. XXVII (117): 1–61. doi:10.1002/qj.49702711702

13.Climate change: atmospheric carbon dioxide：https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

来源：赛先生一点号