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气候既影响着地球上的生物，也被地球上的生物所影响，两者似乎是共同进化的。两者还都与一些奇妙而复杂的循环发生作用。 环境就是一个由循环构成的复杂网络。这些循环对生命的产生、进化及生存至关重要。水构成了雨、雪和海洋，导致沉积物的沉积。作为一种关键的营养成分，氮无论是在大气中还是在进入土壤和水的过程中，均在其自身的循环结构中发生迁移。氮还与疏循环相关。硫不仅产生酸雨和其他构成潜在危害的状态，它还在蛋白质的功能中发挥必要的作用。对地球上的生命来说，碳是最重要的一种元素，碳循环与外界的一切发生联系。上述循环是如何工作？这些循环内部又各有什么样的危险（如果有的话）对这些问题的解决只能借助于科学家工具箱中最先进的一些仪器，特别是人造卫星和电脑。电脑模拟技术的发展，将使我们中的大多数人尽可能地接近时间机器所观察到的真实状态。 营养成分在一个所谓的生物地球化学循环中发生迁移。生物地球化学循环这一术语是由韦尔纳兹基（V．Vernadsky）在20世纪20年代提出的，它描述的是生命、空气、海洋、陆地和其他化学成分之间的相互作用。气候影响上述循环的途径之一是通过控制物质在这些循环中的流动来实现的，部分地是通过大气环流的作用来实现。与此相应，营养成分有助于大气成分的确定，而大气成分又决定了气候变化。水蒸气就是这种营养成分的一种。当它凝缩成云的时候，更多的太阳射线被反射回太空，影响了气候。水蒸气和云还是温室效应的重要成分。另一方面，水还是维持地球上生命的生存的最重要的营养成分之一。 水文循环与沉积循环 任一时刻，穿越整个大气层的某一垂直柱体所包含的以水蒸气形式出现的水的含量，只有同一柱体下的海洋和冰盖中水的含量的50万分之一。与海洋的含水量相比，每年通过降雨形式降落到全球地表的淡水量也是可以忽略的。但是，不断遭受水文循环的蒸馏和扩散作用的只占地球总水量极小比例的淡水，相当于年降雨量50万立方千米。这一数量足以使地球表面5亿平方千米的面积接受每年约1米的降雨量。 大气和海洋环流的能量当然源自于太阳。它使水从湖泊、海洋和陆地蒸发上升。然后，凝聚作用和雨滴生长等作用使这些水以降雨形式回到地表。水的分布地点和数量，很大程度上决定了在各地得以生存的生命形式。 水还通过蒸腾作用从植物树叶转移到空气中。植物的蒸腾作用与水体和土壤的蒸发作用一起，构成土壤水文蒸发和蒸腾作用。在全球平均水平上，海水的蒸发量6倍于陆地的土壤水分蒸发蒸腾总量，尽管后者在某些大陆中央部位可以是主要的局部蒸发源。由水文循环引起的降雨过程既形成沉积物，也使沉积物遭受侵蚀。水将物质从陆地搬运至海洋，使之最终以沉积物形式在海底沉积。在一个相对较短的时期内，沉积循环包括了侵蚀、营养成分搬运及沉积物形成等过程，其中水流起着重要作用。在一个更长的地质时代，沉积、抬升、海底扩张及大陆漂移等过程变得更为重要。水文循环和沉积循环与以下6种元素的含量分布及迁移相互交织在一起：氢、碳、氧、氮、磷和硫。这6种元素又被称为常量营养元素，活着的有机体的95％以上是由这些元素构成的。要维持各种生命形式，就需要这6种元素之间保持合适时空间和量的平衡。尽管大量的这类营养元素以多种方式（有时不易提取）蕴藏在地壳中，但任一时刻这些重要元素的自然供给量却是相当稳定的。因此，为了使生命得以不断再生，需要这些元素进行反复的循环。 氮循环 作为一个重要的营养元素，氮也是化学上最为复杂的元素之一，其循环以多种形式进行。作为氮的原始形态，氮气（N。）占大气的78％。氮气的一部分在土壤和水中转变为含硝酸控的化合物（亚硝酸盐群）。这种转变就是所谓的固氮作用。氮被“固定在”或依附在其他化学元素上，并与其他原子（典型者如氢原子）之间形成牢固的化学键，这一过程亦被称为是氮的硝化作用。氮可以通过火（包括闪电或汽车引擎的点火或经化学施肥的植物的燃烧）以非生物形式固定下来，也可以通过特殊的固氮有机物而以生物方式固定下来。 被固定的氮残留在空气、土壤和水中。一些特殊的细菌在固氮时从植物中汲取能量来完成其工作。这些细菌常常生长在豆科植物的根瘤中，这些植物包括豌豆科的首精、蚕豆、豌豆和三叶草。由于这些植物具有固氮功能，人们通常在农作物生长季节之间种植这些植物，来补充由于大麦、玉米、西红柿等不具固氮功能的植物的生长而造成的土壤中氮的含量的耗损。通过将这种天然肥料吸收到它们的根茎中，使得这些植物能将适当形式的固定氮引入它们的组织中。这些植物然后通过化学过程将固定氮转变为氨基酸，再转为蛋白质。 生物体内以蛋白质形式固定下来的氮，最终将通过氮循环而转变为其原始状态，即大气中的氮气。当含有固定氮的植物死亡或被动物吞食时，这一转变过程也就随之开始。如果它们被动物吞食，则大多数固定氮以动物排泄物或尸体的形式回归自然。这些含有固定氮的产物（包括没有被吞食但死亡了的植物）将遭遇能分解腐生物的脱氮细菌等，后者可使固氮细菌的工作成果一笔勾销。通过脱氮作用，动物排泄物、动物尸体及死亡植物中的大部分固定氮，经过若干过程而转换成氮气，其一部分则转化为氧化亚氮（俗称笑气）。 与水蒸气和CO。一样，氧化亚氮（N刃）也是一种“温室气体”，它可以捕获地球表层的热量。许多年之后，风可以将氧化亚氮吹至大气层的高层，使得氧化亚氮被紫外线所分解。当氧化亚氮被这一作用所破坏时，同时产生其他的氮氧化物气体（NO和NOZ）o有趣的是，平流层中的NO和NO。被认为是对臭氧的含量起了限制作用。大气中的这类氮氧化物通过化学过程被转换为氮或硝酸盐或亚硝酸盐化合物，后者通过雨水带回地球表面时，可被植物所利用。 硫循环 对气候和生命具重要意义的另一个主要的生物地球化学循环是硫循环。作为营养物质的疏通过在蛋白质的结构和功能中所起的重要作用而对所有生物产生影响。某些数量和形式的硫对植物或动物是有毒的，而另一些流则决定着雨水、地表水和土壤的酸性程度，后者又决定了诸如脱氮作用等一些过程的速率。 与氮一样，硫可以有多种存在形式：二氧化硫气体（SO。）或硫化氢气体、亚硫酸盐化合物。其中亚硫酸盐化合物如在阳光下暴露，可以转变成腐蚀性的硫酸。当硫酸颗粒在空气中飘浮时，它们对笼罩在许多工业地区上空的烦人的烟雾的形成起了促进作用，这些地区往往大量使用含硫的燃料。 可以将空气中的二氧化硫气体或硫酸盐化合物颗粒作为硫循环的开始状态。这些硫酸盐化合物从大气圈中或直接降落、或以雨水形式降落，造成地表环境下硫化物的形成。某些形式的硫被植物吸收到其组织中。然后，与氮一样，当这些植物死亡或被动物消化后，植物中的有机硫化物又重返陆地或水中。在这一过程中，细菌又发挥了重要作用，它们能将有机硫转变为硫化氢气体。海洋中由某些浮游植物产生的一种化学物质，会转变为大气中的二氧化硫气体。这些气体可以重新进入大气圈、水和土壤，使循环继续进行。 硫循环通常进行得较为迅速，而含硫岩石的剥蚀、沉积和抬升等其他过程则需要长得多的时间。火山和人类活动（一般是工业活动）将硫带入环境。当人类燃烧含流的矿物燃料时，释放出来的二氧化硫可以与大气中的水分混合，形成酸雨，从而导致环境恶化。由硫酸小颗粒构成的一层烟雾（称为硫酸盐烟雾）既可以引起肺部疾病，也可以改变大气的反照率，因而影响气候系统吸收太阳辐射能的数量，其结果通常是造成地表变冷。不管其成因是由于工业活动引起，还是由于浮游植物或火山引起，这类硫酸盐烟雾可以改变大气中云层的亮度，影响气候。虽然许多问题有待澄清，但能够肯定的是，总的硫循环，特别是人为因素引起的硫酸盐烟雾、酸雨、工业烟雾，构成了主要的物理学、生物学以及健康与社会的问题。 碳循环 对全球变化最有意义的循环是碳循环。我们知道，以二氧化碳（CO。）形式在大气中存在的碳的含量是很少的（目前是0．035％）。在海洋，沉积物和岩石中以各种形式储存的碳的含量相对来说要多得多。植物在光合作用中利用太阳能，将CO。和水结合起来，利用碳合成来构造其组织的碳水化合物和糖类。在春夏时节，伴随日照的增加和温度的上升，植物以更快的速率从空气中吸收CO。 在北半球，每年的春季和秋季之间，空气中CO。的含量下降约3％。每年碳的吸入量相当于数百亿吨的CO。。在植物较为稀少的南半球，空气和植被之间CO。的交换量大约只是北半球的1／3。 随着秋冬季的开始，由于可将CO。转换为碳水化合物的太阳能减少，温度下降，光合作用的速率变慢。因为活着的植物的呼吸作用以及衰亡植物或死亡有机物的腐败作用超过了光合作用的速率，此时，植物碳循环中的另一部分起主导作用。 诚然，介入碳循环的因素并不限于CO。。海水内部复杂的生物学和化学过程控制着空气和海洋间的CO。交换。地球上植物的产地和数量则是另一类控制因素。此外，诚如我们所知道的那样，诸如水、氮等其他营养成分也是维持生命所必需的。它们与碳和生命在一连串环环相扣的生物地球化学循环中相互作用。 前文提及CO。是地球大气圈中的微量气体，这意味着CO。的含量相对来说是不高的，目前只占大气的0035％。但这一微小百分比所代表的大气圈碳的总重量则有7500亿吨，它对大气圈的热平衡具有显著的影响。CO。的气候学作用在于它能让大多数的太阳辐射通过，但它同时也吸收更大比例的红外辐射，捕获地球热辐射的一部分，否则这些热辐射将从大气圈逸散至太空（换言之，如前所述的那样，CO。是一种“温室气体”）。 大气圈中还有其他一些具有强烈温室效应的微量气体，它们的浓度有可能增加。其中比较突出的是甲烷（CH。）。工业革命以来，CH。的浓度已增加了大约150％。动物、细菌以及采矿、农业等人类活动所带来的污染物均可产生甲烷。氧化亚氮的含量也正在增加，这或许是氮肥使用量增长的一个后果。原始的CO。浓度来自于下列几种作用的组合：将气体带至大气圈的火山喷发活动，岩石的形成和风化作用，有机物质的合成和腐败作用，以及将未腐败的有机物质转变为矿物燃料的化学作用。所有上述作用都在较长的地质时期内发生。人类正在挖掘这些矿物燃料，并以比其形成要快得多的速率消耗它们。工业革命以来的150年间，为了满足能源和农业需求，人类活动已使大气CO。的含量增加了20％一30％，大多数的预测结果指出，到２１世纪中叶，大气CO。含量增加100％不是没有可能的。 大海洋 地球大气圈中总有足够的CO。来支持光合作用。我们也知道通过有机的及无机的机制，CO。不停地被风化作用所消耗。如果风化进行得很完全，地表将不会留下足够的CO。来支持植物的生存，而事实上这种情形还未发生。这里，火山作用，特别是沿海底洋中脊的连续的火山作用，发挥着一定的作用。 将格陵兰的所有冰块融化可使全球海平面仅仅上升5米左右，全球所有山谷冰）11融化也不过将使海平面上升一点儿。而将南极巨大的冰川融化则可产生一个大得多的影响，但即使是这一显著的、难以想象的事件，也将只使海平面上升60米。这一数字还不到地质学家们所知的白望纪海平面上升值的四分之一。1亿年前的白正纪，也是一个霸王龙主宰天下的时代。因此，虽然冰川消融确实能使海平面上升一部分，但它显然也不足以解释发生在白玉纪的海平面上升，这次上升使得当时普遍存在着大量的内陆海洋。与现代陆地占地球表面积的30％不同，白玉纪时期陆地只占地球表面积的20％。那么，引起如此高海平面的其他原因会是什么呢？ 有两种合乎逻辑的可能性：一是当时地球的水量较现代为多；二是当时的大陆下沉到地壳更深的部位。这些推想并无支持依据，因而被大多数科学家认为是极不可能的。 一旦我们把自己放在地质历史时间框架内进行思考，一个最经得住推敲的解释相对来说也是颇为直观的，这就是在地球的那个早期历史时期，洋盆体积较小，因此当时的海水覆盖了更多的陆地。那么又是什么东西充填了早期的洋盆呢？ 最有可能的是来自洋中脊的火山物质，因为l亿年以前洋中脊火山活动的速率可能比新近的要快得多。但是，如果当时构筑成洋中脊的海底火山活动更为频繁，那么，由于火山喷发释放出的气体之一是CO。，当时应有更多的CO。进入地表系统。 尽管今天我们仍未掌握测量恐龙时代大气温度的直接方法，但我们确实知晓下列几个事实：①当时曾经很热。白里纪中期的地表温度比今天要高出10C（或18C），这意味着当时过量的CO。加剧了温室效应并使大气温度升高；②地球各地普遍发育阔叶植被。更多的CO。有利于光合作用的增强；③相当数量的矿物燃料在当时形成。由埋藏的有机物质转变而来的矿物燃料反映了当时可能存在较高的植物或浮游生物生产率，这似乎又令人信服地表明，较高的CO。加剧了光合作用的进行。当然，上述所有证据都只是定性的。 宾夕法尼亚州立大学的埃里克·巴伦（Eric Barron）绘制出了白尘纪时期的大陆漂移图。从图ZI我们可以知道，1亿年以前地模拟的艺术球的地理格局与今日相差甚大。一些内陆浅海将美国分成东西两部分。现今高达1千米多的洛矾山山麓上所见的蛤的化石即与此有关。 由于水体的颜色总的来说比陆地要深，因此它能吸收更多的太阳能。仅仅由于这一因素，减少了三分之一陆地面积的地球比现今地球也要热一些。此外，几乎所有证据都表明，在白玉纪中期，地球两极缺乏衡稳的冰盖。因此，与现代两极覆盖着白色冰盖的地球相比，当时从地球反射回去的太阳光要少一些，这又促进了地球的变暖。为了定量估计白玉纪中期的地球到底有多少热，人们在地球气候系统的三维电脑模拟中考虑了上述因素。 其中一种模拟研究指出，两极无冰盖及地理格局的改变，这两者的结合足以使当时地球的温度比现代高出大约5℃。但与白至纪中期的古气候证据所表示的变暖程度相比，5℃似乎少了一些。在科罗拉多州博而德的美国国家大气研究中心（NCAR）工作的沃伦·华盛顿（Warren Washington）和巴伦两人进行的这一模拟所得出的温度，显然比其他证据所反映的要低得多。而且，鉴于化石证据表示当时在北极圈附近生活着阔叶林和短吻鳄，因此我们可以推断，在白查纪中期，即使是冬季，严寒的出现也是极为稀少的。那么当时的地球，是否热得即使在冬天也甚少在高纬度地区发生结冰？由于美国国家大气研究中心的电脑得出的温度结果偏低，因此在其模拟中可以看到在中、高纬度地区出现大量的冰点以下温度分布区，而这与化石记录所反映的情况是相体的。也许由于我们刚开始进行模拟，模型的不完善造成对地理和冰的变化太不敏感；或许还有其他一些因素在同时起作用，如果我们在模拟中考虑这些因素，模拟的结果可能会更真实地反映实际发生的情况。模拟绝非仅仅是一种学术上的行为，因为我们正是利用这类模拟来预测未来数十年间人类活动对气候所可能带来的影响。为了理解为什么这类模拟研究是如此的复杂，科学家们对之又是如此的着迷，我们有必要理解电脑模拟的构成。下面我将扯开主题，对电脑模拟的基本内容作一简单介绍。 模拟的艺术 对于一个气候学家或生态学家或经济学家来说，能够拥有的最有用的工具就是一个快速、准确的模型。在快速、大型电脑问世之前，这是无论如何都不可能做到的。只有利用快速、大型电脑，人们才能求解方程，对全球观测系统（如人造卫星）的数据进行处理，提出设想并对模型进行检验。确实，在现代巨型电脑问世之前，20世纪60年代，一些大学和大公司使用的在当时已算相当昂贵的电脑的计算速度仍是太慢，无法进行大量的计算。 刘易斯·理查森（I。ewis F，Richardson）是一位倍受科学家们崇敬的具有远见卓识的学者，他被称为大气电脑模拟之父。早在20世纪20年代，也就是在早期电脑得到普遍应用之前40年的时候，理查森就开始尝试用数学方法来计算气候。在理查森之前，人们已在伦敦用戈尔德上校（E．GOld）的气候图索引来进行气候预报。各观测台站将观测到的数据用电报告知位于伦敦的气象办公室，这些数据然后被标在一张大比例尺图上。借助于气候图索引，预报者从以前的气候图中找出大量与刚刚画出的气候图相近的气候图，基于过去曾发生过的将会重复发生这一思想，预报者也就因此做出气候预报。大气的历史被视为是“大气自身在今天的工作模型”，这实际上是地质学家的沟变论原理在大气领域的翻版。理查森则为气候预报找到了一种新的革命性的方法——用反映基本物理学规律的数学模型来代替类比图。 理查森注意到，气候类比图的问题在于气候并不总是沿一相同的模式发生演变的。虽然曾经发生过的可以再次发生，但我们并不能可靠地认定将要发生的必定曾经发生过。因为会出现一些独特的事件或情形。因此，理查森提出了以微分方程（已知自然规律的数学表达）的形式进行气候预报的设想。由于不能精确求解微分方程，因此他建议采用一种逼近的数值方法。他还提出了一系列方案用以将观测数据变成便于进行数值计算的术语。他非常清楚，用他倡导的数值方法来进行实际的气候预报所需的计算能力在当时仍只是一种梦想。在他的梦想中，他预见有这样一种巨大的装置（“像剧院那样的大厅”），这个装置内将有数百台可以进行气候计算的人类“计算机”。理查森使用初始微分方程中的数值法则（现在称之为算法），几次初步尝试都以失败而告终，但这并不意味着其基本思想是错误的。更确切地说，理查森只是没有意识到，除非对其算法稍作改变，否则他所选择的逼近方法会导致一些荒唐的结论。数十年之后，随着核武器竞争所带来的经费资助，使得数学家们找到了使理查森的数值方法取得成功的方法。事实上，这些方法已成为现代普遍采用的气候和天气模型的基础。 模拟的优势在于我们可以进行一些在现实世界中所无法进行或不切实际的实验。从本质上来看，一个模型就是一系列编译成电脑算法的数学方程，它们被用来在电脑中模拟现实情况。它使得科学家们能够提出一系列问题，这些问题一般是假定一些条件，然后考虑会出现什么样的后果。换言之，它使科学家们得以在某一较大的尺度上安全地进行与自然之间的游戏：如果某一条件改变了，气候系统的所有其他方面将会发生什么变化？如果人们改变一个变量，比如太阳的辐射能力，气候及降雨量等其他变量将会出现什么情况？最后，既然各种模型不大可能完全真实地反映实际情况，我们应在多大程度上相信模拟的结果？ 要建立任何一个系统的模型，人们必须事先确定该系统中包含有哪些组成。例如，要建立一个铁路模型，人们必须在模型中包括一些诸如铁轨这样的基本组成单元，然后选择摹仿的机车类型。根据要模拟的铁路模型的真实程度，人们还必须考虑其他一些特征：如水塔、道口、信号、火车站等。 要模拟气候，模拟者必须确定系统的组成单元及所包含的各种变量。例如，如果我们选择模拟冰川期和间冰川期的长周期序列，我们的模型必须明白无误地将过去数百万年间发生作用的气候系统内所有相互作用的重要组分的影响包括进来。如我们所知，生物影响了气候，因此必须将生物包括在气候系统中。这些相互作用的子系统构成了一个模型的内部单元的一部分。 另一方面，如果我们只对模拟短周期（例如某一星期）气候事件感兴趣，那么，我们的模型中可以忽略冰川、深海、陆地形态及森林的任何变化，因为它们在短时期内的变化非常有限。这些因素将被称为模拟气候系统的外界条件。 气候模拟者所言的模型有一系列级别，这些级别可以大到简单的整个地球的、与时间无关的温度模型（即有关在一较长时间跨度内整个地球的平均温度的模型），小至高精度的、三维的、与时间有关的模型。后者将包括大气、海洋、生物圈中的变量，有时甚至包括地壳的变量。可以想象，这些更为综合的模型同时也是极端复杂、难以建模的，而且费用昂贵，其结果又不易验证。人们一般总会认为，随着模型复杂程度的增加，模拟的真实性也相应增加，但实际出现的情况并非总是如此，这使得模拟工作常常成为一项艰巨的任务。 当我们确定了模型所包括的各个过程和子系统后，我们编写出能最好地描述这些变量的算法，使得电脑能够根据这些算法来执行我们所给的命令。我们认为（有时并未加以证明）气候系统中的变量是在按照我们所理解的自然法则相互作用，并可将这些变量以数学形式予以表述。我们所采用的模型的精度及综合程度决定了我们所要表述的算法的数量和类型，使得模型能合理地接近（我们希望）已知的自然法则。对于非常简单的模型来说，描述各个气候变量的行为的数学方程，可以被任何知晓初等代数的高中一年级学生用解析的方法予以求解。尽管如此，一旦气候学家试图在一个模型中加入许多气候变量，或者在一维以上的空间中进行模拟，其数学及其引起的电脑算法的复杂性将大大增加。如果将全球表面划分成大约四万个网格，计算每一网格几天的气候变化通常需占用现代超级电脑一个小时的机时。天气或气候模型中的初始方程通常表达了每一气候变量在时空上的连续变化。但电脑求解的实际方程只是上述初始方程的近似。试以温度为例，现代电脑并不去求解一个针对所有地方的温度的方程，相反，它采用的是逼近法，它从网格中取数，或者说是在离散的时空中取数计算。取数的阿格之间或者测量和计算时间之外的其他时间段的一些模型数据，就需用平均的方法求得。最新的方法已在网格点之间取得了更好的逼近效果。虽然一些局部现象，如湖泊、山谷及各场雷暴雨，可以改变局部的气候条件，但如果网格取得很大，上述条件就不会在电脑代码中出现。现代的气候模拟所采用的网格通常是几百千米的规模（第四章 将进一步深入阐述这种“网格尺度”现象）。因此，解决上述问题的唯一办法是采用更多的网格节点，这意味着需要有更多的数据、进行更多的计算，因而将也是十分昂贵的。每次当网格面积缩小一半时，计算费用将增加10倍。 模拟恐龙时代的气候 让我们现在回到前还美国国家大气研究中心所模拟的白华纪温度过低的那个问题。1984年，我们几个在博而德的研究者试图用一复杂的电脑模型来解决这一则和题。在我们的模型中，我们采用厂假定的白里纪温度模式的各种组合，意在寻找海流是否以某种方式，阻止了模型所预测的高纬度地区内陆冬季严寒气候的出现。我们甚至在模拟中假定北极海洋与其他各地一样，具有较高的表面温度。然而，在我们所进行的所有模拟中，均无法避免出现这样的情况，即漫长的冬夜向太空辐射红外热辐射，这种辐射足以引起严酷的内陆霜期，至少在冬季，当出现来自温暖海洋的风停止吹向高纬度大陆这种偶然情况时，上述情形肯定会发生。从“弱早期太阳佯谬”论争中可以得出这样一种可能性：大气中过量的CO。加剧了温室效应。但这些过量的CO。来自何方？又是如何增加的？ 也是在20世纪80年代，我们在其他实验室工作的一些同事，特别是耶鲁大学的罗伯特·伯纳（Robert Berner），根据反映海底扩张速率变化的地质证据，指出约至亿年前的白至纪中期，是一个显著的海底火山活动时期和扩张加速时期。这两者都使得海底快速堆积大量的火山岩，并因此而导致洋盆体积的缩小和海平面的上升；此外，火山活动还使大量的C（）。进入海洋一大气系统。他们在前文讨论过的盖亚假说和WHAK机制的基础上，提出了一个联合的有机和无机反馈机制。当海底扩张速率较大时，海平面上升，CO。含量增加，气候温暖而潮湿。具有高CO。含量的暖湿气候将加剧风化作用，提高浮游植物的生产率，而这又可以反过来通过无机的风化作用和生物埋藏作用，以碳酸盐沉积物形式来消耗部分的过量CO。。 因此，这就提供了一个消耗CO。的负反馈（起稳定作用），它使得气候不至于变得过热。换言之，在几千万年（而不是数亿年至10亿年）的短时间尺度上，诸如大陆漂移、火山活动及生物活动的速率的变化等因素的联合作用，或许可以使空气中CO。的浓度高达现代CO。浓度的5倍。伯纳及其同事们的模型预计，白玉纪中期的CO。含量将数倍于现代的CO。含量。 在缺乏明确的直接证据的时候，上述描述与其说是经过合理的推敲而被证实，还不如说是带有一定偶然性的自圆其说。如果愿意，你也可以称之为是一个古气候学者的饭后谈资。这也说明为什么当我们过于依赖未加验证的电脑模拟的结果时，科学论争也就随之开始。不幸的是，除电脑模拟以外，还没有其他手段可以进行这类“假如……那么……”的实验。奥妙就在于要向这些电脑问一些它们能够可信地加以回答的问题，而这绝非是一种简单的技巧。 地球化学家们总是支持这样一种观点，即从中生代到现代的互亿年以来，伴随海底扩张速率的减慢，大气的CO。含量也在降低。6600万年以前的白查纪末期，随着当时的恐龙及半数其他属种的生物的灭绝，海底扩张的速率开始变慢。 人们已撰写了大量文章来解释这些奇妙物种的结局，而有关恐龙灭绝的各种解释既包括生物竞争、疾病及其他一些“内在”原因，也包括地球与一颗直径约10千米的小行星或管星之间的巨大撞击。这样一次猛烈撞击所引起的爆炸可以将大量的物质抛向大气圈，遮挡太阳光数月乃至数年之久，从而削弱地表的光合作用，在陆地产生冰冻温度（所谓的小行星冬天）。碰撞的冲击波还使大气产生足够的硝酸，从而使海洋酸化。所有上述效应还可以使地球暂时摆脱臭氧层的影响，强烈改变大气圈的温室特性。外界的灾变所带来的致命的联合干扰作用，可以毁灭当时所有的恐龙和半数其他属种。虽然人们对这一解释的细节尚存较大争议，但这一解释总的来说似乎是合理的，甚至被广泛接受。当20世纪90年代早期，人们在尤卡坦半岛“发现了据信是这样一次撞击事件的冲击坑的痕迹时，这一解释的可信度大大增加了。 尽管有各种灾变事件的出现，如果说地球的气候在过去1亿年以来只是变冷，严格来说这种说法是不正确的。因为地球在自1亿年前演化至今的历史中，既有相对温暖的时期，也有相对寒冷的时期，其中有些时期可延续数百万年（见图1．l）。 无论如何，曾经生活在海底的浮游生物化石的化学成分，可被用来估计这一地质历史时期的海底水温。在过去1亿年间，海底水温似乎最多降低15t”才达到现今0“C左右的全球平均海底水温。同时海平面降低了数百米，各大陆则漂移到现今的位置。大部分内陆海洋消失了，有一部分残留至今日，如波斯湾，地表温度平均下降了10C左右。大约在150O万年至200O万年之前，随着南极洲和南美洲之间的德雷克海道的打开，南极洲开始发育永久冰盖。如前所述，有些学者推测，由于这一大陆和洋底形态的地理格局的改变而得以形成的环南极洲洋流，使得以前曾抵达南极洲大陆岸线的温度较高的洋流开始远离南极洲，而早先的这种暖洋流，则曾经阻止现代南极洲那样的大陆冰盖的形成。另外一些学者则推测，是由于新生代大气CO。浓度的降低，才使冰盖得以在南极洲大陆上逐步发育起来。 倾斜的地球 大约200一300万年以前，覆盖北冰洋的永久冰盖已经形成，古气候记录则开始显示大约4万年为一个周期的明显的热胀冷缩交替时期。4万年是一个有趣的数字，因为它大约相当于地极从与地球轨道面呈大约22．5度交角的位置摆动到24．5度交角的位置所需的时间。目前，地轮的倾斜角度是23．5度，相当于现代北回归线和南回归线所处的纬度。在数千年后的地图上，我们将需要把这些重要界线的位置往赤道方向移动数十千米。在物理上，这意味着地轴的倾角将减少，而冬季和夏季之间的温差将减少数个百分点。 冬季和夏季之间阳光数量的改变或许影响着冰川期的开始或终结（特别是在可以发有巨大冰盖的局北纬地区），这一观点长期以来一直被人们所推测，而最近又有人对之进行了计算，这就是所谓的米兰科维奇”（Milankovitch）机制。最有趣、或许也是最令人困惑的是；人们发现大约在60一80万年前，极端寒冷期和温暖期的主要旋回周期，转变为各间冰川期高峰之间的10万年周期（尽管4万年的周期仍不太明显地存在着）。最后一次主要冰）l问大约在1万年以前结束。2万年前，北欧和北美的大部分地区覆盖着与其现代海拔高度相当的互．64千米问英里）厚的冰盖（图2．2）。冰川在全球各地的高原和山脉中扩大。热带雨林范围收缩，而沙漠则在扩展。大量的海水以冰的形式被限制在大陆上，使得当时的海平面与现代相比下降了100余米。巨大的冰原蚀刻着陆地，塑造着地形。全球范围内平均比现代低约了C一7℃的冰川期温度改变了地球的生态面貌。 为什么在大约80万年前，10万年级别的周期主宰着更短更弱的间冰川期旋回？为什么在数百万年前存在着气候的冷暖旋回？尽管目前已有一些令人鼓舞的观点和计算结果，但围绕上述问题的明确答复仍有待探寻。 远古的空气 地球科学在过去20年间所取得的最有趣的发现之一来自格陵兰和南极的冰芯。雪降落至这些冰冻的大陆上，当雪压实成冰时，雪颗粒之间的空气最终以气泡的形式被封闭在冰中，其中有些气泡已有20万年的年龄。 科学家们将数百个5米长的冰柱从2000一3000米深处带至地表，然后通过雪上飞机将这些冰柱运到岸上，从这里再长途运输到法国、瑞士、丹麦及美国的一些实验室中，用来进行冰芯及气泡的化学成分分析。这些冰芯为我们提供了地球大气圈历史的记录，其时代可以回溯至10一20万年前的祖先尼安德特人时代。 在实验室内，这些被切成条状的冰芯在密封的器皿内进行融化，气泡内释放出来的气体被一些灵敏的仪器所检测。通过这样的工作，我们可以知道，古埃及和阿纳沙兹印第安人（Anasazi丘山ans）所呼吸的空气的成分与现代人呼吸的空气的成分大致相似，只是现代人呼吸的空气中增加了过去一二百年间所带来的污染物。这些污染物主要有：过量的SO。、CO。及甲烷。前文我已指出，工业革命和滥伐森林已使大气的CO。含量增加了25％，而与农业、土地利用及能源利用有关的大量人类活动则使甲烷增加了15％。检测中还发现一些自然变化现象，如大规模火山喷发中的酸雪。 在我看来，来自冰芯的最引人注目的发现并不是在人类文明的过去1万年间温室气体和全球气候的相对稳定性，而是南、北极冰芯所揭示的这样一个事实：即平均来说，本次盛冰川期大气与我们生活的全新世的大部分时期相比，CO。含量要低30％一40％，甲烷含量低50％（事实上，这里的全新世指的是工业革命及其造成污染以前的全新世）。在极盛冰川期及此前的间冰川期（大约12一15万年以前）也发现了温室气体与温度之间类似的直接关系 这一显著的发现暗示：在C（）。、甲烷和气候之间可能存在一种正反馈（不稳定）机制（而不是负反馈机制）。这就是，当地球变冷时，上述温室气体减少，而这又造成被大气圈闭的热量减少，从而加剧地球的变冷。当地球变热时，O）；和甲烷含量增加，从而加快了变热的过程。盖亚假说指出，为了保护气候的稳定性，生命必须发挥作用以控制环境条件。但是，如果说生命在匕述温度一CO。一甲烷关系中起一定作用的话（这是可能的），那么，它对气候条件变化进程所起的作用将是加速，而不是延缓。这里，科学的故事仍旧是不完美的。不管怎样，大多数科学家同意这样一种观点，即生命在晚近的冰川期和间冰川期、气候变化和温室气体之间的正反馈关系中，曾经是一种主要因素。 对我们上面的讨论至关重要的，并不是我们还没有令人信服地找到能够解释生命在CO。一气候正反馈关系中的作用的特殊机制，而在于这种反馈呈现出正反馈特征这一事实。这与我们从大气自高CO。、低O。的太古代，演化至约5亿年前的生物大进化时代（经历10至20亿年的过渡时期）研究中所得的结论不同。如前所述，在这一长期的过渡时期中，生命或许是CO。消耗过程中的一种重要营力，这种消耗有助于气候的稳定，从而构成盖亚假说中隐喻的负反馈。 与此有关，地球化学家罗伯特·伯纳对其早先提出的地球化学模式进行了修改，他在新模式中增加了六种新的成果和因素，包括诸如海底扩张和长时期太阳光照度的增加等无机因素，以及大约3亿年前陆生维管植物的进化和分布所导致的一些有机作用过程。盖亚假说的支持者们曾经指出，后者还导致土壤中化学风化作用加剧进行。 针对大约3亿年之前二叠／三叠纪之交的已被广为承认的寒冷时期，伯纳指出：“在以丰富的煤为特征的二叠纪一石炭纪时期，沉积有机物的大量埋藏造成大气中CO。含量的降低，这一作用使得发生在古生代中期的CO。含量的显著下降，并在此时得到进一步的加剧。CO。含量的下降所造成的温室效应的降低可能对二叠纪一石炭纪的冰J；D作用产生重要影响，这次冰川作用是地球显生宙（过去5．7亿年间）整个历史中规模最大、历时最久的一次冰川作用。这些结果又进一步支持了这样的观点，即认为在地史时期，大气的温室效应是影响全球气候变化的一个重要因素。” 伯纳的研究结果，除了加深我们对温室效应的理解以外，还给气候学上的有机一无机之争带来启示。他明智地忠告思想开明者：“无论是用纯地质学的方法还是用纯生物学的方法来解释长周期的碳循环，均是过于简单化的。” 空前的全球变化吗 将热圈闭的温室效应理论编制成气候的数学模型，计算结果表明，当CO。（或如CH。那样的有相当遮热效应的其他温室气体）含量增加1信时（如果人口、经济、技术如人们所预计的那样继续发展下去，大约在下世纪中叶即可达到这一水平），到2100年，地球气温的增幅范围将是IC一SC。 即使是上述幅度的下限（l），也意味着每百年平均增加l，这一速度10信于从未次冰川期结束到现代间冰川期这段时间内，全球温度自然持续变化的平均速率。如果采用增幅范围的上限，我们将看到，未来百年气候变化的速率是自然持续的气候变化的50倍。以这一速美变化的全球气候，将毫无疑问地促使许多物种调整它们的活动范围，以适应快速变化着的气候条件，就像它们在1一1．5万年以前由冰川期向间冰）；潮过渡时所表现的那样。 史无前例的是人为因素所造成的变化将可能以一个极快的速率进行，与此同时，大自然则由于人类行为所造成的大量化学物质或异地物种的移植而受到改造。因此，理解CO。含量增加1倍后，地球的温度是上升至℃还是SC是相当重要的，这两种预测结果之差别，反映了全球变化是以相对可适应的还是以灾变性的速率发生。 由于与L述多重相互作用反馈机制有关的因素的不确定性，要估计下一世纪全球变热的速率仍是相当困难的。将用于预测未来气候的同样的气候模型应用到白尘纪中期或冰川期一全新世过渡时期，可以为我们提供一定的佐证作用。科学家们的确是这么做了，而且发现在进行地质时代的古气候变化模拟以及未来气候变化的预测过程中，这些气候模型相对来说有一致的表现。虽然这是一条有价值的证据，但它并不能对模型所作的地区性预测的细节加以证实或否定。 如果CO。含量在未来50年内翻一番，将会出现何种后果？纽约大学的马丁·霍弗特（Martin Hoffert）及劳伦斯·利弗莫尔（Lawrence Livermore）国家实验室的柯特·科维（Curt Covey）等科学家，对未次冰盛期与现代这两个时期的CO。及甲烷含量差别与气候之间的关系进行了研究。他们的结论是，如果增加了1倍的CO。使地球的温度升高ZC一2．5C（此值处在前述流行预测值范围的中间），则气候之间的差异正好可以据此来解释。 冰芯记录（见图2．3）表明在过去的大约1万年间（人类文明时代），气候、CO。及甲烷的含量保持相对的稳定。在过去的两个世纪（工业革命时代）以前，温室气体的化学成分也几乎不变。全新世时期，伴随从本次冰）；1期到现代间冰川期的5000年的过渡时期，全球温度平均升高SC和海平面上升100米，此后地球的生态系统和生物聚居地，即以我们今日所知的面貌出现。大自然化了大约5000一1 年的时间，才将北美洲和欧洲的大部分地区以及高纬度海区被冰所覆盖的地表景观，转变为目前的主要在两极陆地和海区以及高山地区才出现终年冰盖的地表景观。由于这一转变正好对应着SC左右的全球变暖，我们因此可以估算全球自然的、持续的稳定变化速率约为IC／千年（请记住这一数字，我们在后面还将多次提及这一数字）。 我已经指出过，这些变化足以使物种的聚居地和聚居的物种环境发生急剧变化。它们或许还导致了诸如猛局象和剑齿虎这类动物的灭绝。 盖亚假说还是共同进化 在某些方面及某些规模上，生命对保持稳定的气候变化起到了促进作用。然而，在从间冰川期到冰川期或从冰川期到间冰川期的过渡时期，生命所起的作用似乎是加速了（而不是减缓了）气候的变化。这种复杂性使我在20世纪80年代，将其与18年前生态学家保罗·埃利希和彼得·雷文（Peter Raven）所命名的一种生物过程相类比。两位学者的研究阐明了两种相互作用的物种的共存，是如何导致与它们相异的另外一些进化路径。他们称之为共同进化。 我觉得，气候与生物的共同进化是一个合适的类比。换言之，如果缺失其中任何一方，生物以及包括气象要素在内的无机环境，将会在地史时期遵循与它们所曾经历过的完全不同的进化路径。共同进化在正反馈或负反馈之间并没有特殊的倾向性要求，它需要的仅仅是相互作用，而地球的化石和沉积记录无疑成为这种相互作用的见证。 最后，如果允许人类将自己视作生命（即生活着的自然系统）的一部分，那么，我们可以说，人类对地球的集体作用，完全可以成为地球未来的一个重要的共同进化因素，这种集体作用被某些研究者称为“工业代谢作用”及新的工业生态学。（有关这种作用好坏与否是一个价值问题，对此我们将在本书的结束部分予以讨论。） 目前人口的持续增长趋势、对高质量生活水准的渴望以及为了达到这些以增长为导向的目标而采取的技术和组织方式，均促进了被经济学家称为残余物（residuals）（而我们大家称之为污染）的副产品的产生。 在这些地质时代内的全球规模的自然实验中，没有一个实验能够精确地与目前正在进行的由人类活动引起的全球变化实验相比较。因此，我们仍无法提供决定性的证据来证实我们的预测是对的。这些实验只是积累一些恰如其分的证据，使得我们目前的预测至少是合乎情理的。它们当然也证实了我的看法，即为了对地球未来的气候变化进行关键的预测，以认识地球生态系统及人类的命运，我们必须从陆地、海洋、冰盖中挖掘出尽可能多的地质、古气候和古生态记录。不幸的是，一些目光短浅的政治势力常急功近利，削减这些似乎深奥难懂的研究的费用。 上述记录是地球自然历史的图书馆。它们提供了一种背景，对照这种背景，我们可以调整目前仍显粗糙的手段来洞察模糊不清的未来，而这种未来正遭受着来自人类的日益增强的影响。 |
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