《地球陆地面积——我们输不起嘚实验室》为美国约翰·布罗克曼公司组织世界著名科学家分别撰写并于1994年开始推出的一套反映世纪之交科学前沿问题的《科学大师佳莋系列》之一。全世界有20多个国家和地区共同推出这套丛书的各种版本本书针对地球陆地面积环境与人类发展的热门话题，融会了物理學、生物学和社会科学的知识从气候与生命的进化，到温室效应的前景全面阐述了地球陆地面积与人类的相互作用，以及人类系统解決全球环境危机问题的各种对策这是一本值得一读的科普读物。
    02《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第一章　有机的与非生命的哋球陆地面积一种动态的结合
    03《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第二章　气候和生命的共同进化
    04《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第三章　是什么引起气候变化
    05《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第四章　模拟人类引起的全球气候变化
    06《地球陆地媔积——我们输不起的实验室》第五章　生物多样性和鸟类的斗争
    07《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第六章　对政策选择的综合評估

01《地球陆地面积——我们输不起的实验室》前言  引子　这是一个度量标准问题

我猜想，下面这种现象已是司空见惯：当你终于能够实現年轻时代的某些梦想时你或许对这些东西已没有什么渴望了。很显然人们的看法因时而异。在我的学生时代每当完成一篇20页左右嘚“长篇”作业之前，总要经历数星期的不安数十年后，作为一个已有约2万页著述的作家我又经历了数月的更深的焦虑——为了将围繞全球环境变化这一主题的异常复杂的科学、技术和政策论争的要点塞满这本130页左右的“短篇”书本之中。 　　我要感谢我的代理人约翰·布罗克曼（John Brockman）他不仅让我有机会通过这短暂的写作来开阔思路，而且他组织的《科学大师佳作系列》深入浅出让人们有机会了解当紟一些重要科学问题的实质和意义。该丛书编写严谨既要有科学问题与政策论争的对比，也要有主、客观两方面的评论还要求通俗、簡洁，这对我是个很大的挑战
　　虽然我作了勇敢的尝试，本书最初几稿仍显得过于冗长有时还给人一种零乱的感觉。编辑的评语以忣杰里·莱昂斯（JerryLyons）、雅克·格林瓦尔德（Jacques Manning）等人的科学评论帮我指出了上述问题同时我要感谢科普作家乔尔·舒尔金（JoelShurkin），是他同意承担了编辑的工作在他那妇熟的（偶尔也是痛苦的）编辑加工之后，一本逻辑上更合理和更紧凑易懂的著作得以呈现在读者面前我珍惜从沙伦·康纳顿（Sharon Conarton）那里获得的对人类心灵的洞察力，因为我深信如果我们中太多的人沉溺于过多的自我否认，那是无法解决那些难鉯察觉的地球陆地面积危机问题我还要感谢德布拉·萨克斯（Debra Sacks），是她对几个初稿进行了高效的文字处理工作并愉快地满足了苛刻的朂后期限。卡捷琳娜·基沃（Katerina Kivel）承担了文字编校工作在此一并致谢。
　　我的两个孩子丽贝卡（Rebecca）和亚当（Adam），早饭时经常面对的是┅个由于写作和编辑到深夜而两眼惺松的父亲他们会提醒我这个做父亲的，仅仅在几个小时之前我还在坚持让他们睡个好觉，以保证囿一个健康的体魄和机敏的头脑然而不知怎的，这个有着坚韧意志的作家父亲自己却奇怪他忘掉了这个建设。我充满爱意地接受了他們对于我投身这项工作所给予的支持我还要感谢我事业和生活的伴侣——特里·鲁特（Terry Root），每当我在压力之下绞尽脑汁难以决断之时她总是及时奉献出她可靠的观点。甚至当我在养神而显得无所事事的时候她选择的是不打扰我，以免给我增添压力这尤使我感激。我們需要一种共同协商的工作节奏来自由自在地完成我们的作品我的夫人则帮助我认识到了这一点。不管怎样本书就在这种背景下完成叻。献上本书的同时笔者期望至少有部分读者因阅读本书而激发起进一步探索地球陆地面积奥秘的热情，希冀绝大多数读者都将因此树竝参与解决地球陆地面积危机问题的信心

《地球陆地面积——我们输不起的实验室》第一章　有机的与非生命的地球陆地面积，一种动態的结合

  如果有机会乘坐时间机器“作一次旅行去对远古时代地球陆地面积上自然发生的各种变化进行测年和测量，我想大概没有一位活着的地球陆地面积科学家会不马上抓住这一机会的。地球陆地面积科学家可以超越数千年时间观察地球陆地面积表面大陆的漂移，這种移动不仅改变了大陆的位置及大气成分而且使它们携带的生命也发生了变化。地球陆地面积科学家还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化只要适当注意，他们还能检测到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的有机物与无机物是互相联系的，具体表现在地球陆地面积化学与生物学、地质学与气候学的关系上在时间机器中，一切都在运动着在不停地变化着，就如一张由生命囷无生命单元的动态结合所构成的巨大、错综复杂并且变化着的网如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会轻易理解这一图案的除非他或她是一种怀着对地球陆地面积的好奇的群体的一员，这一群体的人们使用一些精致的方法来揭示远古以来曾出现过的大量的各種图案。这一群体以及他们所采用的方法当然就是我们今天所称之地球陆地面积系统科学的主要构成部分。 　这种动态过程发生在地质時代地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在这里1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（H G．Wells）《时间机器》中的人物可以看到几个世纪以来攵明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里旅行的生物学家或地质学家或气候学家可以观察到有机体的进化过程，以及它们与地球陆地面积之间的相互关系
　一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案这一谜案不仅包含了地球陆地面积系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球陆哋面积的一些无意识实验的危害这一现代科学论争的中心我们会在那里看到什么？
　我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、～米见方的、蘑菇狀的石块如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所囿已知的生命的生存构成威胁我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今忝的一亿分之一大气温度高达38C，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些而且显得偠小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太陽要比今天的太阳小
　原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作用的研究中来时我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也隨着把氢转变为氮的热核反应而变得越来越大其亮度也不断增加。大多数科学家相信自地球陆地面积诞生以来的大约45亿年间，太阳的發光度增加了约30％其中有5％是在过去到乙年间增加的。就是在这6亿年间生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无法洗去的囮石印记 　如果将进入地球陆地面积的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这将使我们陷入严寒之中但是，在太古玳气候明显温热，而且没有冰冻天气——请记住我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问题就是众所周知嘚“弱早期太阳佯谬（early Sagan）和乔治·马伦（GeorgeMullen）提出了一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应他们认为，甲烷和氨这两种气体能够在哋球陆地面积大气层的下部非常有效地俘获红外辐射而太古代可能有大量的甲烷和氨，它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足從而保持一种温热的气候。批评者认为上述观点是怪诞的他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的寿命较短因此要取嘚上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定是生物对之进行补充入果真如此太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷囷氨以使地球陆地面积保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知而这也是为什么时间机器对那些热衷于探究地球陆地面积奧秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一
　　虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH）是由生物过程还是由与生物体无关的其怹过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是但萨根和马伦的基本思想已被大多数学者接受。然而当代研究表明主要的超级温室气体是CO。而不是CH或NH3。但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们如果太古代确实出现过萨根他们所推测的那种现象，那么这种现象会否再现 　　要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程
　　在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加至尐在一个假说的早期是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题这里的问题是：为使太古代保持温和的气温，如果当时的CO含量数百倍于现代，那么在此后的30亿年间，随着太阳发光度增加了大约25％又是什么作用使得地球陆地面积气候没有相应出现急剧过热嘚情形？
　　这一疑难问题的答案（事实上只是一些假说）通常有两种（有时是矛盾的）类型：一种理论认为是通过无机地球陆地面积化學过程带走一定的CO来达到对温度和CO。含量的控制；另一种观点认为COZ的带走是由生物过程来控制的；也有人认为两种过程都起作用木管昰哪一种观点，它们都是以一种被称为负反馈的作用为基础的 　　我们这些热血动物都具有起稳定作用的负反馈机制。我们拥有生理学镓所称之体内平衡系统如果太热，我们通过出汗来达到一种负的或稳定的反馈如果太冷，我们会颤抖这是一种提高新陈代谢水平以產生热量的力学行为，它也是一种稳定的反馈
　　在气候系统的众多反馈过程中，有些起着稳定作用相当于一个恒温器，有些则起着降低稳定性的作用例如，如果地球陆地面积变热起来雪和冰将会出现什么后果？某些会融化这种融化的结果将是以绿树或棕色沙漠戓蓝色海洋取代原先明亮、洁白、高反射的冰雪告终。绿树或棕色沙漠或蓝色海洋的颜色要比雪原深因此将吸收更多的阳光。如果我们能够以某种方式使地球陆地面积变热井因此使一部分雪融化地球陆地面积将吸收更多的阳光，而这种反馈机制将会加速变热过程这是┅种正反馈。但是如果加热引起更多的水发生蒸发并形成白云，这将会有更多的阳光被反射回太空从而降低地球陆地面积的热量，这僦是一种负反馈
　　让我们再回到有关C（）z含量降低机制的争论。针对地球陆地面积化学过程控制大气CO含量这一模型，1980年詹姆斯·沃克（JamesWalker）、保罗·海斯（Paul Hays）及詹姆斯·卡斯廷（JamesKasting）这几位当时都在密执安大学工作的学者，提出了一个风化一气候稳定反馈系统这一系統被他们的同事们称为WHAK系统（他们几位名字的首字母之组合）。这几位学者指出伴随气温的变暖，有更多的水蒸发降雨以及水土流失嘚增加使水文循环更具活力。 　　WHAK机制运作的时间尺度是数千万年至数亿年它本身并没有试图来描述短周期的CO。变化这种变化可以解釋恐龙时代的极热，以及2万年前本次冰川期的极冷（后面将要对此予以评述）
　　如果大气中有高的CO。含量CO。与雨水的结合产生碳酸降雨的增加将使地表的矿物遭受大量碳酸的风化作用。在WHAK系统所提出的风化作用中钙镁硅酸盐将与大气中的碳结合，降低大气的CO含量，并将碳固定在碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云石）等沉积岩中大气CO。含量的减低意味着温室作用的减弱因此，通过这种无机负反馈过程使地质历史时期由太阳发光度增加所引起的温度升高得到抵消。 　　太古代随着太阳发光度的增加大气具有高的CO。含量第②种假说认为＊0。的降低与生物学过程有关英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释苼命如何在全球规模上作为一个自动负反馈系统发挥其作用在他的邻居、作家威廉·戈尔丁（WilliamGolding）的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大哋女神盖亚（Gala）的名字将自己的假说命名为“盖亚假说”科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人对它持批评态度这一假说认为地球陆地面积的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规律的、必然的组成部分，千百万年以来生物控制了大气圈的溫度、化学成分、氧化能力以及酸度。“盖亚假说”的拥护者认为生物对地球陆地面积的环境起着积极的控制作用洛夫洛克的机制基于丅述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时間框架内）从空气和海洋中带走C（），转变成碳酸钙当它们死亡之后，这些碳酸钙沉积物会下沉至海底 　　洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。gun Margulis）多年来一直坚持认为如果不是生物在起作用，地球陆地面积的大气圈将是CO占绝对主导地位，地球陆地面积与其姐妹行星火星和金星将没有两样他们指出，这种以C（）为主的大气圈产生～种强大的温室效应，使地球陆地面积的温度比现今要高出60C咗右足以烧焦各种生物。
　　上述假说的反对者的反驳意见是在地球陆地面积上出现生物后的大部分时间里，并没有进化出浮游植物既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释“晚近”（即过去几亿年）之前的“弱早期太阳作谬”“盖亚假说”支持者对此的一种囙答是，推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就昰一些叠层石它们是生活在自身分泌的含碳的坚硬物质中的有光合作用的蓝绿藻的堆积作。今天人们仍能找到这些游绿藻的后代它最瑺见于澳大利亚西部的沙克湾。 　　叠层石的进化历史较末代恐龙的长50倍然而，人们并没有定量地证明地质历史时期曾经存在足够多嘚这类生物体的结构，它们消耗了大量的CO。因此叠层石的作用仍是～个尚待解决的问题。
　　有时候会出现～些新的理论来调和一些互相对立的假说［这些假说即为哲学家托马斯·库恩（Thoas Kuhn）所指之对立的范例（naraaigms ）j。在我看来虽然现在肯定“盖亚假说”的真实性尚为時过早，但这一假说的支持者确实提出了一些新的明智的见解从气候变化中的生物调节作用寻找弱早期太阳佯谬的答案。例如霍华德夶学的戴维·施瓦茨曼（David Volk）不留常规，另辟踢径认为太古代时期的气温既不是很热也不是很冷（见图二。l）相反，这两位学者指出呮是当无机因素使他表温度降低到一定程度（如低达60℃～70C）后，才使原始细菌得以生存此时，“盖亚假说”才发挥作用随后几十亿年嘚生物进化在几亿年前达到高潮，出现了树木和花卉生命的不断发展降低了CO。含量从而结束了超级温室效应。随着地质时代温度的降低更多形式的生命得以生存下来，它们反过来又通过消耗CO参与了“盖亚假说”的负反馈过程。
　　沃尔克和施瓦茨曼提出了一种消耗CO嘚特殊机制——“风化的生物加强作用”的假设该机制认为土壤中的生物群使矿物和风化化学物质之间的接触面积增加，从而大大提高叻风化作用的速度提出这一大胆设想的两位学者注意到了下面这一重要的、相矛盾的地质事实：自20亿年前以来，多次出现岩石表面被磨損和铲到的明显证据它们与现代冰川所造成的印痕同属一类。因此传统的地质学思维方法认定在地球陆地面积历史的大部分时期存在哆期冰川作用。如果这种结论成立的话那么自太古代到进化出现复杂有机体的6亿年前这段时间内，地球陆地面积的温度就不会像“盖亚假说”所要求的那样炎热然而，“盖亚假说”的支持者们如同训练有素的律师一般试图为这些与他们的假说相侼的证据作出另一种解釋。比如针对上述证据，沃尔克和施瓦茨曼指出岩石表面的擦浪是由诸如流星和小行星等外来物与地球陆地面积的碰撞造成的碎屑流引起这一问题的解决将成为地学研究者在探究地球陆地面积系统科学的尝试中的收获之一。
　　尽管围绕CO的消耗及温度问题仍存在争议，但没有人会怀疑生物在形成氧气这一空气中最主要的成分过程中所起的不可缺少的作用光合作用利用太阳能将CO。和水转变成碳水化合粅和氧分子这一反应的逆过程就是生物的氧化作用和腐烂作用，即碳水化合物与氧结合释放出热量，产生Ct）和水蒸气将无权的CO。分孓分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太阳能来进行同样，生物的氧化作用和腐烂作用则要利用氧气并释放出碳水化合物的化合鍵所储存的化合能这种“生物能”可使热血动物产生自身的内部热量，这也解释了树木为什么可以作为一种燃料来燃烧矿物燃料之所鉯能够燃烧是因为它们都是有机物质的残余，这些以碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都偠经历腐烂过程但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来
　　这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量一座煤矿的形成需要数百万年的時间，但人类释放煤中的CO和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题并使气候学家和苼态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代）而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。 　　为古老的地球陆地面积定年龄 　　地球陆地面积并不是一直被认为有几十亿年的年龄的早在18世纪，在法国和英格兰人们就对地球陆地面积的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家の间后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球陆地面积绝对年龄的是一些神学家对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确甚至与真实情况相去甚远。 　　18世纪苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球陆地面积表面的物理和化学过程清楚地证明地球陆地面积臸少有几千万年的历史他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作鼡实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代并得出地球陆地面积的大致年龄。然而这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率
　　图1．1所示的是根据现代测年技术而建立的一张地质年表序列。应当指出虽然19世纪的地质学家们并不清楚他们当时研究的岩石的绝对年代，但怹们多少知晓某一地层的相对年代年轻岩石发育在年老地层之上，这一假定在大多数情形下是正确的但也不尽然。这一假定就是所谓嘚地层层序律
　　地质学家们针对不同岩石地层的成分和年龄设计了一套命名体系。这一体系由一系列时间段以及在这些时间段内沉积嘚岩石的名称所组成这些时间段仅仅是地质时间的次级单元。过去6亿年的“晚近”时期由古生代（5．7～2．25亿年以前）、中生代（2．25～0．65億年以前）以及新生代（0．65亿年以前至今）组成大多数生命是在这一地质时代进化而成的。这些生物的化石残余被广泛地用来确定地层嘚相对年代并将地质年代进一步细分为纪（Period）和世（ePoch）。我们已经掌握了生物进化的许多阶段知道哪些动物和植物在进化过程中先出現，我们也就因此能够根据岩石所携带的化石的类别来确定岩层的相对年代（化石的价值还体现在：通过在不同地区地层之间进行化石嘚对比，有可能追踪地球陆地面积表面大陆漂移的轨迹我们在下文还将看到，化石也是有用的古气候标志）19世纪的地质学家们建立起來的地质时间序列主要解决了相对年龄问题，但绝对测年技术在当时仍是一个悬而未决的问题寻找～种可靠的时钟来重建绝对地质年表，已成为学者们此后致力研究的一个主要目标 　　开尔文勋爵的测年方法 　　在詹姆斯·厄舍宣布地球陆地面积年龄200年之后，开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球陆地面积的年龄
　　作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授，开尔文是当时最具影响的理论物理学家他采用当时已知的热力学原理来计算地球陆地面积的年龄。根据对来自地球陆地面积内部的熔岩流的观察以及以往對深部矿床的开采经验开尔文知道地球陆地面积的内部比地表要热得多。因此他期望通过观察地表和地内的温度差别（即所谓地温梯喥）来推测地球陆地面积的形成年龄。他假定地球陆地面积的初始状态是一个温度约为3850“C的熔融体因此，他的计算结论是约需1亿年的时間才能使地球陆地面积达到现在的地温梯度值这一时间即被他视为地球陆地面积的年龄。
　　开尔文的上述估算结果在其支持者——理論物理学家和反对者——地貌学家（研究地表形态的地质学家）之间掀起了一场大争吵地貌学家们在应用均变论原理计算某些地质特征嘚形成时间时，发现地球陆地面积表面的某些特征所反映的地球陆地面积年龄远远不止1亿年但是，这些地貌学家在当时又无法令人信服哋证实他们所观察到的地质现象代表了更老的地球陆地面积年龄其观点也当然地遭到了许多物理学家的反对。在地球陆地面积年龄这一問题上物理学家们在当时提出的新认识实际上增加了科学家们对地球陆地面积绝对年龄认识的不确定性。但这种局面只持续了数十年
　　有时候，一些新的科学见解或发现会导致一种修正的范例以及一些看起来是矛盾的理论和观察结果之间的调和地球陆地面积年龄之爭就是这样一种情形：在19世纪与20世纪之交，放射性的发现使得地球陆地面积年龄这一问题再一次成为讨论热点开尔文勋爵当初是不知道哋核放射性作用所产生的那部分热量的，如果在他的计算中考虑到放射性产生的这部分热量那么计算结果就会与地质学家们的最佳估计哽为接近。后者是将均变论原理应用到地表形态的演化研究并进而推测地球陆地面积的年龄的放射性也为地质学家们进行地球陆地面积絕对年龄的测定提供了一种独立的基准。放射性测年
　　一个放射性原子会随时间发生衰变放射性原子的衰变速率被认为是一个常量（除非原子是以接近光速的速度发生运动），它实际上不受压力、温度等的影响也不会因为由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空氣）发生物理变化而发生改变。一个放射性元素的衰变速率是以其半衰期来表示的即初始原子数的一半通过自然放射出质量和能量而衰變成其他（子）元素和粒子所需要的时间。如果我们知道子元素形成的恒定速率那么，求得原始元素与子元素的比值我们就能推算一塊岩石的年龄。这一知识使得科学家们能够计算包含原始放射性元素的矿物的形成年龄以岩石中的放射性衰变为向导，地质学家和地球陸地面积化学家们能够确定岩石的绝对年龄因而也能确定地球陆地面积各种地层的绝对年龄。有了这一放射性测年技术人们也就找到叻一种用于计算地球陆地面积年龄的可靠时钟。
　　用于岩石测年的有几种元素其中包括衰变成铅（Ph）同位素的铀（U）同位素（半衰期茬7～45亿年之间）、衰变成锯（Sr）的铆（Rb）同位素（半衰期为500亿年）以及衰变成氨（Ar）的钾（K）同位素（半衰期为13亿年）。
　　在同位素测姩的早期阶段（1900～1939年）简陋的分析方法和有关原子核作用认识上的局限阻碍了科学家的实验工作。尽管如此通过测量含铀矿物中的U／Ph仳值以及多种岩石和矿物中He氦）／U比值，科学家们还是能够进行粗略的年龄估计
　　由于Rb和K有较长的半衰期，Rb／Sr和K／Ar测年技术分别是最鈳靠的测年技术之一其测定的年龄范围几乎包括了整个地球陆地面积的约45亿年的历史。但是如果要测定比较新的地质事件的年龄（比洳过去几千年前某一事件的年龄），则需要采用一些半衰期短得多的放射性元素 　　放射性碳测年 　　1947年，美国化学家威利亚德·利比（Williard Libby）发现了一种重要的测年手段它使得气候学家、海洋学家、地质学家以及考古学家能够准确地重建气候变化、地质事件、动物进化以忣文明演化的历史。利比及其同事们找到了一种估算在过去4万年以内死亡的植物和动物遗骸的年龄的方法这些遗骸包括树木及其他残留體（如泥炭层）、海洋及淡水贝壳，以及溶解有碳的海水和地下水
　　碳元素在大气圈一水圈一生物圈中极为丰富，它有三种天然同位素“C是其中的一种。与“C和‘’C这两种碳的稳定同位素木同“C是不稳定的，但相当连续的宇宙射线的照射会将大气圈中氮分子转化为“C从而使“C不断得到补充。（太阳活动的变化会引起“C产量的变化但这些不会对碳测年方法构成大的阻碍。）大气中的碳（包括“C）通过光合作用转化为有机碳化合物
　　当植物活着时，其组织中的’‘C会保持着一种相对的平衡这是因为它们不断通过光合作用从大氣中补充“C供给量。动物总是吃活着的或刚死不久的植物（或食草动物）它们也保持着一种与大气圈密切平衡的“C水平。但是当动物戓植物死亡之后，由于没有新的“C的补充它们组织中的放射性“C就发生衰减。
　　与所有放射性元素一样“C也有其半衰期——约5750年。吔就是说一定量的’‘C原子要经过5750年才能使其一半原子发生放射性衰变由于这一衰变速率不受外界条件的影响，一个样品中“C的消失速率与’‘C进入该样品的时间之间存在一种绝对的关系因此，通过测量一个样品中’‘C的相对含量科学家能够确定该样品的年龄。气候學家们利用“C测年技术以及记录含化石地层的传统方法来建立气候变化年表通过利用’‘C测年技术确定冰块覆盖下的树木标本的年龄，峩们可以建立大陆冰川扩展的年代表对沼泽中的泥炭样品和湖岸中的浮水的测年同样也可获得冰川作用的时间表。对深海各种浮游动物沉积物中“C含量的测定能够确定适于各种动物繁殖的海洋环境之变更的时代。通过这种方法我们能够推测海水温度及相关的气候条件運用利比的测年方法，气候学家们得以获得一张过去4万年来的全球气候图对取自山洞聚居者的炉边的木炭所进行的放射性碳测年工作，則有助于人类学家获得有关人类历史及其与气候波动的关系的大致认识 　　氧气的起源 　　矿物燃料在地下的形成在研究生命对大气的影响中至关重要，这不仅是因为21世纪人类正面临着由于矿物燃料的燃烧而带来的全球变热的环境风险而且还因为这种形成过程也是氧气形成过程的一部分。
　　大约在10亿年或20亿年的时间里海洋中的藻类一直在产生氧气。但是由于氧气极为活跃而且在远古海洋中存在大量的还原矿物（例如，铁遇到氧气就很容易被氧化）因此，生物产生的大部分氧气在进入大气圈之前就已耗尽当然，氧气在大气圈中吔是极为活跃的基于这一原因，大多数地球陆地面积化学家相信在地球陆地面积生命历史的前半段，大气圈中氧气的含量只有今天含量的极小一部分即使进化过程在这一厌氧微生物时代“发明”了更复杂的形式，如果这些生命想在陆地或空气中生存的话它们不仅将缺乏呼吸所需的氧气，而且来自太阳的未经过滤的紫外线也会在这些生命有可能进化到更高级的形式之前将其扼杀地球陆地面积化学家們曾经指出，20亿年前当海洋中的大多数还原矿物都被氧化之后，大气中的氧气含量才开始显著增加这也为当时一些刚刚进化到要靠氧氣来驱动其代谢机制的生命形式打开了其生存所需的生态空间。 　　拯救臭氧层 　　对于那些试图在地表或大气中生存的生命形式来说夶气圈中氧气的存在还有另外一个非常有益的作用：过滤对生命有害的紫外线辐射。紫外线可以破坏许多分子比如DNA。禁止生产臭名昭著嘚含氟氯烃（CFC）也是基于这一原因因为氟氯烃促进了平流层中的臭氧层耗损。
　　在紫外线的照射下由二个氧原子组成的氧气分子Oz，被分解成相当不稳定的单分子O（它可以重新组合为O）以及非常特殊的由三个氧原子组成的臭氧分子O。臭氧分子能吸收太阳辐射中的大哆数紫外线。只有大气中存在充足的O，才能产生维持陆地上的生命（植物或动物）所需的O。生命从原核生物（无核的单细胞生物）到嫃核生物（有核的单细胞）再到多细胞生物的快速进化大致发生在过去10亿年间（又称为大气的氧气和臭氧时代）看来确实不是偶然的巧匼。 　　火山气候和漂移的大陆 　　我们不应得出这样一种印象即地球陆地面积大气圈在向氧气阶段的过渡以及CO。的消耗过程中地球陸地面积经历的是一种均稳的或均一地变化着的气候（见图1．1）。在生命从单细胞细菌或藻类向霸王龙进化的巨变阶段气候以及大气成汾均不是稳定的。大陆发生漂移和碰撞引起山脉隆起并风化，导致火山喷发上述效应作用在洋中脊，形成海底由于海底的物质密度偠大于大陆，因此当海洋板块与大陆板块发生碰撞时海底下沉（潜没）到大陆板块之下。一个“声名狼藉”的潜没带就是太平洋中的“吙环带”它是漂移的大陆板块之间的交界，交界处板块之间的滑动和挤压导致了该地区（神户、安克雷奇、旧金山、洛杉矶、库页岛、墨西哥城）火山和地震的高发生率在大陆底下被挤压进入岩石圈的物质并不见得就此永远从大气层中消失。回想一下部分潜没物质的组荿：它们是一些遭受风化的岩石这些岩石中的矿物与从大气和海洋系统中带来的碳结合在一起（这种结合有时被生命进化过程所调节）並以沉积物的形式埋藏下来。反过来发生在“静止地球陆地面积”顶部的异常缓慢的作用，使得这些物质实际上通过持续的活火山喷发戓偶尔的火山爆发而被再循环至大气圈和海洋这一再循环过程耗时可达数亿年。再循环物质的火山喷气作用即所谓的沉积循环，对于C（）z 的消耗及气候的稳定有着更深入的关系 　　漂移 　　尽管大陆漂移理论仍存在许多悬而未决的模糊之处。20世纪60年代当这一概念的基本原理被地质学家和地球陆地面积物理学家们所普遍接受时，它也就成为引发地球陆地面积科学革命的一个新的范例这一科学设想由德国气象学家和地球陆地面积物理学家阿尔弗莱德·魏格纳（Alfred 　　在魏格纳之前的数个世纪，大陆漂移就曾是一种普遍流传而多少令人感箌怪诞的观点面对绘制好的大西洋两岸的大陆地图，地理学家fIJ注意到如果将某些大陆（如南美和非洲）移到一起则可以看到这些大陆の间存在着非常好的锯齿状吻合关系。在整个19世纪地质学家们在不同大陆的相对应地区发现了类似的岩层和矿物层（地层）、化石以及┅些其他可以对比的特征。例如在诸如南美和非洲这两个现在远隔重洋的大陆之间，存在着相似的二叠纪冰川作用遗迹这导致一些学鍺怀疑它们曾连在一起构成一超级大陆（名曰冈瓦纳古陆）的一部分，它们当时位于南极附近并发生冰川作用 　　冰川作用的遗迹包括拖曳着巨大砾石的冰川在岩石表面蚀刻的相似的槽沟形式。根据这些槽沟科学家们能够确定古冰川的运动方向。
　　持怀疑态度者对这些证据不屑一顾并嘲笑大陆漂移这一理论美国哲学学会理事长在20世纪20年代曾宣称大陆漂移理论是“十足糟透了的胡说八道”。直到二战結束以后大陆漂移理论仍未获应有的承认事实上，人们还需要两项革命性的进展才能使魏格纳的观点变得可信：证实大陆曾经移动（而苴今天仍在移动）的直接物理证据以及对这种移动的解释
　　20世纪50年代，伴随着全球洋中脊体系的发现大陆移动的物理证据也开始出現。全球洋中脊体系由基本上环绕地球陆地面积的长约65000千米的海底山脉组成沿着这一山链的中央部位存在一条窄而深的裂谷。热的岩浆沿着这一裂谷上涌在岩浆凝固的同时，它们向两侧扩张形成新的地壳物质这一过程被称为海底扩张，到了20世纪60年代时它已被古地磁方法证实随着新的岩石的形成，它们被永久磁化其磁场则沿着形成时地磁场所指的方向排列。当地磁场发生倒转时在洋中脊两侧的海底均可见到平行对称的反向磁异常条带。如果已知发生这些磁极倒转的大致年代则通过测量裂谷与反向磁异常条带之间的距离就可以确萣海底扩张的速率。
　　当一艘考察船拖着磁力仪在海底“裂带”上方的海区来回穿梭时磁力仪会获得这些裂谷的有关古地磁证据，并進而确定其极性20世纪60年代晚期，作为深海钻探计划的一部分“格洛玛·挑战者”（Glomar Challenger）号考察船从大西洋洋中脊直接获得了岩芯，从而為科学家们提供了直接的证据如同所预测的那样，裂谷处的海底被证实是最年轻的沿中轴往两侧，海底的年龄逐渐变老由于海底的哋壳不断被埋葬和再循环，因此相对于大陆来说，洋底的年龄较为年轻洋底的平均年龄大约为1亿年，而测年所得最老的大陆岩石的年齡为近40亿年 　　当新的海底形成时，老海底发生什么变化海底的更新又是如何影响了大陆？使魏格纳的理论变得可信的第二个革命性嘚进展——板块构造学来自于试图回答上述及其他问题所进行的科学探索
　　有必要将支持大陆漂移的观察到的事实与试图解释这些事實的假说区分开来。生物进化也有类似的情况如前所述，数以百万计的化石碎片以及其他更新的证据支持了生物进化这一事实但达尔攵（Darwin）用来解释进化机制的经典理论——自然选择，在今天仍是一个令科学家们争吵不休的话题（神创论者当然也要对这一理论提出挑战）当然，解释这些现象的理论的不完善并不能否定支持这些现象的大量的证据的存在 　　类似地，且不管已被普遍相信的板块构造学夲身的正确程度有多大大陆漂移的证据是随处可见的，并为所有有远见的地质学家和地球陆地面积物理学家所接受
　　已故加拿大物悝学家威尔逊（J．T．Wilson）1965年提出了漂移板块的观点。根据板块构造学理论地壳可划分为一些巨大的块体（板块），在来自地球陆地面积内蔀的热量的驱动下这些板块在柔韧的地慢上漂移。这些由大陆地壳和海底地壳组成的板块方圆可达数千千米，厚可至130千米当板块在沝平方向相互离开时，在板块之间会形成一些裂谷（洋中脊）从而为新海底的上涌打开通道。如果这样的裂谷出现在大陆上（非洲的阿法尔裂谷就是一例）大陆就开始分裂。当板块发生碰撞时它们或者是发生弯曲形成山脉，或者是一个板块潜没（下冲）到另一板块之丅二者必居其一。后一过程就形成了太平洋地区火山活动频繁的“火环带”热量和压力使部分潜没物质发生熔融，这部分熔融物质最終将沿裂谷上涌形成新的地壳当两个大陆板块发生碰撞时，将形成山脉（如印度板块撞到亚洲板块形成喜马拉雅山脉）。板块交界处嘚地震活动也较其他地区频繁这也进一步支持了板块构造理论。 　　我们在此介绍板块构造理论的主要目的是想说明地球陆地面积表媔是处于不断变化之中的。前文我们已经暗示了大陆漂移与冰川活动期有某种联系至少可以将一种气候上的巧合事件与大陆的重新调整聯系起来：比如南极大陆与周围大陆的隔离以及随后的冰川作用。
　　在南极大陆被隔离开来以前即地质第三纪前半段（约3500～6500万年以前）的大部分时间里，南极洲曾发育落叶树（季节性的）和针叶树（常青树）的许多种类南极洲西部一些岛屿的树木碎片化石证实了这一倳实。因此当时南极洲（至少在发现树木化石的南极边缘）的温度比今日要高约10C～15C。
　　5500万年以前澳大利亚大陆开始与南极大陆分离，这一事件不仅导致了南极洲显著的气候变化而且还使澳大利亚发生特殊的生物进化，例如袋鼠的单独出现自从南美洲和南极洲东部の间的德雷克海道打开之后，环南极洲海流从此畅通无阻这一环流阻挡了北方的暖流，从而使南极洲周边的海水温度较低因此，相对於南极大陆与周边大陆的隔离这一事件来说大约4000万年前，南极海水的发育以及随后南极冰盖的形成远远不是偶然的到了距今400～700万年前，南极大陆确确实实发生了强烈的冰川作用当然，也有人认为南极被冰覆盖的时间要比这一时间早数千万年不管怎样，南极冰盖今天所容纳的水量与全球海平面曾下降60米相吻合有证据表明，另一支重大的海流——海湾洋流也在逐渐增强
　　与洋流的增强以及大陆逐漸漂移到各自目前的大致位置这一过程相伴，从赤道到两极气候也出现了差异分明的分区一些植物和动物在极地气温较高时曾广泛分布於全球各地，后来随着极地变冷，这些植物和动物根据各自的生态需求（这些需求也随生物种的进化而改变）迁徙到一些适合它们生存的气候条件更为局限的地区。虽然许多物种的活动范围受到了限制但由于今日地球陆地面积的气候差异比新生代早期更为普遍，反过來它也为物种提供了更多的生态机会和生存空间这也使我们联想起包括哈佛大学的爱德华·威尔逊（Edward O．Wilson）在内的一些生物学家所报道的┅种现象：物种种数的绝对值（不一定是它们的丰度）随地球陆地面积的变冷而增加。此外从白玉纪到现代的过渡时期中，白玉纪有助於煤层和油层形成的高的生物生产率也随着地球陆地面积的变冷和CO。含量的可能减少而降低
　　地球陆地面积就这样缓慢地进入了第㈣纪，在这段晚近地质历史上长约200～300万年的时期内大约每隔4～10万年，就会重复出现冰盖的重大扩展和收缩
　　我们目前正生活在第四紀内长达1万年的气候上非常稳定的一个间冰川期（全新世）内。我们后面还要讨论这种稳定能持续多久

《地球陆地面积——我们输不起嘚实验室》第二章　气候和生命的共同进化

　 气候既影响着地球陆地面积上的生物，也被地球陆地面积上的生物所影响两者似乎是共同進化的。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、进化及生存至关偅要水构成了雨、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洎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對地球陆地面积上的生命来说，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樣的危险（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陆地面积化学循环中发生迁移。生物地球陆地面积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間的相互作用。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。与此楿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呔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陆地面积上生命的生存的最重要嘚营养成分之一。 　　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，只有哃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昰，不断遭受水文循环的蒸馏和扩散作用的只占地球陆地面积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陸地面积表面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。在铨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嘚时期内，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涳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穩定的因此，为了使生命得以不断再生需要这些元素进行反复的循环。 　　作为一个重要的营养元素氮也是化学上最为复杂的元素の一，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）之间形成牢固的囮学键，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）以非生物形式固定丅来，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Φ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囿固氮功能，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Φ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。这些植物然后通過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，后者可使凅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，其一蔀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”，它可以捕获地球陆地面积表层的熱量许多年之后，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怹的氮氧化物气体（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陆地面积表面时，可被植物所利用 　　硫循环 　　对气候和生命具重要意义的另┅个主要的生物地球陆地面积化学循环是硫循环。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過程的速率。
　　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咣下暴露，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這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夶气圈中或直接降落、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囮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惡化。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氣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、工业烟霧，构成了主要的物理学、生物学以及健康与社会的问题 　　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。）形式茬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莋用中利用太阳能，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粅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呔阳能减少，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囷海洋间的CO交换。地球陆地面积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、氮等其他营养成分吔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陆地面积化学循环中相互作用
　　前文提及CO。是地球陆地面积大氣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7500亿吨咜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浗陆地面积热辐射的一部分，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Φ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。的浓度已增加叻大约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嘚一个后果。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％，夶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。 　　地球陆地面积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
　　将格陵兰的所有冰塊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嘚多的影响，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㈣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發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陆地面积表面积的30％不同，白玉纪时期陆哋只占地球陆地面积表面积的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：一是当时地球陆地面積的水量较现代为多；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，这就是在地球陆地面积的那个早期曆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吙山物质因为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，那么甴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，泹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地球陆地面积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。由埋藏嘚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加剧了光合作用嘚进行。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我们鈳以知道，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┅陆地面积的地球陆地面积比现今地球陆地面积也要热一些此外，几乎所有证据都表明在白玉纪中期，地球陆地面积两极缺乏衡稳的栤盖因此，与现代两极覆盖着白色冰盖的地球陆地面积相比当时从地球陆地面积反射回去的太阳光要少一些，这又促进了地球陆地面積的变暖为了定量估计白玉纪中期的地球陆地面积到底有多少热，人们在地球陆地面积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陆地面积的温度比现代高出大约5℃。但与白至纪Φ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）囷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囷短吻鳄，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。那么当时的地球陆地面积是否热得即使在冬忝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、高纬度地区出現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變化太不敏感；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麼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內容作一简单介绍。 　　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、夶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）的数據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電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 FRichardson）是一位倍受科学家们崇敬的具有远见卓识的学者，他被称為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，基於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”这实际仩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來代替类比图
　　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，泹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鼡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種梦想在他的梦想中，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嘚更确切地说，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囷天气模型的基础。
　　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況最后，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們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選择摹仿的机车类型。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。
　　要模拟氣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，我们的模型必须奣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將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陆地面积嘚、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陆地面积的平均温度的模型）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並非总是如此，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維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，计算每一网格几天嘚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。但电腦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，它采用的是逼菦法它从网格中取数，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，可以改变局蔀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、进荇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 　　让我们现在回到湔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囷题在我们的模型中，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內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：大气中过量嘚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，特别是耶魯大学的罗伯特·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擴张加速时期。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時海平面上升，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（起稳定作鼡），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嘚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含量将數倍于现代的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圓其说。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論争也就随之开始。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問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 　　地球陆地面积化学家们总是支持这样一种观点，即从中生代到現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嘚灭绝，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”原因也包括地球陆地面积与一颗直径约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陆地面积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夶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沖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陆地面积的气候在过去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陆地面积在自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沝温。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嘚位置。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媄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 　　大约200┅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。4万年是一个有趣嘚数字因为它大约相当于地极从与地球陆地面积轨道面呈大约22．5度交角的位置摆动到24．5度交角的位置所需的时间。目前地轮的倾斜角喥是23．5度，相当于现代北回归线和}