2017年，作为非正式的地质年代名称,“人类世”被国际地层委员会接受，表明人类对地球系统的影响已经超出了全新世的自然变化范围。
2018年年初，北美大部持续暴雪，欧洲遭遇风暴袭击，我国大范围低温雨雪天气。在刚刚过去的两个月里，欧洲、亚洲、美洲都遭遇了罕见的高温，甚至北极圈内出现了32度以上的异常天气。7月31日，正当北京人溽热难耐时，Nature Communications刊发论文《North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation》(Kang and Eltahir, 2018)，直接点名我国华北地区：“若温室气体未大幅减排，到2070年至2100年，华北平原气温将达到35℃的湿球温度阈值，致命热浪将频繁发生。”
北半球的异常天气似乎在为IPCC的预测提供证据支持。实际上，自1988年IPCC成立以来，评估气候变化对人类福祉的影响一直是研究重心之一。古气候****用“突变”来描述气候从一种稳定状态跳跃式变到另一种稳定状态，“突变”通常局限于某个次大陆尺度，但产生了半球甚至全球性影响。地球系统****认为，“突变”可能较慢，甚至可逆，而且不一定局限于气候状态，他们倾向于用临界要素（tipping elements）和临界点（tipping point）来描述。临界要素通常要有一个与人类活动有关的控制参数，突破临界点后要素状态发生本质变化，并对人类有重要影响。Lenton et al.(2008)指出，地球气候系统有15个临界要素(表1，后增加为17个)，涉及冰冻圈、生物圈和海洋—大气环流等地球系统中最为脆弱的环节。
表1 地球气候系统的临界要素(Lenton et al., 2008)及其控制参数、关键值、转换所需的时间尺度和影响
这些临界要素的控制参数、临界点的升温幅度、转变速率以及影响各不相同。因此，要评估人类世中地球系统的命运，不仅要深入认识地球系统不同尺度的生物地球物理化学过程，还要借助复杂性科学理论，并与社会与人文科学相融合。
2018年8月6日，瑞典****Will Steffen领衔的国际团队受邀在PNAS的Perspective栏目发表论文，以古气候动力学、现代观测和复杂性科学为基础，分析了“人类世”里地球系统的可能演变轨迹。
文中认为，第四纪晚期以来的地球系统演化是研究人类世地球系统演化的背景。过去120万年中，受控于地球轨道和倾斜程度的缓慢变化，地球气候在冰期-间冰期之间交替。尽管每个旋回不完全相同，但整体演化路径一致。全新世是一个间冰期，已经持续了10000多年，和过去120万年中的间冰期长度相当，温暖程度相似。但是，在过去半个世纪，受气候系统快速发展以及人类活动影响，人类世的地球系统正快速脱离冰期-间冰期旋回（图1）。当前已经比工业革命前升温1℃，大气CO2浓度超过第四纪所有冰期旋回。有理由相信，地球系统已经通过了潜在演化路径中的三岔路口，任何微小的波动都能使地球跳出下一个冰期旋回。
图1 地球系统脱离冰期-间冰期循环后面临的稳定性模型(Steffen et al., 2018)
对于未来的预测，之前大多假定CO2累计排放与温度上升之间存在准线性关系，关注人类排放温室气体的多寡——这其实限定了未来可能路径的范围。作者分析认为，地球系统内部的生物地球物理反馈过程可能作用更大：强烈非线性的反馈过程，可能成为下个世纪地球系统演化中主导因素。大量研究已经表明，相对工业革命前升温2℃，可以激活许多重要临界要素，导致进一步升温，引发多米诺效应或临界级联，造成地球系统温度失控（图2）。作者建议将2℃升温作为地球系统的行星阈值，一旦越过，地球系统自身固有的生物地球物理反馈将控制系统演化，地球将最终滑入温室地球的深渊。为了区别于太阳能温室(greenhouse)，作者特意使用了人工热源温室(hothouse)来描述温度失控后的地球状态。
图2 主要临界要素及其潜在的临界级联（Steffen et al., 2018）
不难发现，2℃升温阈值正是2016年签署的《巴黎气候变化协定》的主要目标：将全球平均气温比工业革命前上升幅度控制在2℃以内。但是，去年发表的研究表明，到2100年，升温低于2℃几乎不可能实现(Raftery et al., 2017)。根据目前的二氧化碳排放情况，到2050年，大气CO2含量将达到5000万年以来的最高水平。如果持续到2250年，大气CO2含量及其产生的辐射强迫和地球系统响应方式都是过去4.2亿年中未曾有过的(Foster et al., 2017)。
如果人类依然我行我素，那么来日无多。距今4200-3900年前的全新世中期，仅仅1℃左右的温度变化，就造成了欧亚大陆大范围的文化衰落和社会失序。如果突破2℃升温阈值，地球系统沿温室地球路径发展的话，后果将超出社会适应的极限——农业产量降低、物价飞腾、国家贫富分化加剧，以及更严重的生态危机。
人类社会必须在温室状态和冰期-间冰期旋回之间找到一种新的“企稳地球路径”（Stablized Earth Trajactory），在比工业革命前升温2℃以内的条件下，竭力维持稳定。理想情形中，这个路径的气温几乎是冰期间-冰期循环里的最高值，却避免触发行星阈值，从而保持地球系统的稳定性。
但“企稳地球”已经激活了某些临界要素，某些关键生物群区的非线性过程和快速变化随时可能发生，人类必须付出极大代价才能避免地球系统越过阈值，需要精心筹划以减少对地球的不利影响，有效监测、改变行为来形成反馈循环。人类社会已经采取了大量手段来形成有利于地球系统稳定的负反馈，这些手段可以分成三类：减排温室气体、提高和创造碳汇、调整地球能量平衡，其中以减排温室气体为首选。
尽管分析存在某些不确定，作者提醒，这些变革才刚刚起步，地球系统尽管还没有越过温室地球的社会/政治临界点，但是企稳地球的大门可能很快就会关上。只有意识到人类是地球系统的一部分，竭尽全力去维护人类社会与地球系统的关系，才能实现企稳地球路径，避免沦入温室地球。
相关参考文献
Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature communications, 2017, 8: 14845.（原文链接）
Kang S, Eltahir E A B. North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 2894.（原文链接）
Lenton T M, Held H, Kriegler E, et al. Tipping elements in the Earth's climate system[J]. Proceedings of the national Academy of Sciences, 2008, 105(6): 1786-1793.（原文链接）
Raftery A E, Zimmer A, Frierson D M W, et al. Less than 2℃ warming by 2100 unlikely[J]. Nature Climate Change, 2017, 7(9): 637. （原文链接）
Steffen W, Rockstr？m J, Richardson K, et al. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018，DOI: 10.1073/pnas.1810141115.（原文链接）
（撰稿：唐自华）
