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气候既影響著地球上的生物，也被地球上的生物所影響，兩者似乎是共同進化的。兩者還都与一些奇妙而复雜的循環發生作用。 環境就是一個由循環构成的复雜网絡。這些循環對生命的產生、進化及生存至關重要。水构成了雨、雪和海洋，導致沉積物的沉積。作為一种關鍵的營養成分，氮無論是在大气中還是在進入土壤和水的過程中，均在其自身的循環結构中發生遷移。氮還与疏循環相關。硫不僅產生酸雨和其他构成潛在危害的狀態，它還在蛋白質的功能中發揮必要的作用。對地球上的生命來說，碳是最重要的一种元素，碳循環与外界的一切發生聯系。上述循環是如何工作？這些循環內部又各有什么樣的危險（如果有的話）對這些問題的解決只能借助于科學家工具箱中最先進的一些儀器，特別是人造衛星和電腦。電腦模擬技術的發展，將使我們中的大多數人盡可能地接近時間机器所觀察到的真實狀態。 營養成分在一個所謂的生物地球化學循環中發生遷移。生物地球化學循環這一術語是由韋爾納茲基（V．Vernadsky）在20世紀20年代提出的，它描述的是生命、空气、海洋、陸地和其他化學成分之間的相互作用。气候影響上述循環的途徑之一是通過控制物質在這些循環中的流動來實現的，部分地是通過大气環流的作用來實現。与此相應，營養成分有助于大气成分的确定，而大气成分又決定了气候變化。水蒸气就是這种營養成分的一种。當它凝縮成云的時候，更多的太陽射線被反射回太空，影響了气候。水蒸气和云還是溫室效應的重要成分。另一方面，水還是維持地球上生命的生存的最重要的營養成分之一。 水文循環与沉積循環 任一時刻，穿越整個大气層的某一垂直柱体所包含的以水蒸气形式出現的水的含量，只有同一柱体下的海洋和冰蓋中水的含量的50万分之一。与海洋的含水量相比，每年通過降雨形式降落到全球地表的淡水量也是可以忽略的。但是，不斷遭受水文循環的蒸餾和擴散作用的只占地球總水量极小比例的淡水，相當于年降雨量50万立方千米。這一數量足以使地球表面5億平方千米的面積接受每年約1米的降雨量。 大气和海洋環流的能量當然源自于太陽。它使水從湖泊、海洋和陸地蒸發上升。然后，凝聚作用和雨滴生長等作用使這些水以降雨形式回到地表。水的分布地點和數量，很大程度上決定了在各地得以生存的生命形式。 水還通過蒸騰作用從植物樹葉轉移到空气中。植物的蒸騰作用与水体和土壤的蒸發作用一起，构成土壤水文蒸發和蒸騰作用。在全球平均水平上，海水的蒸發量6倍于陸地的土壤水分蒸發蒸騰總量，盡管后者在某些大陸中央部位可以是主要的局部蒸發源。由水文循環引起的降雨過程既形成沉積物，也使沉積物遭受侵蝕。水將物質從陸地搬運至海洋，使之最終以沉積物形式在海底沉積。在一個相對較短的時期內，沉積循環包括了侵蝕、營養成分搬運及沉積物形成等過程，其中水流起著重要作用。在一個更長的地質時代，沉積、抬升、海底擴張及大陸漂移等過程變得更為重要。水文循環和沉積循環与以下6种元素的含量分布及遷移相互交織在一起：氫、碳、氧、氮、磷和硫。這6种元素又被稱為常量營養元素，活著的有机体的95％以上是由這些元素构成的。要維持各种生命形式，就需要這6种元素之間保持合适時空間和量的平衡。盡管大量的這類營養元素以多种方式（有時不易提取）蘊藏在地殼中，但任一時刻這些重要元素的自然供給量卻是相當穩定的。因此，為了使生命得以不斷再生，需要這些元素進行反复的循環。 氮循環 作為一個重要的營養元素，氮也是化學上最為复雜的元素之一，其循環以多种形式進行。作為氮的原始形態，氮气（N。）占大气的78％。氮气的一部分在土壤和水中轉變為含硝酸控的化合物（亞硝酸鹽群）。這种轉變就是所謂的固氮作用。氮被“固定在”或依附在其他化學元素上，并与其他原子（典型者如氫原子）之間形成牢固的化學鍵，這一過程亦被稱為是氮的硝化作用。氮可以通過火（包括閃電或汽車引擎的點火或經化學施肥的植物的燃燒）以非生物形式固定下來，也可以通過特殊的固氮有机物而以生物方式固定下來。 被固定的氮殘留在空气、土壤和水中。一些特殊的細菌在固氮時從植物中汲取能量來完成其工作。這些細菌常常生長在豆科植物的根瘤中，這些植物包括豌豆科的首精、蚕豆、豌豆和三葉草。由于這些植物具有固氮功能，人們通常在農作物生長季節之間种植這些植物，來補充由于大麥、玉米、西紅柿等不具固氮功能的植物的生長而造成的土壤中氮的含量的耗損。通過將這种天然肥料吸收到它們的根莖中，使得這些植物能將适當形式的固定氮引入它們的組織中。這些植物然后通過化學過程將固定氮轉變為氨基酸，再轉為蛋白質。 生物体內以蛋白質形式固定下來的氮，最終將通過氮循環而轉變為其原始狀態，即大气中的氮气。當含有固定氮的植物死亡或被動物吞食時，這一轉變過程也就隨之開始。如果它們被動物吞食，則大多數固定氮以動物排泄物或尸体的形式回歸自然。這些含有固定氮的產物（包括沒有被吞食但死亡了的植物）將遭遇能分解腐生物的脫氮細菌等，后者可使固氮細菌的工作成果一筆勾銷。通過脫氮作用，動物排泄物、動物尸体及死亡植物中的大部分固定氮，經過若干過程而轉換成氮气，其一部分則轉化為氧化亞氮（俗稱笑气）。 与水蒸气和CO。一樣，氧化亞氮（N刃）也是一种“溫室气体”，它可以捕獲地球表層的熱量。許多年之后，風可以將氧化亞氮吹至大气層的高層，使得氧化亞氮被紫外線所分解。當氧化亞氮被這一作用所破坏時，同時產生其他的氮氧化物气体（NO和NOZ）o有趣的是，平流層中的NO和NO。被認為是對臭氧的含量起了限制作用。大气中的這類氮氧化物通過化學過程被轉換為氮或硝酸鹽或亞硝酸鹽化合物，后者通過雨水帶回地球表面時，可被植物所利用。 硫循環 對气候和生命具重要意義的另一個主要的生物地球化學循環是硫循環。作為營養物質的疏通過在蛋白質的結构和功能中所起的重要作用而對所有生物產生影響。某些數量和形式的硫對植物或動物是有毒的，而另一些流則決定著雨水、地表水和土壤的酸性程度，后者又決定了諸如脫氮作用等一些過程的速率。 与氮一樣，硫可以有多种存在形式：二氧化硫气体（SO。）或硫化氫气体、亞硫酸鹽化合物。其中亞硫酸鹽化合物如在陽光下暴露，可以轉變成腐蝕性的硫酸。當硫酸顆粒在空气中飄浮時，它們對籠罩在許多工業地區上空的煩人的煙霧的形成起了促進作用，這些地區往往大量使用含硫的燃料。 可以將空气中的二氧化硫气体或硫酸鹽化合物顆粒作為硫循環的開始狀態。這些硫酸鹽化合物從大气圈中或直接降落、或以雨水形式降落，造成地表環境下硫化物的形成。某些形式的硫被植物吸收到其組織中。然后，与氮一樣，當這些植物死亡或被動物消化后，植物中的有机硫化物又重返陸地或水中。在這一過程中，細菌又發揮了重要作用，它們能將有机硫轉變為硫化氫气体。海洋中由某些浮游植物產生的一种化學物質，會轉變為大气中的二氧化硫气体。這些气体可以重新進入大气圈、水和土壤，使循環繼續進行。 硫循環通常進行得較為迅速，而含硫岩石的剝蝕、沉積和抬升等其他過程則需要長得多的時間。火山和人類活動（一般是工業活動）將硫帶入環境。當人類燃燒含流的礦物燃料時，釋放出來的二氧化硫可以与大气中的水分混合，形成酸雨，從而導致環境惡化。由硫酸小顆粒构成的一層煙霧（稱為硫酸鹽煙霧）既可以引起肺部疾病，也可以改變大气的反照率，因而影響气候系統吸收太陽輻射能的數量，其結果通常是造成地表變冷。不管其成因是由于工業活動引起，還是由于浮游植物或火山引起，這類硫酸鹽煙霧可以改變大气中云層的亮度，影響气候。雖然許多問題有待澄清，但能夠肯定的是，總的硫循環，特別是人為因素引起的硫酸鹽煙霧、酸雨、工業煙霧，构成了主要的物理學、生物學以及健康与社會的問題。 碳循環 對全球變化最有意義的循環是碳循環。我們知道，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，沉積物和岩石中以各种形式儲存的碳的含量相對來說要多得多。植物在光合作用中利用太陽能，將CO。和水結合起來，利用碳合成來构造其組織的碳水化合物和糖類。在春夏時節，伴隨日照的增加和溫度的上升，植物以更快的速率從空气中吸收CO。 在北半球，每年的春季和秋季之間，空气中CO。的含量下降約3％。每年碳的吸入量相當于數百億吨的CO。。在植物較為稀少的南半球，空气和植被之間CO。的交換量大約只是北半球的1／3。 隨著秋冬季的開始，由于可將CO。轉換為碳水化合物的太陽能減少，溫度下降，光合作用的速率變慢。因為活著的植物的呼吸作用以及衰亡植物或死亡有机物的腐敗作用超過了光合作用的速率，此時，植物碳循環中的另一部分起主導作用。 誠然，介入碳循環的因素并不限于CO。。海水內部复雜的生物學和化學過程控制著空气和海洋間的CO。交換。地球上植物的產地和數量則是另一類控制因素。此外，誠如我們所知道的那樣，諸如水、氮等其他營養成分也是維持生命所必需的。它們与碳和生命在一連串環環相扣的生物地球化學循環中相互作用。 前文提及CO。是地球大气圈中的微量气体，這意味著CO。的含量相對來說是不高的，目前只占大气的0035％。但這一微小百分比所代表的大气圈碳的總重量則有7500億吨，它對大气圈的熱平衡具有顯著的影響。CO。的气候學作用在于它能讓大多數的太陽輻射通過，但它同時也吸收更大比例的紅外輻射，捕獲地球熱輻射的一部分，否則這些熱輻射將從大气圈逸散至太空（換言之，如前所述的那樣，CO。是一种“溫室气体”）。 大气圈中還有其他一些具有強烈溫室效應的微量气体，它們的濃度有可能增加。其中比較突出的是甲烷（CH。）。工業革命以來，CH。的濃度已增加了大約150％。動物、細菌以及采礦、農業等人類活動所帶來的污染物均可產生甲烷。氧化亞氮的含量也正在增加，這或許是氮肥使用量增長的一個后果。原始的CO。濃度來自于下列几种作用的組合：將气体帶至大气圈的火山噴發活動，岩石的形成和風化作用，有机物質的合成和腐敗作用，以及將未腐敗的有机物質轉變為礦物燃料的化學作用。所有上述作用都在較長的地質時期內發生。人類正在挖掘這些礦物燃料，并以比其形成要快得多的速率消耗它們。工業革命以來的150年間，為了滿足能源和農業需求，人類活動已使大气CO。的含量增加了20％一30％，大多數的預測結果指出，到２１世紀中葉，大气CO。含量增加100％不是沒有可能的。 大海洋 地球大气圈中總有足夠的CO。來支持光合作用。我們也知道通過有机的及無机的机制，CO。不停地被風化作用所消耗。如果風化進行得很完全，地表將不會留下足夠的CO。來支持植物的生存，而事實上這种情形還未發生。這里，火山作用，特別是沿海底洋中脊的連續的火山作用，發揮著一定的作用。 將格陵蘭的所有冰塊融化可使全球海平面僅僅上升5米左右，全球所有山谷冰）11融化也不過將使海平面上升一點儿。而將南极巨大的冰川融化則可產生一個大得多的影響，但即使是這一顯著的、難以想象的事件，也將只使海平面上升60米。這一數字還不到地質學家們所知的白望紀海平面上升值的四分之一。1億年前的白正紀，也是一個霸王龍主宰天下的時代。因此，雖然冰川消融确實能使海平面上升一部分，但它顯然也不足以解釋發生在白玉紀的海平面上升，這次上升使得當時普遍存在著大量的內陸海洋。与現代陸地占地球表面積的30％不同，白玉紀時期陸地只占地球表面積的20％。那么，引起如此高海平面的其他原因會是什么呢？ 有兩种合乎邏輯的可能性：一是當時地球的水量較現代為多；二是當時的大陸下沉到地殼更深的部位。這些推想并無支持依据，因而被大多數科學家認為是极不可能的。 一旦我們把自己放在地質歷史時間框架內進行思考，一個最經得住推敲的解釋相對來說也是頗為直觀的，這就是在地球的那個早期歷史時期，洋盆体積較小，因此當時的海水覆蓋了更多的陸地。那么又是什么東西充填了早期的洋盆呢？ 最有可能的是來自洋中脊的火山物質，因為l億年以前洋中脊火山活動的速率可能比新近的要快得多。但是，如果當時构筑成洋中脊的海底火山活動更為頻繁，那么，由于火山噴發釋放出的气体之一是CO。，當時應有更多的CO。進入地表系統。 盡管今天我們仍未掌握測量恐龍時代大气溫度的直接方法，但我們确實知曉下列几個事實：１當時曾經很熱。白里紀中期的地表溫度比今天要高出10C（或18C），這意味著當時過量的CO。加劇了溫室效應并使大气溫度升高；２地球各地普遍發育闊葉植被。更多的CO。有利于光合作用的增強；３相當數量的礦物燃料在當時形成。由埋藏的有机物質轉變而來的礦物燃料反映了當時可能存在較高的植物或浮游生物生產率，這似乎又令人信服地表明，較高的CO。加劇了光合作用的進行。當然，上述所有證据都只是定性的。 賓夕法尼亞州立大學的埃里克·巴倫（Eric Barron）繪制出了白塵紀時期的大陸漂移圖。從圖ZI我們可以知道，1億年以前地模擬的藝術球的地理格局与今日相差甚大。一些內陸淺海將美國分成東西兩部分。現今高達1千米多的洛礬山山麓上所見的蛤的化石即与此有關。 由于水体的顏色總的來說比陸地要深，因此它能吸收更多的太陽能。僅僅由于這一因素，減少了三分之一陸地面積的地球比現今地球也要熱一些。此外，几乎所有證据都表明，在白玉紀中期，地球兩极缺乏衡穩的冰蓋。因此，与現代兩极覆蓋著白色冰蓋的地球相比，當時從地球反射回去的太陽光要少一些，這又促進了地球的變暖。為了定量估計白玉紀中期的地球到底有多少熱，人們在地球气候系統的三維電腦模擬中考慮了上述因素。 其中一种模擬研究指出，兩极無冰蓋及地理格局的改變，這兩者的結合足以使當時地球的溫度比現代高出大約5℃。但与白至紀中期的古气候證据所表示的變暖程度相比，5℃似乎少了一些。在科羅拉多州博而德的美國國家大气研究中心（NCAR）工作的沃倫·華盛頓（Warren Washington）和巴倫兩人進行的這一模擬所得出的溫度，顯然比其他證据所反映的要低得多。而且，鑒于化石證据表示當時在北极圈附近生活著闊葉林和短吻鱷，因此我們可以推斷，在白查紀中期，即使是冬季，嚴寒的出現也是极為稀少的。那么當時的地球，是否熱得即使在冬天也甚少在高緯度地區發生結冰？由于美國國家大气研究中心的電腦得出的溫度結果偏低，因此在其模擬中可以看到在中、高緯度地區出現大量的冰點以下溫度分布區，而這与化石記錄所反映的情況是相体的。也許由于我們剛開始進行模擬，模型的不完善造成對地理和冰的變化太不敏感；或許還有其他一些因素在同時起作用，如果我們在模擬中考慮這些因素，模擬的結果可能會更真實地反映實際發生的情況。模擬絕非僅僅是一种學術上的行為，因為我們正是利用這類模擬來預測未來數十年間人類活動對气候所可能帶來的影響。為了理解為什么這類模擬研究是如此的复雜，科學家們對之又是如此的著迷，我們有必要理解電腦模擬的构成。下面我將扯開主題，對電腦模擬的基本內容作一簡單介紹。 模擬的藝術 對于一個气候學家或生態學家或經濟學家來說，能夠擁有的最有用的工具就是一個快速、准确的模型。在快速、大型電腦問世之前，這是無論如何都不可能做到的。只有利用快速、大型電腦，人們才能求解方程，對全球觀測系統（如人造衛星）的數据進行處理，提出設想并對模型進行檢驗。确實，在現代巨型電腦問世之前，20世紀60年代，一些大學和大公司使用的在當時已算相當昂貴的電腦的計算速度仍是太慢，無法進行大量的計算。 劉易斯·理查森（I。ewis F，Richardson）是一位倍受科學家們崇敬的具有遠見卓識的學者，他被稱為大气電腦模擬之父。早在20世紀20年代，也就是在早期電腦得到普遍應用之前40年的時候，理查森就開始嘗試用數學方法來計算气候。在理查森之前，人們已在倫敦用戈爾德上校（E．GOld）的气候圖索引來進行气候預報。各觀測台站將觀測到的數据用電報告知位于倫敦的气象辦公室，這些數据然后被標在一張大比例尺圖上。借助于气候圖索引，預報者從以前的气候圖中找出大量与剛剛畫出的气候圖相近的气候圖，基于過去曾發生過的將會重复發生這一思想，預報者也就因此做出气候預報。大气的歷史被視為是“大气自身在今天的工作模型”，這實際上是地質學家的溝變論原理在大气領域的翻版。理查森則為气候預報找到了一种新的革命性的方法——用反映基本物理學規律的數學模型來代替類比圖。 理查森注意到，气候類比圖的問題在于气候并不總是沿一相同的模式發生演變的。雖然曾經發生過的可以再次發生，但我們并不能可靠地認定將要發生的必定曾經發生過。因為會出現一些獨特的事件或情形。因此，理查森提出了以微分方程（已知自然規律的數學表達）的形式進行气候預報的設想。由于不能精确求解微分方程，因此他建議采用一种逼近的數值方法。他還提出了一系列方案用以將觀測數据變成便于進行數值計算的術語。他非常清楚，用他倡導的數值方法來進行實際的气候預報所需的計算能力在當時仍只是一种夢想。在他的夢想中，他預見有這樣一种巨大的裝置（“像劇院那樣的大廳”），這個裝置內將有數百台可以進行气候計算的人類“計算机”。理查森使用初始微分方程中的數值法則（現在稱之為算法），几次初步嘗試都以失敗而告終，但這并不意味著其基本思想是錯誤的。更确切地說，理查森只是沒有意識到，除非對其算法稍作改變，否則他所選擇的逼近方法會導致一些荒唐的結論。數十年之后，隨著核武器競爭所帶來的經費資助，使得數學家們找到了使理查森的數值方法取得成功的方法。事實上，這些方法已成為現代普遍采用的气候和天气模型的基礎。 模擬的优勢在于我們可以進行一些在現實世界中所無法進行或不切實際的實驗。從本質上來看，一個模型就是一系列編譯成電腦算法的數學方程，它們被用來在電腦中模擬現實情況。它使得科學家們能夠提出一系列問題，這些問題一般是假定一些條件，然后考慮會出現什么樣的后果。換言之，它使科學家們得以在某一較大的尺度上安全地進行与自然之間的游戲：如果某一條件改變了，气候系統的所有其他方面將會發生什么變化？如果人們改變一個變量，比如太陽的輻射能力，气候及降雨量等其他變量將會出現什么情況？最后，既然各种模型不大可能完全真實地反映實際情況，我們應在多大程度上相信模擬的結果？ 要建立任何一個系統的模型，人們必須事先确定該系統中包含有哪些組成。例如，要建立一個鐵路模型，人們必須在模型中包括一些諸如鐵軌這樣的基本組成單元，然后選擇摹仿的机車類型。根据要模擬的鐵路模型的真實程度，人們還必須考慮其他一些特征：如水塔、道口、信號、火車站等。 要模擬气候，模擬者必須确定系統的組成單元及所包含的各种變量。例如，如果我們選擇模擬冰川期和間冰川期的長周期序列，我們的模型必須明白無誤地將過去數百万年間發生作用的气候系統內所有相互作用的重要組分的影響包括進來。如我們所知，生物影響了气候，因此必須將生物包括在气候系統中。這些相互作用的子系統构成了一個模型的內部單元的一部分。 另一方面，如果我們只對模擬短周期（例如某一星期）气候事件感興趣，那么，我們的模型中可以忽略冰川、深海、陸地形態及森林的任何變化，因為它們在短時期內的變化非常有限。這些因素將被稱為模擬气候系統的外界條件。 气候模擬者所言的模型有一系列級別，這些級別可以大到簡單的整個地球的、与時間無關的溫度模型（即有關在一較長時間跨度內整個地球的平均溫度的模型），小至高精度的、三維的、与時間有關的模型。后者將包括大气、海洋、生物圈中的變量，有時甚至包括地殼的變量。可以想象，這些更為綜合的模型同時也是极端复雜、難以建模的，而且費用昂貴，其結果又不易驗證。人們一般總會認為，隨著模型复雜程度的增加，模擬的真實性也相應增加，但實際出現的情況并非總是如此，這使得模擬工作常常成為一項艱巨的任務。 當我們确定了模型所包括的各個過程和子系統后，我們編寫出能最好地描述這些變量的算法，使得電腦能夠根据這些算法來執行我們所給的命令。我們認為（有時并未加以證明）气候系統中的變量是在按照我們所理解的自然法則相互作用，并可將這些變量以數學形式予以表述。我們所采用的模型的精度及綜合程度決定了我們所要表述的算法的數量和類型，使得模型能合理地接近（我們希望）已知的自然法則。對于非常簡單的模型來說，描述各個气候變量的行為的數學方程，可以被任何知曉初等代數的高中一年級學生用解析的方法予以求解。盡管如此，一旦气候學家試圖在一個模型中加入許多气候變量，或者在一維以上的空間中進行模擬，其數學及其引起的電腦算法的复雜性將大大增加。如果將全球表面划分成大約四万個网格，計算每一网格几天的气候變化通常需占用現代超級電腦一個小時的机時。天气或气候模型中的初始方程通常表達了每一气候變量在時空上的連續變化。但電腦求解的實際方程只是上述初始方程的近似。試以溫度為例，現代電腦并不去求解一個針對所有地方的溫度的方程，相反，它采用的是逼近法，它從网格中取數，或者說是在离散的時空中取數計算。取數的阿格之間或者測量和計算時間之外的其他時間段的一些模型數据，就需用平均的方法求得。最新的方法已在网格點之間取得了更好的逼近效果。雖然一些局部現象，如湖泊、山谷及各場雷暴雨，可以改變局部的气候條件，但如果网格取得很大，上述條件就不會在電腦代碼中出現。現代的气候模擬所采用的网格通常是几百千米的規模（第四章 將進一步深入闡述這种“网格尺度”現象）。因此，解決上述問題的唯一辦法是采用更多的网格節點，這意味著需要有更多的數据、進行更多的計算，因而將也是十分昂貴的。每次當网格面積縮小一半時，計算費用將增加10倍。 模擬恐龍時代的气候 讓我們現在回到前還美國國家大气研究中心所模擬的白華紀溫度過低的那個問題。1984年，我們几個在博而德的研究者試圖用一复雜的電腦模型來解決這一則和題。在我們的模型中，我們采用厂假定的白里紀溫度模式的各种組合，意在尋找海流是否以某种方式，阻止了模型所預測的高緯度地區內陸冬季嚴寒气候的出現。我們甚至在模擬中假定北极海洋与其他各地一樣，具有較高的表面溫度。然而，在我們所進行的所有模擬中，均無法避免出現這樣的情況，即漫長的冬夜向太空輻射紅外熱輻射，這种輻射足以引起嚴酷的內陸霜期，至少在冬季，當出現來自溫暖海洋的風停止吹向高緯度大陸這种偶然情況時，上述情形肯定會發生。從“弱早期太陽佯謬”論爭中可以得出這樣一种可能性：大气中過量的CO。加劇了溫室效應。但這些過量的CO。來自何方？又是如何增加的？ 也是在20世紀80年代，我們在其他實驗室工作的一些同事，特別是耶魯大學的羅伯特·伯納（Robert Berner），根据反映海底擴張速率變化的地質證据，指出約至億年前的白至紀中期，是一個顯著的海底火山活動時期和擴張加速時期。這兩者都使得海底快速堆積大量的火山岩，并因此而導致洋盆体積的縮小和海平面的上升；此外，火山活動還使大量的C（）。進入海洋一大气系統。他們在前文討論過的蓋亞假說和WHAK机制的基礎上，提出了一個聯合的有机和無机反饋机制。當海底擴張速率較大時，海平面上升，CO。含量增加，气候溫暖而潮濕。具有高CO。含量的暖濕气候將加劇風化作用，提高浮游植物的生產率，而這又可以反過來通過無机的風化作用和生物埋藏作用，以碳酸鹽沉積物形式來消耗部分的過量CO。。 因此，這就提供了一個消耗CO。的負反饋（起穩定作用），它使得气候不至于變得過熱。換言之，在几千万年（而不是數億年至10億年）的短時間尺度上，諸如大陸漂移、火山活動及生物活動的速率的變化等因素的聯合作用，或許可以使空气中CO。的濃度高達現代CO。濃度的5倍。伯納及其同事們的模型預計，白玉紀中期的CO。含量將數倍于現代的CO。含量。 在缺乏明确的直接證据的時候，上述描述与其說是經過合理的推敲而被證實，還不如說是帶有一定偶然性的自圓其說。如果愿意，你也可以稱之為是一個古气候學者的飯后談資。這也說明為什么當我們過于依賴未加驗證的電腦模擬的結果時，科學論爭也就隨之開始。不幸的是，除電腦模擬以外，還沒有其他手段可以進行這類“假如……那么……”的實驗。奧妙就在于要向這些電腦問一些它們能夠可信地加以回答的問題，而這絕非是一种簡單的技巧。 地球化學家們總是支持這樣一种觀點，即從中生代到現代的互億年以來，伴隨海底擴張速率的減慢，大气的CO。含量也在降低。6600万年以前的白查紀末期，隨著當時的恐龍及半數其他屬种的生物的滅絕，海底擴張的速率開始變慢。 人們已撰寫了大量文章來解釋這些奇妙物种的結局，而有關恐龍滅絕的各种解釋既包括生物競爭、疾病及其他一些“內在”原因，也包括地球与一顆直徑約10千米的小行星或管星之間的巨大撞擊。這樣一次猛烈撞擊所引起的爆炸可以將大量的物質拋向大气圈，遮擋太陽光數月乃至數年之久，從而削弱地表的光合作用，在陸地產生冰凍溫度（所謂的小行星冬天）。碰撞的沖擊波還使大气產生足夠的硝酸，從而使海洋酸化。所有上述效應還可以使地球暫時擺脫臭氧層的影響，強烈改變大气圈的溫室特性。外界的災變所帶來的致命的聯合干扰作用，可以毀滅當時所有的恐龍和半數其他屬种。雖然人們對這一解釋的細節尚存較大爭議，但這一解釋總的來說似乎是合理的，甚至被廣泛接受。當20世紀90年代早期，人們在尤卡坦半島“發現了据信是這樣一次撞擊事件的沖擊坑的痕跡時，這一解釋的可信度大大增加了。 盡管有各种災變事件的出現，如果說地球的气候在過去1億年以來只是變冷，嚴格來說這种說法是不正确的。因為地球在自1億年前演化至今的歷史中，既有相對溫暖的時期，也有相對寒冷的時期，其中有些時期可延續數百万年（見圖1．l）。 無論如何，曾經生活在海底的浮游生物化石的化學成分，可被用來估計這一地質歷史時期的海底水溫。在過去1億年間，海底水溫似乎最多降低15t”才達到現今0“C左右的全球平均海底水溫。同時海平面降低了數百米，各大陸則漂移到現今的位置。大部分內陸海洋消失了，有一部分殘留至今日，如波斯灣，地表溫度平均下降了10C左右。大約在150O万年至200O万年之前，隨著南极洲和南美洲之間的德雷克海道的打開，南极洲開始發育永久冰蓋。如前所述，有些學者推測，由于這一大陸和洋底形態的地理格局的改變而得以形成的環南极洲洋流，使得以前曾抵達南极洲大陸岸線的溫度較高的洋流開始遠离南极洲，而早先的這种暖洋流，則曾經阻止現代南极洲那樣的大陸冰蓋的形成。另外一些學者則推測，是由于新生代大气CO。濃度的降低，才使冰蓋得以在南极洲大陸上逐步發育起來。 傾斜的地球 大約200一300万年以前，覆蓋北冰洋的永久冰蓋已經形成，古气候記錄則開始顯示大約4万年為一個周期的明顯的熱脹冷縮交替時期。4万年是一個有趣的數字，因為它大約相當于地极從与地球軌道面呈大約22．5度交角的位置擺動到24．5度交角的位置所需的時間。目前，地輪的傾斜角度是23．5度，相當于現代北回歸線和南回歸線所處的緯度。在數千年后的地圖上，我們將需要把這些重要界線的位置往赤道方向移動數十千米。在物理上，這意味著地軸的傾角將減少，而冬季和夏季之間的溫差將減少數個百分點。 冬季和夏季之間陽光數量的改變或許影響著冰川期的開始或終結（特別是在可以發有巨大冰蓋的局北緯地區），這一觀點長期以來一直被人們所推測，而最近又有人對之進行了計算，這就是所謂的米蘭科維奇”（Milankovitch）机制。最有趣、或許也是最令人困惑的是；人們發現大約在60一80万年前，极端寒冷期和溫暖期的主要旋回周期，轉變為各間冰川期高峰之間的10万年周期（盡管4万年的周期仍不太明顯地存在著）。最后一次主要冰）l問大約在1万年以前結束。2万年前，北歐和北美的大部分地區覆蓋著与其現代海拔高度相當的互．64千米問英里）厚的冰蓋（圖2．2）。冰川在全球各地的高原和山脈中擴大。熱帶雨林范圍收縮，而沙漠則在擴展。大量的海水以冰的形式被限制在大陸上，使得當時的海平面与現代相比下降了100余米。巨大的冰原蝕刻著陸地，塑造著地形。全球范圍內平均比現代低約了C一7℃的冰川期溫度改變了地球的生態面貌。 為什么在大約80万年前，10万年級別的周期主宰著更短更弱的間冰川期旋回？為什么在數百万年前存在著气候的冷暖旋回？盡管目前已有一些令人鼓舞的觀點和計算結果，但圍繞上述問題的明确答复仍有待探尋。 遠古的空气 地球科學在過去20年間所取得的最有趣的發現之一來自格陵蘭和南极的冰芯。雪降落至這些冰凍的大陸上，當雪壓實成冰時，雪顆粒之間的空气最終以气泡的形式被封閉在冰中，其中有些气泡已有20万年的年齡。 科學家們將數百個5米長的冰柱從2000一3000米深處帶至地表，然后通過雪上飛机將這些冰柱運到岸上，從這里再長途運輸到法國、瑞士、丹麥及美國的一些實驗室中，用來進行冰芯及气泡的化學成分分析。這些冰芯為我們提供了地球大气圈歷史的記錄，其時代可以回溯至10一20万年前的祖先尼安德特人時代。 在實驗室內，這些被切成條狀的冰芯在密封的器皿內進行融化，气泡內釋放出來的气体被一些靈敏的儀器所檢測。通過這樣的工作，我們可以知道，古埃及和阿納沙茲印第安人（Anasazi丘山ans）所呼吸的空气的成分与現代人呼吸的空气的成分大致相似，只是現代人呼吸的空气中增加了過去一二百年間所帶來的污染物。這些污染物主要有：過量的SO。、CO。及甲烷。前文我已指出，工業革命和濫伐森林已使大气的CO。含量增加了25％，而与農業、土地利用及能源利用有關的大量人類活動則使甲烷增加了15％。檢測中還發現一些自然變化現象，如大規模火山噴發中的酸雪。 在我看來，來自冰芯的最引人注目的發現并不是在人類文明的過去1万年間溫室气体和全球气候的相對穩定性，而是南、北极冰芯所揭示的這樣一個事實：即平均來說，本次盛冰川期大气与我們生活的全新世的大部分時期相比，CO。含量要低30％一40％，甲烷含量低50％（事實上，這里的全新世指的是工業革命及其造成污染以前的全新世）。在极盛冰川期及此前的間冰川期（大約12一15万年以前）也發現了溫室气体与溫度之間類似的直接關系 這一顯著的發現暗示：在C（）。、甲烷和气候之間可能存在一种正反饋（不穩定）机制（而不是負反饋机制）。這就是，當地球變冷時，上述溫室气体減少，而這又造成被大气圈閉的熱量減少，從而加劇地球的變冷。當地球變熱時，O）；和甲烷含量增加，從而加快了變熱的過程。蓋亞假說指出，為了保護气候的穩定性，生命必須發揮作用以控制環境條件。但是，如果說生命在匕述溫度一CO。一甲烷關系中起一定作用的話（這是可能的），那么，它對气候條件變化進程所起的作用將是加速，而不是延緩。這里，科學的故事仍舊是不完美的。不管怎樣，大多數科學家同意這樣一种觀點，即生命在晚近的冰川期和間冰川期、气候變化和溫室气体之間的正反饋關系中，曾經是一种主要因素。 對我們上面的討論至關重要的，并不是我們還沒有令人信服地找到能夠解釋生命在CO。一气候正反饋關系中的作用的特殊机制，而在于這种反饋呈現出正反饋特征這一事實。這与我們從大气自高CO。、低O。的太古代，演化至約5億年前的生物大進化時代（經歷10至20億年的過渡時期）研究中所得的結論不同。如前所述，在這一長期的過渡時期中，生命或許是CO。消耗過程中的一种重要營力，這种消耗有助于气候的穩定，從而构成蓋亞假說中隱喻的負反饋。 与此有關，地球化學家羅伯特·伯納對其早先提出的地球化學模式進行了修改，他在新模式中增加了六种新的成果和因素，包括諸如海底擴張和長時期太陽光照度的增加等無机因素，以及大約3億年前陸生維管植物的進化和分布所導致的一些有机作用過程。蓋亞假說的支持者們曾經指出，后者還導致土壤中化學風化作用加劇進行。 針對大約3億年之前二疊／三疊紀之交的已被廣為承認的寒冷時期，伯納指出：“在以丰富的煤為特征的二疊紀一石炭紀時期，沉積有机物的大量埋藏造成大气中CO。含量的降低，這一作用使得發生在古生代中期的CO。含量的顯著下降，并在此時得到進一步的加劇。CO。含量的下降所造成的溫室效應的降低可能對二疊紀一石炭紀的冰J；D作用產生重要影響，這次冰川作用是地球顯生宙（過去5．7億年間）整個歷史中規模最大、歷時最久的一次冰川作用。這些結果又進一步支持了這樣的觀點，即認為在地史時期，大气的溫室效應是影響全球气候變化的一個重要因素。” 伯納的研究結果，除了加深我們對溫室效應的理解以外，還給气候學上的有机一無机之爭帶來啟示。他明智地忠告思想開明者：“無論是用純地質學的方法還是用純生物學的方法來解釋長周期的碳循環，均是過于簡單化的。” 空前的全球變化嗎 將熱圈閉的溫室效應理論編制成气候的數學模型，計算結果表明，當CO。（或如CH。那樣的有相當遮熱效應的其他溫室气体）含量增加1信時（如果人口、經濟、技術如人們所預計的那樣繼續發展下去，大約在下世紀中葉即可達到這一水平），到2100年，地球气溫的增幅范圍將是IC一SC。 即使是上述幅度的下限（l），也意味著每百年平均增加l，這一速度10信于從未次冰川期結束到現代間冰川期這段時間內，全球溫度自然持續變化的平均速率。如果采用增幅范圍的上限，我們將看到，未來百年气候變化的速率是自然持續的气候變化的50倍。以這一速美變化的全球气候，將毫無疑問地促使許多物种調整它們的活動范圍，以适應快速變化著的气候條件，就像它們在1一1．5万年以前由冰川期向間冰）；潮過渡時所表現的那樣。 史無前例的是人為因素所造成的變化將可能以一個极快的速率進行，与此同時，大自然則由于人類行為所造成的大量化學物質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，地球的溫度是上升至℃還是SC是相當重要的，這兩种預測結果之差別，反映了全球變化是以相對可适應的還是以災變性的速率發生。 由于与L述多重相互作用反饋机制有關的因素的不确定性，要估計下一世紀全球變熱的速率仍是相當困難的。將用于預測未來气候的同樣的气候模型應用到白塵紀中期或冰川期一全新世過渡時期，可以為我們提供一定的佐證作用。科學家們的确是這么做了，而且發現在進行地質時代的古气候變化模擬以及未來气候變化的預測過程中，這些气候模型相對來說有一致的表現。雖然這是一條有价值的證据，但它并不能對模型所作的地區性預測的細節加以證實或否定。 如果CO。含量在未來50年內翻一番，將會出現何种后果？紐約大學的馬丁·霍弗特（Martin Hoffert）及勞倫斯·利弗莫爾（Lawrence Livermore）國家實驗室的柯特·科維（Curt Covey）等科學家，對未次冰盛期与現代這兩個時期的CO。及甲烷含量差別与气候之間的關系進行了研究。他們的結論是，如果增加了1倍的CO。使地球的溫度升高ZC一2．5C（此值處在前述流行預測值范圍的中間），則气候之間的差异正好可以据此來解釋。 冰芯記錄（見圖2．3）表明在過去的大約1万年間（人類文明時代），气候、CO。及甲烷的含量保持相對的穩定。在過去的兩個世紀（工業革命時代）以前，溫室气体的化學成分也几乎不變。全新世時期，伴隨從本次冰）；1期到現代間冰川期的5000年的過渡時期，全球溫度平均升高SC和海平面上升100米，此后地球的生態系統和生物聚居地，即以我們今日所知的面貌出現。大自然化了大約5000一1 年的時間，才將北美洲和歐洲的大部分地區以及高緯度海區被冰所覆蓋的地表景觀，轉變為目前的主要在兩极陸地和海區以及高山地區才出現終年冰蓋的地表景觀。由于這一轉變正好對應著SC左右的全球變暖，我們因此可以估算全球自然的、持續的穩定變化速率約為IC／千年（請記住這一數字，我們在后面還將多次提及這一數字）。 我已經指出過，這些變化足以使物种的聚居地和聚居的物种環境發生急劇變化。它們或許還導致了諸如猛局象和劍齒虎這類動物的滅絕。 蓋亞假說還是共同進化 在某些方面及某些規模上，生命對保持穩定的气候變化起到了促進作用。然而，在從間冰川期到冰川期或從冰川期到間冰川期的過渡時期，生命所起的作用似乎是加速了（而不是減緩了）气候的變化。這种复雜性使我在20世紀80年代，將其与18年前生態學家保羅·埃利希和彼得·雷文（Peter Raven）所命名的一种生物過程相類比。兩位學者的研究闡明了兩种相互作用的物种的共存，是如何導致与它們相异的另外一些進化路徑。他們稱之為共同進化。 我覺得，气候与生物的共同進化是一個合适的類比。換言之，如果缺失其中任何一方，生物以及包括气象要素在內的無机環境，將會在地史時期遵循与它們所曾經歷過的完全不同的進化路徑。共同進化在正反饋或負反饋之間并沒有特殊的傾向性要求，它需要的僅僅是相互作用，而地球的化石和沉積記錄無疑成為這种相互作用的見證。 最后，如果允許人類將自己視作生命（即生活著的自然系統）的一部分，那么，我們可以說，人類對地球的集体作用，完全可以成為地球未來的一個重要的共同進化因素，這种集体作用被某些研究者稱為“工業代謝作用”及新的工業生態學。（有關這种作用好坏与否是一個价值問題，對此我們將在本書的結束部分予以討論。） 目前人口的持續增長趨勢、對高質量生活水准的渴望以及為了達到這些以增長為導向的目標而采取的技術和組織方式，均促進了被經濟學家稱為殘余物（residuals）（而我們大家稱之為污染）的副產品的產生。 在這些地質時代內的全球規模的自然實驗中，沒有一個實驗能夠精确地与目前正在進行的由人類活動引起的全球變化實驗相比較。因此，我們仍無法提供決定性的證据來證實我們的預測是對的。這些實驗只是積累一些恰如其分的證据，使得我們目前的預測至少是合乎情理的。它們當然也證實了我的看法，即為了對地球未來的气候變化進行關鍵的預測，以認識地球生態系統及人類的命運，我們必須從陸地、海洋、冰蓋中挖掘出盡可能多的地質、古气候和古生態記錄。不幸的是，一些目光短淺的政治勢力常急功近利，削減這些似乎深奧難懂的研究的費用。 上述記錄是地球自然歷史的圖書館。它們提供了一种背景，對照這种背景，我們可以調整目前仍顯粗糙的手段來洞察模糊不清的未來，而這种未來正遭受著來自人類的日益增強的影響。 |
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