地球是在变热，还是在变冷？
2016年1月23日全国人民都经历了一场寒潮。有人问既然是全球变暖，怎么会如此冷！我想可能是因为他们忽视了2015年11月到12月经历的长时间高温。也就是说，当有人质疑全球变暖时，不能以偶尔一两天低温的例子反驳，而是要手握全球长时期的温度统计数据才行。以主观感受为依据去讨论统计性的结论是软弱无力的，也是有迷惑性的。在统计规律下，几个数据的起伏并不能推翻整体状况。
对于全球变暖，全世界发达国家都非常重视，令人印象最深的就是美国前副总统阿尔·戈尔做的纪录片《难以忽视的真相》。这个视频的很多结论都是从统计角度给出的证据，而不是通过某几个个案来说明问题，这就是一种很有说服力的方式。比如他列举了200年以来欧洲洪水的统计数据、40多年来非洲第一峰乞力马扎罗峰顶积雪的变化、100年以来同一冰川同一月份退缩的对比、1000年以来大气温度变化，甚至还有65万年间二氧化碳含量的变化。这是一部拥有众多统计学观点支持的全球变暖纪录片。这些例子摆出来后证明的是：全球确实在变暖。
而影片呼吁的是我们要减少碳排放，控制温室效应，不能让地球继续暖下去。这就涉及到另一个关键问题：全球变暖是不是主要由最近100年来人类活动导致的？就是要确定“人类活动是因，全球变暖是果”这样一个明确的因果关系。和因果关系最容易混淆的就是先后关系。举一个最简单的例子，国旗班会在日出时举行升旗仪式，如果用统计学的观点，那就会得出这样的统计结论：出现10万次日出，就有10万次升旗，两者有极高的相关性！但谁都知道日出的原因是地球自转而不是因为升旗。而升旗的原因是不是因为日出呢？这倒是有一部分可能。我们假设这样一种情况：一个先秦人被传送到另一个星球上，周围一片漆黑。每天早上他都会听到一个奇特的声音，然后他的周围就会重现光明。他会不会很容易猜测这个奇特声音是重现光明的原因呢？他怎么判断这两个事件是先后关系还是因果关系呢？
当然，这个例子很简单，因为变化的条件还不够多。而全球变暖的问题涉及的因素很多，已经不单单是一个科学研究领域的问题，它和政治局势、经济发展密切相关。变暖的结论是通过气候模型预测的，而这个模型是不是等价于全球气候的真实变化？当然不是，但起码这个模型是相关领域相关科学家认同最广泛的一个模型。这个疑问也可以针对任何以实验为基础的学科，比如测量长度这件事：冥王星距离地球真的是平均52亿公里吗？比较准确的回答是：在现有测量距离的方法下是这么远。但因为这个测量的模型已经被频繁地验证过，所以真实平均距离也是52亿公里的可能性非常大。关于全球变暖的争论也在于是否认同这个模型上。而关于是不是变暖，科学界是没有什么怀疑的，因为实际测量到的、统计到的就是在变暖，分歧点在于那个因果关系：变暖是不是由近100多年来的人类活动导致的？现在这个分歧有多大呢？非常小，而且随着时间推移，分歧越来越小。IPCC（政府间气候变化专门委员会）专门研究由人类活动造成的气候变化。这个机构并不做直接的研究和观测，而是搭建一个审查的平台，让各成员国的学者互相评议气候研究成果。他们每隔一段时间会把最新公布的结论做成一份详细的气候变化评估报告，所以这份报告也算得上是气候变化领域全球科学界最主流的观点。2009年的IPCC报告认为温室气体可能造成了近来全球平均气温的上升，这里的“可能”的意思是60%以上的可能性。2011年的报告用词是“很可能”，也就是90%以上的可能性。2013年报告的结论是变暖的趋势比原来认识的更加严重，有95%以上的把握认为是由人类行为造成的。
2013年的报告显示，从20世纪50年代以来气候变化的剧烈程度是最近1000年以来所未见的；从有详细气象记录的19世纪50年代开始，刚刚过去的三个10年，每个年代都刷新了气温最高的纪录；从1983年到2012年这三十年，至少在北半球是近1400年以来最热的三十年；在1880年到2012年间，陆地与海洋表面的气温已经升高了0.85摄氏度，2003年到2012年十年的平均气温与1850年到1900年五十年的平均气温比较，也高出了0.78摄氏度。全球的科学家建立了各种不同的模型，但目前绝大部分科学家利用不同的模型都能得出：人类是最近几十年全球变暖的主要因素。当然，什么事情都没有绝对的，就像IPCC报告中提到有95%的可信度说变暖是人为造成的。尽管已经95%了，但仍然有5%的可能性全球变暖根本不是人类造成的，只不过这种可能性较低。起码按我们现在的知识经验看，如果碳排放继续发展下去，地球平均温度会在几十年内保持不变甚至下降的概率远远低于温度快速上升的概率。从上面的例子可以看出，要确定一个复杂事物的因果关系是非常费时费力的。
说完变暖我们来说说全球变冷。可能很多人都不知道现在地球仍然处于冰河时期（ice age），与冰河时期对应的就是较为温暖的时期，暂且叫它温室时期吧。冰河时期和温室时期交替出现，时间跨度大约是几千万年的尺度。区分冰河时期和温室时期最容易记住的特点就是南北极是否被冰层覆盖。如果极地被冰层覆盖了，就是处于冰河时期，如果南北极都没有冰层就是温室时期。上一个冰河时期是从3300万年前开始，在那之前，南极和地球上其他大陆一样遍布动植物，但经过几千万年的冰冻，南极很多地方冰层厚度达到4公里，只是边缘随季节更迭扩大缩小。
除了冰河时期还有另外一个词叫冰期，英文是glacial。冰期看上去好像是冰河时期的简称，但实际上英文中ice age和glacial具有完全不同的含义。冰期指的是在冰河时期里面结冰比较严重的年代，因为冰河时期虽然跨度几千万年，但也有温度上的冷暖变化，比如我们现在虽然仍处于冰河时期，但夏天照样非常热。而真的遇到了冰河时期中的冰期，那情况就比较严重了，冰盖甚至会从极地一直冻到长江流域来，像北京所在的纬度，冰层说不定有1公里厚，整个地球只有沿着赤道一带的水没有冻成冰。与冰期相对应，不那么冷的年代就叫间冰期，英文是interglacial。我们现在就处于最近一个冰河时期中的间冰期，所以我们才能湖中泛舟，出海打渔。
影响地球温度变化的最重要因素是太阳。太阳常数是1367瓦每平方米，用于表征太阳射向地球的功率。
影响阳光照射效果的因素有很多，最重要的有两个：一个是地球绕太阳公转的离心率，另一个是公转倾斜角度。离心率是描述椭圆形状的参数，如果等于零就说明这其实就是个圆，如果离心率很大，就说明它是个很扁的椭圆。如果地球公转的轨道离心率非常大，则地球有时候离太阳非常远，有时候离太阳非常近。离得远就很冷，离得近就很热。不过地球毕竟是成熟的大星体，所以轨道的离心率虽然不是零，但也不会像冥王星那样扁。目前地球绕太阳一周，远日点和近日点造成的太阳常数的变化大约是0. 5瓦每平米，这对于均值1360多瓦来说影响是很小的。另一个因素就是公转倾斜角度。如果把地球公转的轨道画成一个平面，那么地球南北极点连线不是垂直于公转平面的，有一个倾斜角度，而且这个角度在不断变化。这个角度影响较大，要是倾斜得很厉害，两级的冰盖就不容易形成，全球温度从南到北的变化就不那么剧烈。
离心率和公转倾斜角度都不是一成不变的，它们都在按照自己的节奏小幅度变化。离心率最大的那段时间，地球运行到了离太阳很远的地方，如果此时又赶上倾斜角度很小，南北极的冰就会冻得很厚，甚至北京都会冻上1公里厚的冰。这就是冰河时期中的冰期了。当地球全部被冰层覆盖后，还会出现恶性循环。因为冰的反射率远高于地表的土层，所以阳光的能量射入大气层后又会被冰面反射回去，冰就更不容易融化。反射阳光的不仅有冰面，还有云层，最简单直接的理解就是云层把阳光又反射到宇宙空间中了。但云层的主要组成部分就是水蒸气，这也是温室气体，也会阻碍地面的热量散发到宇宙空间中，所以云层的效果一部分是让地球温度升高，另一部分是让地球温度降低。从现在的研究看，总体还是降温效果更大。还有其他影响因素，比如火山灰，它遮挡阳光的同时也阻挡热量散发，总体看火山灰是增加全球温度还是降低全球温度，目前还没有定论。再有就是地球上的二氧化碳90%以上都被海洋溶解了，这些二氧化碳会飘到大气中，这个量也很可观。产生二氧化碳的还有地球上的动植物，有些产生大量温室气体，有些消化大量温室气体。所以全球变暖的模型影响因素非常多，非常复杂，而要找到这些因素中的因果关系可不是件简单的事儿。
解读
全球变暖是一个引导普通人学会用统计学观点得出结论的好案例。客观上看，它也是一种反直觉的获取信息的方法。“反直觉”并不等于故意和直觉对着干，而是在得出结论的思考过程中努力排除情感和直觉的影响。这是一种现代人才有的能力，古代人是无法做到的。关于排除直觉和情感的影响，之前我们还介绍过一个工具：双盲实验。双盲实验和统计学都是现代科学研究最常用到的。
文章后面涉及更深一层的观点：相关度再高也不等于因果关系。要确定因果关系其实是一件极难的事情，在研究客观现象时非常难，在分析主观意愿时更是难上加难。所以一个足够理智的人几乎从不猜他人做某事的动机。
这篇文章虽然列举了影响全球气温的若干因素，但其实是要说一个问题：一个我们不懂的问题，应该更相信谁的结论？答案是科学共同体的结论。科学共同体不是某个科学家、某个科学院院士或某个诺贝尔奖得主，而是某个领域的权威机构。它往往代表了那个领域多数顶尖科学家的共识。虽然任何科学结论都有被证伪或被改进的可能，但当前最难以撼动的就是科学共同体的结论。假如我们是那个领域的外行，相信科学共同体的结论，正确的概率最高。
关于全球变暖，科学共同体的结论是怎样的呢？2013年澳大利亚环境学家约翰·库克（John Cook）给出了统计结果：1991—2011年这二十年间在知名学术期刊（SCI列表中的期刊）上发表的11944篇关于变暖的论文，所有文章都认同全球在变暖，其中97%的文章认为变暖是由人类活动造成的。
