访问云、化学和气候中心（简称C4）的人首先注意到的是，那里没有一张云的照片。没有乌云密布的照片，没有云类别海报。该中心占据了加利福尼亚州拉霍亚海边山坡上的一栋低矮木质建筑——一个绝佳的观云地点。然而，在主任办公室里，维拉巴德兰·拉马纳坦（Veerabhadran Ramanathan）背对着窗户坐着，层状云从太平洋上空飘过。他愉快地解释说，这种视觉上的声明是无意的，但却很有说服力。他说，我们还没有准备好处理真正的云。它们就是那么复杂和丑陋。
这并不是说像拉马纳坦这样的科学家不能欣赏云所能呈现的无限形状和色调之美。但这些特质使得云几乎不可能被量化。
直到最近，几乎没有理由这样做。与云相关的唯一数字似乎是它们在下雨或消散之前可能持续的几分钟或几小时。鉴于其短暂的存在，云被更多地视为短期天气的被动指标，而不是长期气候的驱动力。直到现在，研究人员才开始认识到云在多大程度上决定了地球吸收或反射多少阳光，以及它向太空散发多少热量。这就是激励像C4（一个由美国和欧洲的大学、政府和工业研究人员组成的联盟）这样的研究小组利用卫星、传感器和侦察机研究云的原因。他们正试图揭示云的辐射效应——也就是说，云对试图穿透它们的热量和光线做了什么。
尽管在任何时刻它们可以覆盖地球四分之三的面积，但云仍然是预测气候中最神秘的因素。它们既能使地球冷却，也能使其变暖，而我们不知道随着气候本身的变化，它们哪种性质会占上风。此外，拉马纳坦和他的同事们已经意识到，云的力量不仅隐藏在未来：它们在引导现在方面发挥的作用比我们曾经想象的要大得多。
云是饱含水分的空气在被太阳加热的地球吸收热量后向上推升、被山坡抬升或被冷而密的空气楔抬升而形成的。由于大气层随着高度升高而冷却，并且冷空气能容纳的水蒸气更少，一些水蒸气凝结成水滴或冰晶，围绕着灰尘或盐的颗粒生长。这些液态和固态水就是云的物质，它们散射光线，使云可见。然而，云仍然是无形的——水滴或冰只占其体积的百万分之一。
然而，云对入射阳光的影响绝非微不足道，任何坐在路过云的阴影下的人都可以证明这一点。当大部分太阳可见光和紫外线辐射从云层反射回太空时，就形成了这种阴影。一朵云的反射程度取决于许多因素，但通常情况下，如果水滴小而多，或者如果它含有某些类型的污染物，那么一朵云会更亮，因此反射性更强。
穿透云层的阳光使地球表面变暖，这些热量最终必须散发出去。地球通过两种方式散热。一部分以红外能量的形式直接辐射，其中一部分被大气中的分子——主要是二氧化碳和水蒸气——以及云中的液态和固态水吸收。这种能量不断被吸收和重新辐射到地球表面附近，提高了温度，从而产生了维持地球生命所需的温室效应。（这种现象也解释了为什么多云的夜晚通常比晴朗的夜晚暖和——地球释放白天收集的热量，这些热量被云层困住。）
地球降温的另一种方式是释放潜热。当水分子从液态变为气态时，它会从周围环境中吸收能量。因此，当你晴天从游泳池里出来，水从你的皮肤蒸发时，你会感到一阵寒意。而当水蒸气凝结回液体时，它会释放出被“窃取”的热量——这就是为什么当你向桑拿房的煤炭上泼水时，你会感到一阵热浪，因为水蒸气凝结在你的皮肤上并释放出潜热。蒸发自陆地或海洋并被暖空气带到高空的水，也基本上发生了同样的事情。当水蒸气在云中凝结成液体时，它会释放出潜热。
长期以来，潜热一直被认为是全球天气模式背后的驱动力。该理论始于这样一种观察：入射的阳光并没有均匀分布在地球表面——热带地区接收的能量大约是两极的两倍半。当水从热带地区蒸发，升入大气层并释放其热量时，大量能量被注入到较高海拔。潜热启动了一个全球引擎，试图通过将暖空气推向寒冷的两极来使地球达到平衡。当空气冷却并下沉到旋转的地球时，就产生了我们天气的复杂性——喷射气流和信风，主导的东西向和南北向环流单元，旋转的气旋和飓风。（海洋也有一个从赤道到两极的温度梯度，驱动着一个强大但较慢的热机。）
这个理论构成了一个简洁的气候故事，其中云的作用不大。它们只是潜热的附带产物，只是天气引擎上的装饰。这个故事唯一的问题，正如C4的研究人员所发现的，是数据不支持其情节。
对于拉马纳坦和他的许多同事来说，云是一个相对较新的研究领域。二十年前，他们中的大多数人刚刚开始思考燃烧化石燃料产生的二氧化碳和其他气体是否会放大自然温室效应并威胁到地球过热。例如，拉马纳坦是第一个计算出破坏臭氧层的氯氟烃也是强大的温室气体的人。然而，到20世纪80年代中期，他意识到自己的信息是多么有限。拉马纳坦说，在撰写了十年论文之后，很明显，我关于气候变化的几乎所有言论可能都没有多大价值，因为我无法知道云将如何响应。
计算机模型表明，增加空气中的二氧化碳量应该会提高温度。更暖的空气也会容纳更多的水蒸气，这可能使温室效应增加多达50%。总而言之，二氧化碳翻倍可能会使地球升温3到8度。然而，也有可能，更暖、更湿润的大气会产生不同的云层覆盖模式，这可能会显著增强或抵消升温。但在20世纪80年代早期，气候学家无法说明云的正常净效应是什么，更不用说预测未来的云将如何变化。
拉马纳坦设计了一种获取答案的方法。当时，美国国家航空航天局（NASA）正在设计三颗卫星，统称为地球辐射收支实验（ERBE），以监测地球的入出热量。拉马纳坦意识到，通过调整卫星数据，他可以估算云的辐射效应。首先，他需要识别ERBE数据中的晴空。从太空看，无云区域将显示为最暗（因为它们反射回卫星的阳光较少），并释放最多的热量（因为它们无法阻挡逃逸的红外辐射）。此外，没有云层覆盖，晴空区域看起来会更加均匀。一旦他识别出晴空区域，他就可以将它们从ERBE数据中减去，只剩下云。
这不是一个简单的计算。尽管卫星发射始于1984年，但直到1989年，拉马纳坦和六位同事才得以宣布他们的结论。他们说，目前，云在冷却地球方面比加热地球更有效，从地球表面每六乘六英尺的区域移除了一个60瓦灯泡的热量。这是一个巨大的辐射量；结果表明，目前，云的净冷却效应是二氧化碳翻倍预期增温的四倍。没有云，地球可能会热20度。
然而，在这些直接的结论之下，隐藏着一个丰富但令人困惑的复杂层次。云有十种类型——大气科学家根据它们的高度、形状和形成的历史对其进行分类。在高层大气中，冰晶形成羽毛状的卷云。靠近地面，水滴组成蓬松的积云和暗淡的层云。还有混合形式，如层积云的合并块。只有10%的云实际上会下雨、下冰雹、下雪或下冰雹，而且它们的名称中都带有“雨层”字样。有平坦的灰色的雨层云，以及由快速上升的热空气形成的垂直的积雨云。当空气上升时，下方的低压将周围潮湿的空气吸入，将其抬升到高达十英里的高空。在那里，它遇到由臭氧（一种特别强的温室气体）形成的暖空气层，形成一个“天花板”。积雨云水平扩散，形成扁平顶部卷云的厚毯，称为砧状云。
ERBE扫描仪，只设计用于记录辐射，无法告诉拉马纳坦他处理的是哪种类型的云。他和他的同事不得不依赖船只对每个区域主要云类型的观测。一旦他们将地面观测与卫星数据配对，他们发现不同类型的云反射阳光和吸收上升热量的方式不同。明亮的层云团在北大西洋和北太平洋上空形成巨大的轨迹，也覆盖了南极洲周围的南大洋；这些云的反射能力远大于吸收能力，并产生最大的净冷却效应。相比之下，热带高空的卷冰云吸收了足够的热量，抵消了它们的反射冷却效应。
这些云效应的分布——热带地区比中高纬度地区升温更多——与潜热一样重要，共同形成了驱动热带热机的大气温度梯度。科罗拉多州立大学的大气科学家大卫·兰德尔将包含云效应的气候模型与不包含云效应的气候模型进行了比较。如果没有云，就没有足够的热量分配到两极，因此天气模式会显著减慢。云的正确位置也至关重要。如果它们随机分散，模型就会表现异常：海洋试图将自身的热量从两极向赤道逆向输送，以弥补错位的云。
兰德尔说：“潜热仍然很重要。只是我们过去认为它是一只800磅重的大猩猩，现在它是一只500磅重的大猩猩。多出来的重量转嫁到了云上。”
云层也可能有助于防止热带地区过热。热带海洋中有几个极其炎热的区域，例如印度尼西亚附近的西太平洋暖池。大量水蒸气应该从这些区域蒸发，并在空气中充当局部温室气体，加热大气。更热的空气应该会加热海洋，增加蒸发，增加更多的水蒸气，如此循环往复，形成不受控制的反馈。然而，暖池的温度很少升至86华氏度以上。
拉马纳坦回忆道：“我们心里很清楚，有什么东西正在给这个系统踩刹车。”三十年来，热带气象学家一直认为蒸发提供了足够的刹车作用：当水蒸气从海洋逸出时，它带走了能量并冷却了海洋。但支持这一观点的测量数据很少，因此拉马纳坦和斯克里普斯海洋研究所的威廉·柯林斯决定查看ERBE对中太平洋一个异常热点的读数。通常，深层冷水的上升流会使该区域的海洋表面保持凉爽，但在偶尔被称为厄尔尼诺的扰动期间，上升流停止，温度升高4到7度，从而在全球范围内造成戏剧性的天气模式中断。然而，尽管海洋温度升高，但并未出现失控的温室效应。
拉马纳坦和柯林斯能够将1987年厄尔尼诺现象的暖水与两年前的凉爽读数进行比较，这些差异使他们提出了一个当时看起来非同寻常的假设。他们说，抑制温室效应的不是蒸发，而是云。热带热点会产生高耸的积雨云，而积雨云又会形成卷云砧，这些卷云砧可以将海面遮蔽数百英里。研究人员发现，海洋越热，天空中形成的砧状云就越多，这些砧状云反射了足够的阳光，从而阻止了加热。
当拉马纳坦和柯林斯在1991年宣布他们的云恒温器假说时，大多数气象学家充其量只是对这个想法持冷淡态度。在他们看来，云仅仅通过遮蔽天空就能产生如此深远的影响，这似乎太牵强了。即使砧状云能够冷却一些局部热点，它们对全球气候产生重大影响的可能性也微乎其微。
另一方面，一些报道表明拉马纳坦和柯林斯找到了气候中内置的安全开关。这些报道暗示，即使人类用温室气体提高了全球温度，云也会将我们从自己手中拯救出来。这引起了当时的参议员阿尔·戈尔的注意，他召集拉马纳坦和他的批评者到国会山举行听证会。
拉马纳坦说：“不知何故，人们认为我们正在提出一个解决全球变暖的方案。事实并非如此。无论云中存在何种自然稳定力，我们能推动它们的极限是有限的。例如，金星是我们太阳系中云量最多的行星，但它的地表温度也是最高的。它的云在反射阳光方面做得非常好——其地表接收的太阳能只有地球的一半。然而，云、二氧化碳和水蒸气的综合温室效应远远超过了冷却效应，使金星地表温度保持在900度。”
即使云恒温器能够阻止失控的温室效应，这种“疗法”也可能与疾病本身一样痛苦。要产生足够的云量来发挥作用，世界上大部分海洋都必须显著升温。那将破坏海洋中控制洋流并驱动天气的温度梯度。一个被免于失控温室效应的云世界，可能会转而遭受类似于全球厄尔尼诺现象的灾难。
模拟结果为拉马纳坦和柯林斯提供了一些支持。当科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的杰拉尔德·米尔将云恒温器连接到他的海洋-大气模型时，它产生了一系列反馈效应，削弱了东西向环流，促进了热带其他地区的降温，增加了热带陆地的降雨，并最终将其冷却效应传播到高纬度地区。
但是真正的证实需要对实际的云进行彻底的观察，幸运的是，拉马纳坦在1993年得到了这样的机会，当时国家科学基金会和能源部资助了有史以来最大规模的云辐射效应研究之一——中赤道太平洋实验（CEPEX）。拉马纳坦说：“政府决定，如果我们能惹恼这么多杰出的科学家，那么就有必要去查明这个想法是否有道理。”
1993年3月，一支飞机和船只组成的团队在热带太平洋会合，监测云层。一架改装过的U2侦察机在6万英尺高空，一架里尔喷气机在4万英尺高空，一架P3潜艇猎人掠过洋面一百英尺，它们从暖池向较冷的太平洋中部串联飞行了数百英里，必要时还勇敢地穿越高耸的雷雨云。与此同时，“维克斯”号科考船测量着从海面散发的热量和水蒸气。控制所有这些扫描的，是拉马纳坦的团队，他们在斐济一间没有窗户的控制室里挤了六周，通过卫星追踪云层，几乎从未见过真正的云。拉马纳坦说：“这相当令人兴奋——几乎让我想起了我的高中侦察兵营地。但也相当残酷，根本不是热带天堂。”
艰苦的日常工作取得了回报，揭示出蒸发在保持海洋凉爽方面的效果远低于预期。从船上，研究人员测量到海洋表面附近水蒸气浓度异常高。它吸收了海洋辐射出的红外能量，然后又将其中的一部分重新辐射回海面，阻止了海洋有效自我冷却。在一些最热的区域，蒸发的冷却效应仅为每六英尺见方的海洋400瓦，是早期模型预测的一半。这些区域中，云的冷却遮蔽作用恰好弥补了这400瓦的缺口。
但在长期缺乏硬数据的科学领域，实验往往会带来意外惊喜。研究人员发现，来自船只和卫星的测量结果对不上。一些阳光“失踪”了。
由于这部分阳光既没有到达云层下方的海洋，也没有反射回太空，所以它唯一的藏身之处就是云层本身。这与之前对云的假设背道而驰。人们认为云会将入射的阳光反射出去，并吸收从下方上升的红外辐射。虽然研究人员知道水蒸气通常可以吸收一些入射阳光，但没有人认为当水蒸气变成云时，它能够吸收更多。然而，显然，它可以。拉马纳坦说：“我们完全惊呆了。”随后，CEPEX团队成员、纽约州立大学石溪分校的罗伯特·塞斯在阿拉斯加巴罗到塔斯马尼亚格里姆角等其他五个地点的数据中发现了类似效应。研究人员得出结论，云不仅反射阳光，而且吸收的阳光是他们之前假设的四倍，阻止了相当于一个额外100瓦灯泡的热量到达地球表面每六英尺乘六英尺的区域——这几乎是它们从上升红外辐射中吸收能量的两倍。
并非所有人都接受这些结论。拉马纳坦说，健康的怀疑仍然存在，因为目前还没有人能解释云为何能吸收如此多的阳光。一些人认为这是云中水滴或冰晶的作用；另一些人则认为这是由于它们携带的污染物或天然杂质。也许光子在云粒子中穿梭，或者在斑驳的云之间来回反弹。塞斯承认，也许在从蒸汽到液态水或冰的相变过程中，发生了一些我们不理解的事情。
然而，无论作用机制是什么，CEPEX研究人员意识到，如果他们的测量结果是正确的，那么云对驱动全球热机的作用必须比他们想象的更为关键。由于阳光被云层吸收，大气层从地面获得潜热的需求更少，就能启动环流模式。模型构建者现在才开始将这些最新结果纳入他们的模拟中。最终，他们应该能够构建准确预测云在受人类影响的大气中如何表现，以及气候将如何响应的模型。但首先，他们必须更多地了解云的物理和化学如何影响其辐射特性。
拉马纳坦说，最终的解决方案将是，当我们能在墙上挂上美丽的云图，并且仅仅通过观察它们就能了解它们的辐射特性时。目前，他们必须将目光集中在精确的数字上。拉马纳坦补充说，我们中没有人准备好迎接真实的云。
