地球正在变暗，我们在的北半球暗得更快

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来源：环球科学

作者：不 周

图片来源：Bill Anders, Public domain, via Wikimedia Commons

从外太空望去，我们生活的家园是一颗泛着柔和微光的蓝色星球。这抹亮色，既不夺目，也不暗淡，这多亏了母星太阳的馈赠。也幸好，地球的大气、云层、海面、陆地、冰雪等自然系统巧妙“合作”，接收并反射了部分太阳送来的光。

在太阳核心的极端高温和高压下，氢原子不断被强行挤压，聚变成氦原子。聚变过程释放的巨大能量，以电磁辐射的形式穿越太阳内部，抵达表面，再向外辐射至宇宙空间。经过8分多钟的旅行，太阳辐射抵达了地球。

对于地球而言，太阳传递的能量是维持生命的源泉，也是需要“小心处理”的对象。当接收到太阳辐射后，大气层会吸收一部分辐射，同时将一部分辐射反射回太空，还有一部分辐射会穿过大气，抵达地表，而后再被吸收或反射回太空。

在大气层顶部——来自太阳的入射能量与来自地球的出射能量达到平衡。

图片来源：National Oceanic and Atmospheric Administration

基于能量守恒的原理，理论上，入射地球的辐射，应当与出射辐射（包括反射的太阳辐射，与地球系统自身发射的辐射）相平衡——这被称为地球辐射收支平衡——这样才能保证地球温度长期保持稳定。若收大于支，地球会变暖；若支大于收，则会变冷。可想而知，监测地球能量收支的变化对理解地球，特别是气候系统至关重要。

明亮的对称谜题

为了理解气候变化，我们还必须确定地球辐射收支变化背后的驱动因素。为此，科学家需要借助卫星，测量地球向太空辐射的红外辐射量。而此前长期的卫星观测显示，平均来看，南北半球吸收和反射的太阳辐射基本相同。这意味着，从外太空看，我们脚下的星球亮得很均匀，而不是“坑坑洼洼 ” ，北面亮一点，南边暗一点。

但南北半球差异如此之大，这种“匀称的明亮 ”就显得格外不可思议。首先，南北半球的陆地海洋分布并不相同，北半球拥有地球上近70%的陆地面积，而南半球约80%的面积都被海洋覆盖。陆地和海洋对阳光的反照率也不尽相同，海洋往往会吸收大部分阳光，而陆地会反射更多。而自20世纪工业革命以后，人类燃烧化石燃料产生了大量工业污染，这些颗粒以气溶胶的形式悬浮在空气中，像一个个微小的镜子一样，将阳光反射回太空。

19世纪描绘南北半球的地图。

图片来源：Thomas Gamaliel Bradford/Wikipedia

无论是从陆地分布，还是大气污染来看，北半球其实都汇集了更多反光的元素。因此在上世纪中叶，科学家普遍认为，北半球肯定比南半球更亮。然而，当人类在20世纪70年代发射了第一批能够精确测量地球辐射收支的卫星后，科学家震惊地发现，尽管南北半球在物理上如此不同，但各自反射回太空的太阳辐射总量，却几乎完全相同。

一定有某种“补偿者”在隐秘地抵消南北半球的差异。很快，科学家就锁定了勤勤恳恳运动着、环绕地球无数圈的云。天空中轻盈漂浮着的云，主要由水蒸气和气溶胶组成。当它位于大气层不同高度时，它可以反射或吸收太阳光。对于南半球而言，广阔的海洋虽然会吸收阳光，但同时也会蒸发巨量的水分，在大洋上空形成比北半球更多、更持久、也更明亮的海洋层积云。

图片来源：Unsplash

极暗的海洋与明亮的云层相结合，南半球刚好与北半球中等亮度的陆地完美平衡。这种近乎完美的补偿机制其实一直令科学家倍感困惑，也因此涌现了一些分歧。部分人认为，南北半球太阳辐射的对称分布只是一种巧合；更多人则支持这样一个观点：我们的气候系统拥有相当精妙的自调节机制，它会通过洋流和大气环流在全球范围内重新分配热量。关键在于后者：大气环流的变化，会直接改变云的分布，影响不同半球的反照率，从而纠正原本的不对称。

被打破的平衡

最近，一项发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的研究，分析了美国航空航天局（NASA）云和地球辐射能量系统（CERES）24年的卫星观测数据，结果发现，地球整体都在变暗，而这种对称性正在被打破，北半球正比南半球更快地变暗。

CERES拥有一系列高精度的辐射计仪器，分别搭载在不同的NASA地球观测卫星上。这个项目一直持续、精确地测量地球的辐射收支，通过计算地球接收到的太阳辐射，与地球向外发射的热红外长波辐射之间的微小差值，来理解全球气候的变化，也能帮助完善气候模型。

在2001-2024年间，CERES卫星数据显示，北半球与南半球在吸收太阳辐射的差异，正以每十年约0.34W/m2的速度增加，向外发射长波辐射的差异则以每十年约0.21W/m2的速度增长。尽管这些差值的绝对值看上去很小，但在全球尺度下，这种趋势累积起来，却不容忽视。

为什么是北半球？

但为什么北半球暗得更快呢？其中一项主要原因，竟然来自人类在环保上的努力。过去二十年间，北半球的工业国家大力治理空气污染，这本是一件好事。但环保带来的副作用是，空气中那些漂浮的污染物——反光气溶胶大幅减少了。空气干净了，许多悬浮的“小镜子”也消失了，这导致更多阳光可以穿透大气层，被地表吸收。

与此同时，全球变暖也令北半球的冰雪，包括北极海冰和高山积雪迅速融化。当大片冰雪反光镜消失，转变为深色的陆地或海洋，反照率也随之下降。令人意想不到的是，野火、火山喷发等自然灾害也驱动着南北半球的亮度变化。

图片来源：Unsplash

这一切似乎都在说明，云层、大气、洋流等跨赤道输送热量的机制，可能并不能完全抵消南北半球日益增长的不对称性。而人们过去认为会在地球系统的自调节机制发挥关键作用的云层，可能也没有那么有效。

回到上世纪发现南北半球反照率的对称，或许这并不是气候系统的基本属性，而只是一个特定时期的巧合。如今，这项新发现正在提醒我们，地球辐射正在进入一个全新的不对称状态，我们的家园也不再是亮度均匀的星球。这将如何影响全球的环流模式？气候系统又是否会、以及如何调整以适应这种不平衡？与我们切身相关的天气又将如何变化？仍有待进一步研究。

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511595122

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/earth-is-getting-dimmer-and-the-northern-hemisphere-is-losing-brightness-faster-than-scientists-expected-180987578/

https://www.scientificamerican.com/article/earths-falling-reflectivity-means-the-planet-is-getting-darker-and-hotter/

https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance

https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/earths-energy-budget

https://ceres.larc.nasa.gov/