地球近邻金星最初也曾温和宜人,为何后来两者气候如此天差地别,其实宇宙中星球的气候才没你想的那么简单!如果你天真地只根据阳光吸收量和平均反射率(或称「反照率」〔albedo〕),就计算当代地球表面的平均温度,那你会得到摄氏负十八度的数值,这个数字远低于水的冰点。但若你用卡斯丁其中一个气候模型来计算,则会得到摄氏十五度的结果,而这当然就是地球实际的平均表面温度。不符之处绝大部分是因为数种不同的温室气体所造成的暖化,其中每一种卡斯丁都得辛苦地详加说明,好让人容易理解。

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举例来说,水汽就必须谨慎处理,因为它实际上是种比二氧化碳强上太多的温室气体;比起二氧化碳,水汽在光谱上能有效吸收的热红外范围要大上太多。此外,它对气候的影响在品质上是不同的:不像二氧化碳在地球常温下保持气态,水汽密切受到地球温度变化的影响。低温可以让水汽凝结成云并形成降雨、降雪或冰雹,从而移除了温室效应并使气温更冷;相反地,高温会增加地表水的蒸散率,将更多水汽送入空气,而让气温进一步上升。因此,水汽有放大其他气候改变──例如大气层二氧化碳水平提高所造成的稳定加热──的正回馈作用。如果二氧化碳是支撑地球气候变迁的支点,那么水汽可说是杠杆。

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水汽实际上是种比二氧化碳强上太多的温室气体;比起二氧化碳,水汽在光谱上能有效吸收的热红外范围要大上太多。在温室效应的反应中,水汽可说是杠杆。卡斯丁的气候模型其中一个关键输出,是所谓的「温度压力剖面图」(temperature-pressure profile)──这句科学行话,指的是照耀大气层的星光,将如何影响该星球的温度还有其垂直结构。

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举例来说,地球的大气层反射了四分之一的入射阳光,另有四分之一被大气中的温室气体吸收,最后大约有一半的阳光透入地表。这代表,地球的大气层一般来说比地表更冷,是藉由对流从底端加温,就像炉上烧开水一样。地球上大部分的表面加热和对流,发生在赤道一带;在那里,就像检视任何球体时会发现的一样,从头顶直接打下来的光会被更多的表面地区所吸收。湿润空气的对流从温暖表面开始起伏波动,在升高和扩大后温度下降,最终冷到足以凝结水汽,而将水雾卸除──也就是形成云和雨。大气对流足以解释为何热带比极地热;为何山顶高处附近的空气虽然比较接近太阳辐射,却比海平面的平原空气来得稀薄且干冷;为何大雷雨通常在热天正午过后几小时的午后或傍晚才发生。

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地球的温度压力剖面图在大气中产生的特征,叫做对流层顶(tropopause)。这是一条区分下方温暖、充满天气变化的对流层,以及上方较冷、较稀薄平流层的区隔线。因为水汽接触低温时会凝结,所以它会被叠在上头较冷的大气层有效地困在对流层顶下。1980年代,透过卡斯丁、同事詹姆士.波拉克(James Pollack)以及一些在NASA阿姆斯研究中心同行的一系列研究,人们明了了这个「冷圈套」效应,对地球长期保有水分的状态有多么重要。这就是为何地球邻近的孪生行星金星,尽管证据显示它最初也曾温和宜人,并且湿润一如此刻的地球,但后来却发展出和地球如此天差地别的气候。

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