地球氣候簡(jiǎn)史-正式版史蒂文·厄爾

致謝我很感激能夠在斯努尼穆克斯原住民（沿海薩利什人）傳承數(shù)千年的領(lǐng)地上寫這本書。斯努尼穆克斯原住民的生活方式并未對(duì)這片土地及周圍珍貴的薩利什海域造成重大影響，其生產(chǎn)活動(dòng)也未導(dǎo)致氣候變化。我也非常感謝艾薩克、蒂姆、海瑟和賈斯汀，你們對(duì)書稿的各個(gè)部分給予了寶貴的反饋。感謝眾多學(xué)子，讓我?guī)ьI(lǐng)你們不斷地摸索，穿過迷霧籠罩的地球科學(xué)的道路，感謝你們提出的好問題，感謝你們的洞察力。3推薦序一氣候變化究竟是真的還是假的？如果是真的，是不是人類活動(dòng)導(dǎo)致的？氣候變化究竟是人類面臨的巨大危機(jī)，還是利益集團(tuán)營造的謊言？反氣候變化論者最常見的理由之一，是地球歷史上氣候一直在變化，比現(xiàn)在熱或比現(xiàn)在冷的時(shí)候多的是，好像這是什么驚天的秘密似的。然而實(shí)際上，最了解氣候變化歷史的，不正是氣候變化研究者嗎？此書就是一本對(duì)氣候變化理論的全面綜述，從太陽亮度變化到板塊漂移，從火山噴發(fā)到米蘭科維奇周期（這個(gè)酷炫的詞指的是地球軌道變動(dòng)引起的氣候變化），從洋流到太陽黑子（猜一猜，太陽黑子多的時(shí)候是更冷還是更熱？），從小行星撞擊到人類活動(dòng)。看了此書，你就會(huì)明白對(duì)氣候變化人類已經(jīng)了解了多少，目前面臨的危險(xiǎn)有多迫切，畢竟，說一個(gè)人在一百年內(nèi)會(huì)死不算危險(xiǎn)，但說一個(gè)人在兩個(gè)星期內(nèi)會(huì)死就完全是另一回事了。人類已經(jīng)掌握了毀滅自己的能力，不單是因?yàn)楹宋淦鳎€因?yàn)閷?duì)氣候的影響。在這樣的歷史時(shí)期，我們尤其需要對(duì)氣候變化原理的深入認(rèn)識(shí)，這正是此書的價(jià)值。袁嵐峰中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任4中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員5推薦序二全球氣候變化是時(shí)下非常熱門的話題，也是我們生物圈面臨的愈發(fā)嚴(yán)峻的生存問題。它關(guān)系到地球上的每一個(gè)人，每一個(gè)物種，甚至每一個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。過去六十年內(nèi)人類的活動(dòng)讓全球地表溫度上升了1℃。可能有人覺得1℃太微小，改變不了什么，但你看過此書后會(huì)明白，平均每天的溫度都比之前高1℃意味著什么？大家如果聽說過蝴蝶效應(yīng)，會(huì)了解“一只南美洲亞馬孫河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)”。但我想說的是，全球氣候變化絕非“蝴蝶效應(yīng)”，而是“颶風(fēng)效應(yīng)”，當(dāng)它全面開啟之時(shí)，人類和地球上的其他生靈將面臨難以承受之痛，第六次“生物大滅絕”絕非危言聳聽。我是研究植物多樣性的，近十余年來一直在泛喜馬拉雅開展植物多樣性調(diào)查研究。泛喜馬拉雅由興都庫什、喀喇昆侖、喜馬拉雅、橫斷山區(qū)四大山脈組成。作為地球上最獨(dú)特的地理單元，泛喜馬拉雅擁有全球35個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)中的3個(gè)。這里有不計(jì)其數(shù)的雄偉、壯觀、連綿不絕的雪山和地球上最壯觀的高山植物區(qū)系。但是，這些年來我深刻地感受到了泛喜馬拉雅植物精靈們的脆弱以及她們生存環(huán)境的岌岌可危。冰川消融加速，亞冰雪帶植被不斷擴(kuò)張，植物原生生境不斷被破壞，植物多樣性斷崖式下滑的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加……這一切的背后，都離不開那1℃的升溫。美麗的卡若拉冰川，每年我們從拉薩前往珠峰保護(hù)區(qū)的路上都會(huì)經(jīng)過，清晰地記得十年前冰川就在公路旁邊觸手可及，可現(xiàn)在只能抬6頭看見它退縮到一兩百米高的懸崖之后……我也不知道該用什么詞語來形容我看到的這種觸目驚心！本書的著者史蒂文·厄爾博士憂心忡忡，他深刻地明白1℃的升溫對(duì)于地球意味著什么。本書的譯者魏科博士也在譯者序中詳解了全球氣候變化背后焦灼的博弈，并警示人類已處于宏大的氣候危機(jī)之中，全球變暖是人類和地球共同的危機(jī)。衷心希望越來越多的朋友們看到這部上乘的科普譯作，它能帶給您最科學(xué)的全球氣候變化解讀。也希望每一位看到這本書的朋友都能從我做起，為節(jié)能減排，為扭轉(zhuǎn)全球氣候惡化貢獻(xiàn)自己的力量。最后，我想說：“我們今天看見了，我們今天一定能做到！”星光點(diǎn)點(diǎn)匯聚，必成璀璨銀河，地球生靈未來延續(xù)的美麗，就在書對(duì)面的每一位讀者手中。王強(qiáng)中國科學(xué)院植物學(xué)研究員2023年5月3日于香山7譯者序 撥開氣候變化的迷霧有關(guān)全球變暖的研究動(dòng)了不少人的奶酪。因?yàn)閼?yīng)對(duì)全球變暖，需要人類從根本上擺脫對(duì)化石燃料的依賴。這意味著風(fēng)光無限的石油化工、煤炭采掘、火力發(fā)電、鋼鐵冶煉、建筑水泥、燃油汽車等產(chǎn)業(yè)都將被徹底替換或者淘汰。在石油化工領(lǐng)域，巨頭林立，?？松梨?ExxonMobil)、殼牌(Shell)、英國石油公司(BP)、沙特阿美(SaudiAramco)、伊朗國家石油公司(NIOC)，每一家都富可敵國，比如埃克森美孚市值4000億美元，殼牌2100億美元，英國石油公司1000億美元。截至2022年5月底，沙特阿美市值逾2.4萬億美元，一舉超過蘋果公司，成為全球市值最高的公司。與石化產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的還有汽車產(chǎn)業(yè)，豐田、通用、大眾、福特、本田、梅賽德斯-奔馳、寶馬、克萊斯勒，無一不是巨無霸?；鹆Πl(fā)電也是龐大的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，特別是過去幾十年全球電力需求增長強(qiáng)勁，火力發(fā)電企業(yè)經(jīng)歷了快速增長，美國電力公司(AEP)、美國愛依斯全球電力公司(AES)等都成為跨國巨頭。巨頭們當(dāng)然不會(huì)坐以待斃，至少在產(chǎn)業(yè)存續(xù)和轉(zhuǎn)型期間，想要維持企業(yè)規(guī)模和利潤，就要營造適合企業(yè)發(fā)展的輿論環(huán)境；因此，由企業(yè)資助的對(duì)全球變暖及相關(guān)政策的質(zhì)疑和攻擊從未停止。1998—2014年，?？松梨谫澲鱾€(gè)反氣候變化組織和個(gè)人的總金額達(dá)3092.5235萬美元，具體的每筆經(jīng)費(fèi)都可以在以下網(wǎng)站查詢：8/。創(chuàng)辦這家網(wǎng)站的初衷是揭示反氣候變化組織和個(gè)人從?？松梨谀玫搅硕嗌儋澲?，但為反氣候變化提供經(jīng)費(fèi)支持的又何止?？松梨谶@一家。圍繞全球變暖的議題，受各種利益團(tuán)體支持的游說集團(tuán)和反全球變暖者使盡了各種手段。與科學(xué)家相比，他們更擅長運(yùn)用媒體手段和社交網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)召開各種“高大上”的會(huì)議，比如反全球變暖組織哈蘭學(xué)會(huì)(Heartland Institute)多年來一直在召開“國際氣候變化大會(huì)”(InternationalConferenceonClimateChange,ICCC)。截至2021年，已經(jīng)開辦到了第14屆，參會(huì)者包括“世界領(lǐng)先的氣候科學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、決策者、工程師、商界領(lǐng)袖、醫(yī)生，以及其他專業(yè)人士和相關(guān)公民”。他們與聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)表的氣候變化評(píng)估報(bào)告針鋒相對(duì)；他們也組織相關(guān)“專家”，發(fā)表“非政府間氣候變化專門委員會(huì)”(NIPCC)氣候評(píng)估報(bào)告。對(duì)于缺乏科學(xué)素養(yǎng)，或者不了解利益關(guān)系的公眾而言，根本不知道這種看似正規(guī)的學(xué)術(shù)會(huì)議本來就比較“山寨”，也根本無法了解這個(gè)打著“第三方”非政府組織旗號(hào)的報(bào)告講的并不是科學(xué)事實(shí)。熟悉辯論的人都知道，要反對(duì)一件事情，總是能找到理由的，懷疑科學(xué)數(shù)據(jù)、科學(xué)機(jī)制、模式可信度、陰謀論、經(jīng)濟(jì)收益、人文情懷等，總是會(huì)有理由的，甚至混淆是非、把水?dāng)嚋喴彩莻€(gè)可選方案，把公眾忽悠住一段時(shí)間也是很好的思路。這在政黨輪流坐莊每隔幾年換一屆的情況下，短期內(nèi)忽悠住選民甚至比堅(jiān)持真理更重要。譯者對(duì)相關(guān)的觀點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)這么多年由這些組織和個(gè)人提9出的反氣候變化的觀點(diǎn)和“事實(shí)”竟達(dá)200多個(gè)，這些觀點(diǎn)在眾多媒體廣為流傳，從各個(gè)角度侵蝕公眾和媒體的科學(xué)認(rèn)識(shí)，很多人以為是自己“獨(dú)立思考”得到的結(jié)論，實(shí)際上早已深受這些反氣候變化材料的影響。反氣候變化的人中，絕大多數(shù)不是氣象、氣候或者環(huán)境專業(yè)出身，很多沒有科研經(jīng)歷，甚至絕大多數(shù)沒有經(jīng)過自然科學(xué)的訓(xùn)練；但這并不妨礙他們的影響力。這些人著書立說，參加電視和電臺(tái)節(jié)目，迎合公眾口味，收割互聯(lián)網(wǎng)流量。公眾并不喜歡循規(guī)蹈矩的事情，公眾喜歡娛樂性事件、陰謀論故事、爆炸性新聞、危言聳聽的預(yù)言、揭露科學(xué)家的“操控”和“陰謀”等，這正是很多反氣候變暖者擅長的領(lǐng)域?；诖耍礆夂蜃兣呦矚g把“全球變暖”包裝成驚天大陰謀，比如“全球變暖是全球科學(xué)家的共謀”、“別有用心的科學(xué)家人為修改數(shù)據(jù)”、“溫室效應(yīng)理論被人為篡改”、“科學(xué)家的同行評(píng)審過程存在腐敗現(xiàn)象”、“科學(xué)家試圖把全球溫度序列里的降溫隱藏起來”，還有“全球變暖是美國等發(fā)達(dá)國家遏制中國發(fā)展的陰謀”、“全球變暖的概念是被中國人而且是為中國人編造出來的，目的是讓美國的制造業(yè)失去競(jìng)爭(zhēng)力……全球變暖就是一場(chǎng)徹頭徹尾的、很燒錢的大騙局”等。反氣候變暖者也常算“經(jīng)濟(jì)賬”，他們的觀點(diǎn)還有“應(yīng)對(duì)全球變暖扼殺了工作崗位”、“即使從現(xiàn)在起限制CO2排放，也不會(huì)產(chǎn)生大的差別”、“可再生能源實(shí)在是太貴了”、“限制CO2對(duì)經(jīng)濟(jì)有害”、“適應(yīng)全球變暖比阻止全球變暖代價(jià)低”。10反氣候變暖者還擅長運(yùn)用不可知論，“沒有完全確定的科學(xué)（連牛頓、愛因斯坦等人的理論都是不斷修正的，現(xiàn)在的氣候?qū)W家怎么能確切地說全球變暖呢?。薄ⅰ皻夂蛱幱诨煦鐮顟B(tài)，不可預(yù)測(cè)”、“科學(xué)家預(yù)報(bào)天氣都不準(zhǔn)，何況預(yù)測(cè)未來百年的氣候”。反氣候變暖者還會(huì)說“不值得大驚小怪”，“人類成功地經(jīng)歷了過去的氣候變化”、“歷史上北極海冰的范圍比現(xiàn)在還要小”、“熱浪和酷暑在歷史上比比皆是”、“人類活動(dòng)在影響全球氣候方面微不足道”、“IPCC是一些危言聳聽杞人憂天者”，或者打悲情牌，“氣候變化懷疑論者就是今天的伽利略和布魯諾”。其中最具迷惑性的觀點(diǎn)無疑是：地球歷史上曾經(jīng)有過各種滄海桑田的氣候變化，所以現(xiàn)在的變暖很正常。這在反氣候變化的所有觀點(diǎn)里長期排名第一，甚至國內(nèi)外很多學(xué)者也無法區(qū)分古氣候變化和現(xiàn)在的全球氣候變化。在譯者曾經(jīng)加入的某學(xué)者微信群里，也有科學(xué)家拿幾億年前的“冰雪地球”、太陽輻射的長期變化、板塊運(yùn)動(dòng)等說事兒，認(rèn)為現(xiàn)在的氣候變化不值一提，而研究和提倡積極應(yīng)對(duì)全球變暖的學(xué)者像是沒見過“大世面”，對(duì)現(xiàn)在的氣候變化“大驚小怪”，提出“誤國誤民”的碳減排措施，屬于“自廢武功，中了發(fā)達(dá)國家的陰謀”。其實(shí)，絕大多數(shù)反氣候變化的觀點(diǎn)都不值一駁，因?yàn)槭聦?shí)勝于雄辯，尤其是全球有數(shù)萬個(gè)觀測(cè)站持續(xù)不斷進(jìn)行觀測(cè)，有些觀測(cè)站的歷史已經(jīng)超過200年。僅在中國，就有密密麻麻2萬多個(gè)氣象觀測(cè)站，數(shù)萬名觀測(cè)人員幾十年如一日地持續(xù)觀測(cè)，積累了海量的數(shù)據(jù)；對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不難得到全球持續(xù)變暖的事實(shí)。11史蒂文·厄爾這本《地球氣候簡(jiǎn)史》是對(duì)上述反氣候變暖觀點(diǎn)的最佳反駁。作為大學(xué)教科書《物理地質(zhì)學(xué)》的作者，他教授地球科學(xué)課程40年，對(duì)地球古氣候和現(xiàn)在的氣候變化了如指掌。他以宏大的視野和敘事方式，講述了自地球誕生以來引起氣候變化的各種原因，涵蓋太陽輻射的長期變化、板塊漂移、火山噴發(fā)、地球軌道參數(shù)變化、洋流、小行星撞擊、人類活動(dòng)等，并詳細(xì)介紹了各種正反饋過程。在地球歷史中，絕大多數(shù)時(shí)間全球連兩極都沒有冰雪，只有很短的時(shí)間為冰期，在此期間兩極才有冰雪，這種滄海桑田的氣候變化就是由以上這些驅(qū)動(dòng)因子和正反饋過程共同推動(dòng)的。目前人類活動(dòng)引起的氣候變化和古氣候變化有明顯的區(qū)別，表現(xiàn)為目前氣候變化的速度遠(yuǎn)超自然過程的氣候變化，從南極冰芯的高精度數(shù)據(jù)來看，現(xiàn)在溫室氣體的增加速度非?？?，是過去至少100萬年歷史中最快速度的100倍以上。這種速度差異適合一個(gè)比喻，“人活百歲會(huì)死”和“某人兩周之內(nèi)要死”，對(duì)于前者，我們既不會(huì)擔(dān)心，也不會(huì)憂愁，而對(duì)于后者，則需要馬上尋找原因并就醫(yī)。所以，這是科學(xué)上“尺度”的概念，即某種現(xiàn)象的時(shí)間和空間尺度是多少，時(shí)空尺度差一個(gè)數(shù)量級(jí)，事物本質(zhì)就會(huì)發(fā)生巨大的變化，就像一個(gè)人以10分鐘走完100米，或者以1分鐘跑完100米，或者以10秒鐘跑完100米，其代表的身體條件和運(yùn)動(dòng)技能完全不同，10分鐘走完100米，可能是傷殘后剛站起重學(xué)走路，1分鐘跑完100米可能是剛蹣跚學(xué)步的嬰孩，而能跑進(jìn)10秒鐘的絕對(duì)是世界頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員。人類活動(dòng)引起的氣候變化正在以超歷史紀(jì)錄的速度改變地球的面12貌，除了氣溫越來越高，極端天氣也會(huì)越來越多，越來越強(qiáng)，情況會(huì)越來越糟。發(fā)達(dá)國家過去200年、我國改革開放40多年來建起的沿海城市、經(jīng)濟(jì)帶和密集的人口都要受到海平面上升的反復(fù)侵蝕。這一過程將要持續(xù)數(shù)百年，很大可能要持續(xù)上千年。這可能是一條不歸路，人類可能永遠(yuǎn)也回不到原來的氣候狀態(tài)了。未來的氣候變化幅度有多大，取決于我們現(xiàn)在和將來如何應(yīng)對(duì)。無論是市場(chǎng)還是行業(yè)，都希望看到確定性的趨勢(shì)，目前，全球變暖和應(yīng)對(duì)全球變暖成為未來數(shù)百年確定性大趨勢(shì)。2021年1月20日，美國總統(tǒng)拜登就職僅數(shù)小時(shí)后就簽署行政令，宣布重返《巴黎協(xié)定》，至此，全球196個(gè)國家和地區(qū)全部加入了應(yīng)對(duì)氣候變化的行動(dòng)。這一全球集體行動(dòng)是對(duì)全球變暖大趨勢(shì)的確定和回應(yīng)。目前，全球各國都在積極布局碳中和與低碳發(fā)展，期望到本世紀(jì)中葉能將全球凈碳排放量減少到零。這是一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)型，意味著在全球范圍內(nèi)將全面淘汰化石燃料，全球產(chǎn)業(yè)將進(jìn)行深度調(diào)整和升級(jí)。對(duì)各國與各企業(yè)而言，行動(dòng)越快越能占據(jù)主動(dòng)位置，從而獲取產(chǎn)業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)清華大學(xué)2021年發(fā)布的一項(xiàng)報(bào)告，如果走向碳中和，在2020—2050年，中國僅在能源領(lǐng)域內(nèi)的投資就將超過100萬億元，如果再加上其他行業(yè)，從全球范圍來看，這蘊(yùn)藏著無盡的商業(yè)、財(cái)富和科學(xué)機(jī)遇。前文提到的巨頭們，雖深受全球走向低碳的影響，但并不妨礙它們追逐更巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)：曾經(jīng)反氣候變化的石化和電力行業(yè)早已投入巨資進(jìn)行新能源研究和轉(zhuǎn)型。盡管被質(zhì)疑在應(yīng)對(duì)氣候變化上采取“否13認(rèn)”和“拖延”的態(tài)度，但在?？松梨诘呢?cái)務(wù)報(bào)告里已經(jīng)有了關(guān)于碳捕獲、氫能和先進(jìn)生物燃料等低碳技術(shù)方面的投資。2021年10月23日，世界石油和天然氣巨頭沙特阿美公司宣布了到2050年的碳中和目標(biāo)。在義無反顧地迎接碳中和時(shí)代之前，無論是思考其中的科學(xué)問題還是挖掘其中的巨大商業(yè)潛力，都需要深刻地理解現(xiàn)在的氣候變化?！兜厍驓夂蚝?jiǎn)史》就是這樣一本書，它會(huì)帶著你跨越地球46億年的歷史，見證“黯淡太陽”的日光與“冰雪地球”時(shí)高聳入云的冰山；見證西伯利亞地盾數(shù)十萬年的火山噴發(fā)、?？颂K魯伯隕石撞擊激起的巨浪和熾熱的天空；見證青藏高原的隆起和兩極冰蓋的形成；也帶你一起目睹第一個(gè)光合作用生物的誕生、臭氧層的形成、第一批生物走上陸地、恐龍的崛起和滅絕、智人誕生并走遍全球；帶你了解目前生機(jī)勃勃的世界是生物和地球長期相互作用的產(chǎn)物，我們?cè)缫押偷厍蛐纬闪斯餐w，目前的全球變暖是我們和地球共同的危機(jī)。在我們翻譯本書的過程中，發(fā)現(xiàn)原版圖書中也存在數(shù)個(gè)小錯(cuò)誤，屬于作者在寫作過程中的筆誤和理解錯(cuò)誤，對(duì)此，我們和作者史蒂文·厄爾進(jìn)行了溝通，他也坦然承認(rèn)了自己的筆誤和錯(cuò)誤，對(duì)于這些內(nèi)容我們已經(jīng)在翻譯中進(jìn)行了更正。再一次感慨，一本好書的誕生不容易，科學(xué)圖書的撰寫、出版和翻譯，每一步都需要科學(xué)家的參與，尤其是一線科學(xué)家的參與，在某種程度上，沒有一線科學(xué)家的參與，科學(xué)圖書是靠不住的。本書的翻譯，譯者邀請(qǐng)了業(yè)內(nèi)幾位優(yōu)秀的年輕科研人員參與，包括14趙寅博士、周春江博士、阿如哈斯博士、王亭碩士、博士生李雅迪、博士生周浩，他們?cè)跉夂蜃兓?、海氣耦合、?shù)值模擬、全球碳排放、東亞季風(fēng)等領(lǐng)域都有所建樹。和他們合作，譯者感受到了青春的氣息，也感受到氣候變化領(lǐng)域內(nèi)還有眾多科學(xué)問題需要進(jìn)一步深入探索。我們已經(jīng)處于巨大的氣候危機(jī)之中，災(zāi)害越來越多，圍繞氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)的科學(xué)普及，還有更多的工作需要做，在某種程度上，科學(xué)普及也是可以推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和搶救生命的。希望你能喜歡這本書，也希望這本書能幫助你認(rèn)識(shí)我們復(fù)雜又簡(jiǎn)單的世界。魏科2022年6月20日于北京15前言不要讓他們說：我們沒有看見我們看見了不要讓他們說：我們沒有聽見我們聽見了不要讓他們說：他們沒有品嘗過我們吃進(jìn)嘴里，我們渾身顫抖不要讓他們說：他們沒有說過、寫過我們說了，我們用聲音和雙手見證了不要讓他們說：他們毫無作為我們做了——但并不足夠——簡(jiǎn)·赫什菲爾德(JaneHirshfield)《不要讓他們說》氣候變化并不遙遠(yuǎn)，它一直在。世界各地都存在氣候變化的跡象，而且?guī)缀趺刻於荚谝l(fā)不同的災(zāi)難。只有那些獲得豐厚的商業(yè)利潤，擁有強(qiáng)烈的政治執(zhí)念，或是剛愎自用的人才會(huì)斬釘截鐵地說：人類活動(dòng)不16會(huì)造成氣候變化。那些否認(rèn)人為導(dǎo)致氣候變化的人常常將“地球氣候曾經(jīng)發(fā)生過改變”的論調(diào)作為佐證，這一觀點(diǎn)倒很是正確。46億年以來，地球氣候一直在不斷變化。我們對(duì)地球氣候是如何、何時(shí)以及為何變化等問題已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)。其主要的自然機(jī)制包括太陽活動(dòng)、物種進(jìn)化、大陸漂移和板塊碰撞、火山爆發(fā)、彗星和隕石墜落以及地球軌道變化。大多數(shù)由自然因素引發(fā)的氣候變化都是極其緩慢的，但也有十分迅速的，甚至比人為活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化還要快。有些自然變化已經(jīng)停止，但是大多數(shù)還在發(fā)生，并在整個(gè)人類文明發(fā)展的尺度下影響著我們的地球氣候。這本書的目的在于引領(lǐng)讀者充分理解人為活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化，但前提是我們需要了解地球自然氣候變化的漫長歷史。只要我們對(duì)自然變遷[如太陽活動(dòng)的變化、洋流如何運(yùn)行、地球如何擺動(dòng)（以及其為何重要）、火山爆發(fā)等]如何影響氣候稍作了解，就會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)這些都不是過去60年地表平均溫度上升1℃的原因。一切都在我們身上。了解過去的自然氣候變化是至關(guān)重要的，尤其是有助于理解現(xiàn)在人為氣候變化的發(fā)展過程，包括強(qiáng)迫機(jī)制（溫室氣體的增加以及如何推動(dòng)氣候變暖）和反饋機(jī)制（如冰雪融化）的放大效應(yīng)。只有對(duì)過去的氣候變化有足夠的了解，我們才能準(zhǔn)確界定氣候的臨界點(diǎn)在哪，而一旦觸發(fā)這個(gè)臨界點(diǎn)可能會(huì)使地球氣候脫離人類的掌控。全球升溫1℃有什么大不了的嗎？畢竟并不會(huì)有人關(guān)心明天的氣溫是否比今天高1℃。但這不僅僅是明天一天的事，而是平均每天都升溫171℃。在任何一年里，有些天可能仍比長期平均溫度要低，其他天可能是平均溫度的水平。但是，我們可以預(yù)見未來大多數(shù)日子的溫度會(huì)增高，甚至某些天的增溫遠(yuǎn)高于1℃，而這，將導(dǎo)致極大的差異。我們還可以推斷未來干燥的地方會(huì)更干燥，潮濕的地方會(huì)更潮濕，暴雨會(huì)更猛烈。當(dāng)然，由于冰雪融化，海平面也會(huì)持續(xù)上升。所以，地球增溫1℃其實(shí)事關(guān)重大。這種增溫導(dǎo)致連續(xù)4年的干旱，糧食歉收，孩子們?nèi)甜嚢ゐI；導(dǎo)致我們唯一的水源干涸；導(dǎo)致失控的野火，燒毀我們的財(cái)產(chǎn)；導(dǎo)致洪水、山體滑坡或以希臘字母命名的超級(jí)風(fēng)暴，摧毀我們的家園；導(dǎo)致海平面上升，威脅我們的城市、農(nóng)場(chǎng)、家庭或者工作場(chǎng)所；導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)崩潰，大量生物流離失所。即便對(duì)于那些沒有面臨以上種種風(fēng)險(xiǎn)的人們來說后果也很嚴(yán)重——如果他們了解人類目前的處境，以及我們離自己目力所不及的懸崖邊緣有多近，他們就要擔(dān)心了。大約20年前，當(dāng)我對(duì)氣候變化這一領(lǐng)域只有一個(gè)模糊的概念的時(shí)候，我獲得了開設(shè)和講授一門關(guān)于環(huán)境地質(zhì)學(xué)課程的機(jī)會(huì)。為人師者都知道，教授課程是快速掌握一門知識(shí)的最佳方法。因此我很快就了解到關(guān)于地球氣候的知識(shí)，地震、火山爆發(fā)、山體滑坡和洪澇災(zāi)害頻發(fā)的地球本來就是一個(gè)危險(xiǎn)的地方，我們?nèi)藶樵斐傻囊幌盗袗毫拥沫h(huán)境問題中，氣候變化的問題比其他所有威脅都要嚴(yán)重和危險(xiǎn)。事實(shí)上，除非我們認(rèn)真對(duì)待氣候變化的問題，否則其他環(huán)境威脅都將在很大程度上變得無關(guān)緊要。1℃的升溫對(duì)我而言十分要緊，它將徹底改變我的生活方式——我18將高舉標(biāo)語、手持?jǐn)U音器上街游行，并花時(shí)間寫這本書。其實(shí)情況已經(jīng)十分緊迫，因?yàn)閾?jù)我觀察，1℃的升溫已經(jīng)改變了我們的世界。更重要的是，如果我們不盡快對(duì)生活方式作出重大調(diào)整，我擔(dān)心人類將進(jìn)入一個(gè)無法預(yù)料的艱難境地。請(qǐng)不要讓他們?cè)?0年或50年后說，盡管我們現(xiàn)在知道，但是我們做得不夠?！返傥摹ざ驙?StevenEarle)2020年12月19引言本書主要關(guān)注過去46億年來地球氣候演化的自然過程，了解這些對(duì)我們來說至關(guān)重要，因?yàn)檫@有助于我們充分理解目前人類活動(dòng)造成的氣候變化。當(dāng)洞悉了古老的過去，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，過去一個(gè)世紀(jì)所發(fā)生的氣候變化完全是受人類活動(dòng)的影響，而不是自然氣候強(qiáng)迫的結(jié)果。本書以各種自然現(xiàn)象的時(shí)間尺度為線索來組織成篇。第一章概述了主導(dǎo)地球現(xiàn)在和過去氣候的物理機(jī)制。最后一章，即第十一章總結(jié)了我們可以采取哪些措施來減少個(gè)人和群體對(duì)氣候的影響。第二章著眼于過去數(shù)十億年間太陽輻射強(qiáng)度的演化，盡管其增加了40%，但地球及其生態(tài)系統(tǒng)卻一直調(diào)節(jié)著氣候，將其控制在適宜生命生存的范圍內(nèi)。第三章聚焦極為緩慢的板塊構(gòu)造過程。在過去數(shù)億年間，大陸漂移控制著太陽能轉(zhuǎn)化為熱量的效率，板塊構(gòu)造過程影響著洋流，山脈的形成影響著大氣成分的變化，進(jìn)而都可以影響氣候。第四章講述了火山噴發(fā)造成的氣候冷卻與氣候變暖。這一影響過程的時(shí)間尺度短則數(shù)年，長則幾千萬年。第五章概述了地球軌道參數(shù)的變化（米蘭科維奇旋回理論），包括在過去的數(shù)百萬年間米蘭科維奇旋回如何調(diào)節(jié)冰期旋回，以及我們是否正邁入一個(gè)新的冰期。20第六章，我們關(guān)注的是洋流的長期和短期變化對(duì)氣候的影響，包括大西洋中變化時(shí)間尺度為幾百年的墨西哥灣流，以及太平洋中變化時(shí)間尺度為數(shù)年的厄爾尼諾現(xiàn)象。第七章集中討論了與太陽黑子數(shù)量相關(guān)的太陽短周期變化，包括太陽黑子的變化如何導(dǎo)致太陽輸出能量產(chǎn)生細(xì)微變化，以及這些時(shí)間尺度為幾十年的變化是否會(huì)影響地球的氣候。第八章的內(nèi)容關(guān)于災(zāi)難性氣候變化，包括地球與大型地外天體撞擊時(shí)的氣候影響，例如在白堊紀(jì)末期，一次大撞擊導(dǎo)致恐龍滅絕（可能在短短幾天內(nèi)）。這一章還會(huì)討論類似事件在未來發(fā)生的可能性。第九章總結(jié)了我們的祖先——智人的活動(dòng)對(duì)氣候的影響。有證據(jù)表明，早在幾千年前，人類就對(duì)氣候有所影響，這一點(diǎn)可能會(huì)出乎讀者的意料。第十章聚焦于與臨界點(diǎn)相關(guān)的話題，討論了地球歷史氣候從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變的方式和原因，以及當(dāng)代人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的重大影響如何在不久的將來形成一個(gè)新的臨界點(diǎn)。毫不夸張地說，人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化是我們所面臨的最嚴(yán)峻的問題。即使現(xiàn)在我們洗心革面、積極行動(dòng)，人力和經(jīng)濟(jì)成本也將是天文數(shù)字級(jí)的，可如果我們繼續(xù)拖延下去，我們承擔(dān)的成本將是更多倍。這個(gè)問題還未超過我們的掌控范圍，但是需要我們勠力同心，加強(qiáng)合作。而了解相關(guān)的自然過程的機(jī)制，能讓我們更好地理解為什么我們都需要作出改變。21第一章 什么主導(dǎo)著地球的氣候？“我們正在做史上最危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，想看看在環(huán)境發(fā)生致命災(zāi)難前大氣能容納多少二氧化碳?！薄Ｂ　ゑR斯克(ElonMusk)，2016年12月31日發(fā)表于推特?zé)o論是現(xiàn)在，還是在遙遠(yuǎn)的地質(zhì)時(shí)期，以二氧化碳(CO2)貢獻(xiàn)為主的溫室效應(yīng)都是氣候變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子之一。除此之外，還有其他重要的驅(qū)動(dòng)因子，包括地球不同區(qū)域接收到的太陽能量的變化、地球表面反射率（反照率）的變化，以及大氣中顆粒物數(shù)量的變化。這些驅(qū)動(dòng)機(jī)制被稱為氣候強(qiáng)迫，即它們迫使或推動(dòng)著氣候趨于一種更冷或更熱的狀態(tài)。另外，氣候變化的真正主力軍是自然界中各種放大氣候強(qiáng)迫的正反饋過程。例如，積雪覆蓋的海冰具有很強(qiáng)的反射率，照射到其上的太陽光大部分被直接反射回太空，對(duì)地球幾乎沒有任何增暖效應(yīng)。如果海冰融化，露出開闊的水域，大部分太陽光會(huì)被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，從而加熱海水和其上方的空氣，導(dǎo)致更多的融化。本章描述了氣候強(qiáng)迫的影響以及反饋的放大效應(yīng)。由于書中將討論一些非常緩慢的過程，在大多數(shù)情況下，這些過程常常需要數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年才能產(chǎn)生顯著的變化，因此，這一章將對(duì)地質(zhì)年代作簡(jiǎn)要概述，并解釋極度緩慢的地質(zhì)過程如何產(chǎn)生巨大的影響。22溫室效應(yīng)大氣（也就是我們呼吸的空氣）主要由氮?dú)?N2)和氧氣(O2)組成（其中N2占78%，O2占21%），還有大約1%的氬氣(Ar)，以及許多濃度很低的氣體，如二氧化碳(CO2)、氖(Ne)和氦(He)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)等（圖1-1）。水蒸氣也是一種非常重要的大氣成分，它的濃度變化很大，在溫度很低時(shí)只有0.01%，溫度為30℃時(shí)則達(dá)4%以上。我們使用“百萬分比”(ppm)來描述微量氣體的濃度，如果一種氣體的濃度是1 ppm，就意味著100萬個(gè)空氣分子中有1個(gè)這種氣體分子。23圖1-1低層大氣成分像所有固體和液體分子一樣，凡是具有2個(gè)及以上原子的氣體分子都會(huì)振動(dòng)。雙原子的氣體分子，如N2和O2，只能通過伸縮來振動(dòng)（圖1-2），這種振動(dòng)相對(duì)較快。具有3個(gè)以上原子的氣體分子（例如CO2）可以通過伸縮和彎曲來振動(dòng)（圖1-2），這類氣體被稱為溫室氣體24(GHGs)。引起溫室效應(yīng)的核心因素在于彎曲振動(dòng)比伸縮振動(dòng)慢，而且彎曲振動(dòng)的頻率落在受熱的地球表面發(fā)出的紅外輻射頻率范圍之內(nèi)。2526圖1-2O2和CO2的振動(dòng)模式為了理解溫室效應(yīng)，我們必須簡(jiǎn)要了解不同類型的光。太陽發(fā)出的光主要位于光譜的可見光部分，少部分延伸到近紅外和紫外波段。地球表面（水、植被、冰、土壤和巖石）被可見光加熱到不同的溫度，從而發(fā)出位于光譜的紅外部分（長波）的光。對(duì)我們來說這種光是不可見的，但你可以在紅外圖像中看到它，物體越熱，圖像就越亮。來自太陽的可見光的振動(dòng)頻率與常見的大氣氣體（O2和N2）或溫室氣體(GHGs)的振動(dòng)頻率不同，因此在通過大氣層時(shí)不會(huì)被大氣吸收（盡管會(huì)被云和顆粒物反射）。但正如前文所述，從受熱的地球表面輻射出的紅外光，其頻率與溫室氣體的彎曲振動(dòng)頻率重疊，在紅外光的照射下，氣體分子的振動(dòng)變得更加劇烈，從而使氣體分子升溫，也就是加熱大氣。換句話說，溫室氣體捕獲了一些來自受熱地球表面的紅外輻射。溫室氣體的濃度越高，其捕獲的能量就越多，大氣溫度也就越高。眾所周知，CO2是第一大溫室氣體。在2020年年底，其在大氣中的濃度約為415ppm，或0.04%（圖1-3），目前每年增加約2ppm。27圖1-3在夏威夷莫納羅亞山測(cè)量的大氣中的CO2濃度注：數(shù)據(jù)來源于夏威夷莫納羅亞山觀測(cè)站基林實(shí)驗(yàn)室的實(shí)地測(cè)量，該實(shí)驗(yàn)室由位于拉荷亞的加利福尼亞大學(xué)斯克里普斯海洋研究所運(yùn)營。scrippscO2./data/atmospheric_cO2/primary_mlo_cO2_re為什么CO2濃度曲線如此曲折？如圖1-4所示，莫納羅亞山的CO2濃度水平在每年5月達(dá)到峰值，然后在9月下降到最低值。這是因?yàn)殛懮参镌?月到9月生長旺盛，消28耗了大氣中大量的CO2，隨著秋冬季有機(jī)物的分解，其中大部分又回到了大氣中。而且由于化石燃料燃燒排放了大量的CO2，會(huì)在每年5月形成一個(gè)新的峰值。CO2在大氣中很容易與其他氣體混合，特別是在東西（緯圈）方向上，所以這些來自夏威夷的測(cè)量結(jié)果通?？梢源肀卑肭虻那闆r。圖1-4莫納羅亞山2019—2021年逐月CO2濃度水平注：數(shù)據(jù)來源同圖1-3。南半球的情況正好與之相反（峰值出現(xiàn)在每年9月），但由于赤道以南的陸地較少，對(duì)最終結(jié)果的影響沒有那么大。29甲烷(CH4)是第二大溫室氣體，目前大氣中CH4的濃度約為1870ppb（ppb，十億分比），即約1.9ppm，并以每年約8ppb的速度增加（圖1-5）。與CO2相比，CH4濃度如此之低，似乎微不足道，但它相比CO2更能有效地吸收紅外輻射，這些不起眼的CH4貢獻(xiàn)了人為全球變暖的約1/3。其他主要的溫室氣體還包括N2O、O3和氟氯化碳(CFCs)。圖1-51980—2020年全球平均的逐月大氣中的CH4濃度逐日變化注：數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室全球監(jiān)測(cè)部門，E.Dlugokencky,NOAA/ESRL,30/gmd/ccgg/trends_cH4。水汽也是一種強(qiáng)溫室氣體，大氣中可以容納的水汽與溫度成正比，因此變暖確實(shí)會(huì)使得水汽的溫室效應(yīng)更加顯著。但水汽對(duì)氣候的影響是復(fù)雜的，因?yàn)楦嗟乃馕吨嗟脑疲绱蠹宜?，云能很好地遮擋太陽，大部分照射到云層上表面的陽光被反射回太空。我們將在后面的章?jié)中看到，受生物過程、火山活動(dòng)和巖石風(fēng)化等自然過程的影響，過去，溫室氣體濃度水平發(fā)生過很大變化，這些變化對(duì)歷史氣候演變發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)然，目前的溫室氣體濃度水平也在發(fā)生顯著變化，造成這一變化的因素則是人類活動(dòng)，主要包括我們對(duì)化石燃料的使用，以及我們富含乳制品和牛肉的飲食結(jié)構(gòu)。31太陽輻射照射到地球表面的太陽光的強(qiáng)度被稱為“入射太陽輻射”，地球曾經(jīng)歷過太陽輻射的顯著變化。第二章將介紹太陽輻射的強(qiáng)度是如何隨著地質(zhì)年代緩慢變化的，以及地球系統(tǒng)的適應(yīng)過程；第七章將討論周期從幾年到幾十年不等的太陽黑子的氣候影響。正如我們將在第五章中看到的，太陽輻射的變化不僅僅是太陽釋放了多少能量，在一年中的不同時(shí)間，地球表面不同區(qū)域接收到的太陽能量受到地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道形狀和地球軸線傾斜角度的細(xì)微變化的影響，引起的氣候變化大到足以導(dǎo)致冰期循環(huán)。這是因?yàn)榈厍蚰媳本?0°以外是冰川易生成區(qū)，如果太陽輻射減少，冰川就有增長的趨勢(shì)。32反照率不同表面對(duì)光的反射程度不同，通常用反照率來衡量。一般來說，表面的顏色越深，越容易吸收光能，并轉(zhuǎn)化為熱能，就像烈日下赤腳走在深色人行道上的人所感受到的那樣。如圖1-6所示，冰、雪（特別是新雪）和云的反照率最高，照射到這些表面的太陽光有70%～90%被反射回太空，實(shí)際上對(duì)地球增溫幾乎沒有任何作用。大多數(shù)巖石和沙土表面的反照率約為30%；森林的反照率為10%～15%；水的反照率在3%～10%之間，但如果太陽在水面正上方，這個(gè)值通常更接近3%。照射到這些表面的大部分太陽光都被吸收，并加熱表面。被加熱的表面會(huì)發(fā)出紅外輻射，這種輻射與溫室氣體相互作用，使大氣變暖。在討論氣候變化時(shí)，反照率只有在發(fā)生變化時(shí)才重要。有很多自然方式能使反照率發(fā)生變化，其中一個(gè)明顯的方式是冰雪的融化，這將導(dǎo)致反照率降低（因?yàn)楸┞兜谋砻骖伾睿┖驮雠瘽摿ψ兇?。另一個(gè)方式是植被的減少，這在大多數(shù)情況下將引起反照率升高（因?yàn)槁懵兜牡孛姹戎脖桓芊瓷涔饩€），進(jìn)而導(dǎo)致降溫（當(dāng)然，這里面還包含了其他因素，比如繁茂的森林可以吸收CO2，這一過程對(duì)地球氣候的影響比反照率更重要，但僅從反照率的角度來看，森林的消失會(huì)引起氣溫下降）。在第三章中可以看到，大陸漂移使大陸進(jìn)入或離開熱帶地區(qū)，可以改變地球的整體反照率，這是因?yàn)殛懙胤凑章蚀笥诤Ｑ蠓凑章?，這種差異對(duì)氣候的影響在熱帶地區(qū)比在高緯度地區(qū)更顯著，而陸地的反照率比海洋更大，換言之，在太陽輻射最強(qiáng)烈的赤道附近，反照率更大。當(dāng)然，這種變化非常緩慢，因?yàn)榇箨懫频乃俣戎挥忻磕陰桌迕住?3圖1-6典型地球表面的不同反照率許多人類活動(dòng)也會(huì)引起反照率的變化，例如修建道路、停車場(chǎng)和建筑物，砍伐森林、種植作物，以及人為產(chǎn)生的煙霧使得冰雪被煤煙顆粒覆蓋，從而降低它們的反照率。34顆粒物每年我們向大氣中排放數(shù)百萬噸顆粒物，其中大部分是工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)動(dòng)車排放的煙霧。顆粒物可以阻擋入射的陽光，因而有降溫效果，但它也有變暖效應(yīng)，因?yàn)楦采w在冰雪上的顆粒物會(huì)降低反照率。還有許多不同的自然過程產(chǎn)生的大氣微粒，包括大風(fēng)帶來的灰塵、野火產(chǎn)生的煙霧、火山爆發(fā)后的火山灰和硫酸鹽氣溶膠。35反饋氣候反饋是指所有可以放大或減弱氣候強(qiáng)迫效應(yīng)的過程。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是雪的融化，當(dāng)溫度升高使積雪融化時(shí)，露出的下墊面（如裸露的地面或植被）使得該位置的反照率下降，從而吸收更多的太陽光，使局部溫度持續(xù)升高，引起更多積雪融化和吸收更多的太陽光……這就是一個(gè)正反饋的例子，它將持續(xù)反復(fù)加強(qiáng)，直到該地區(qū)的雪全部融化。當(dāng)大氣中的CO2濃度增加時(shí)，植物可以生長得更好，因此它們將吸收更多的CO2并略微降低大氣中的CO2含量，從而抑制最初的升溫效應(yīng)，這是一個(gè)負(fù)反饋過程。但如果大氣中CO2含量持續(xù)上升，氣候變暖到現(xiàn)有植被群落無法生存的程度，那么植物所消耗的CO2就會(huì)減少，這將是一個(gè)正反饋過程（大氣中CO2含量更劇烈地上升）。表1-1重要的氣候反饋機(jī)制36在氣候變冷的時(shí)期，上述大多數(shù)反饋的影響反過來也是成立的。例37如，氣候變冷將引起更多的冰雪積累，提高反照率，導(dǎo)致氣候進(jìn)一步變冷?；蛘?，隨著氣候變冷，海洋溶解更多的CO2，因此溫室效應(yīng)減弱，冷卻增強(qiáng)。令人擔(dān)憂的是，幾乎所有的氣候反饋都是正過程，因此，即使是輕微的增溫也會(huì)被放大為劇烈的變暖，反之亦然。事實(shí)上，若非如此，地球歷史上許多劇烈的氣候變化可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。例如，過去100萬年里可能不會(huì)發(fā)生多次冰期，或者過去100萬年里一直都是冰期，在這種情況下，現(xiàn)在的我們可能仍然處于冰期中！更加令人擔(dān)憂的是，正反饋過程存在失控的可能性，如第十章所述，正反饋可以導(dǎo)致氣候越過臨界點(diǎn)，進(jìn)入一個(gè)我們完全陌生且在人類時(shí)間尺度上難以恢復(fù)的狀態(tài)。那將是一個(gè)我們都不愿看到的結(jié)果！38地質(zhì)年代毫無疑問，地球是古老的，更大的問題是弄清楚它究竟有多“老”。45.7億年是如此漫長，比一個(gè)人的壽命，甚至比全人類的歷史都長得多，也許沒人能真正理解如此之長的時(shí)間意味著什么。地質(zhì)年代表將地球的歷史可視化，并將過去的事件放入統(tǒng)一的框架之中。圖1-7所示的地質(zhì)年代表展示了一些與地球歷史有關(guān)的重要事件，如最早的魚類、最早的陸棲動(dòng)物、恐龍的起源和滅絕，以及第一批人類。3940圖1-7地質(zhì)年代表及地球歷史中的一些重要事件注：數(shù)據(jù)來源修改自國際地層委員會(huì)（國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)），K.科恩(Cohen,K.)等人，2013。因?yàn)槲覀兌贾纼纱紊罩g相隔多久，所以我們可以從一年的角度來理解地質(zhì)年代。如果把地球的45.7億年壓縮成1年，那一年中的每小時(shí)相當(dāng)于地球50萬年的歷史，每一天相當(dāng)于1250萬年。借助這個(gè)類比關(guān)系，我們假設(shè)地球形成于1月1日。2月中旬（大約40億年前）演化出了生命，11月13日左右，蠕蟲、水母和珊瑚的祖先出現(xiàn)，在此之前的所有生命需借助顯微鏡才能看到。植物在11月24日左右遷移到陸地，兩棲動(dòng)物在12月3日登上陸地。12月的第一周，爬行動(dòng)物從兩棲動(dòng)物進(jìn)化而來，12月13日進(jìn)化出恐龍和早期哺乳動(dòng)物，但在節(jié)禮日（12月26日）之前，存活了1.6億年的恐龍就消失了。一天后出現(xiàn)靈長類動(dòng)物（12月27日），新年子夜前2分鐘，來自亞洲的人類第一次進(jìn)入西半球。時(shí)間是充裕的，這是一件好事，因?yàn)榱钗覀兏信d趣的許多進(jìn)程都非常緩慢。我們經(jīng)常用“冰川速度”來形容緩慢的進(jìn)程，但在地質(zhì)學(xué)家看來，冰川以每年幾米到幾十米的速度移動(dòng)，實(shí)際上非?？?！地球構(gòu)造板塊以每年幾厘米的速度移動(dòng)，而變成沉積巖的沉積物通常以每年不到1毫米的速度累積。通常晶體生長的速度更要慢得多，是每百萬年幾毫米。41為了更好地理解這一點(diǎn)，以歐洲和北美大陸所在的板塊為例，目前它們正以大約每年2厘米的速度分開，這個(gè)距離相當(dāng)于在本頁上“極其緩慢的”這幾個(gè)字的寬度。大西洋寬約4500千米，就是以這樣的速度形成的，花了大約2億年。我已經(jīng)厭倦了“百萬年”的表述，所以我們將開始使用一種快捷方式來表示地質(zhì)年代。地質(zhì)學(xué)家用縮寫Ma（兆年）和Ga（吉年）來表示幾百萬年前和數(shù)十億年前發(fā)生的事情，比如，地球起源于45.7億年前，或4570Ma（相當(dāng)于4.57Ga）。注意，我們不必說4570Ma“以前”，因?yàn)樵谶@些縮寫中已經(jīng)隱含了“以前”的意思。這有點(diǎn)像我們使用時(shí)間符號(hào)，比如“我9：30am有會(huì)議”。就像我們不會(huì)說“我的會(huì)議將持續(xù)2：00pm”一樣，我們也不會(huì)說“恐龍存在了149Ma”。你應(yīng)該說“我的會(huì)議持續(xù)了2小時(shí)”，“恐龍存在了1.49億年（因?yàn)樗鼈兇嬖谟?15Ma到66Ma之間）”。42關(guān)于氣候變化的爭(zhēng)論氣候變化懷疑論者大有人在，他們認(rèn)為氣候變化并未發(fā)生，或者（如果發(fā)生的話）并不是由人類活動(dòng)引起的。這些全面否認(rèn)人為活動(dòng)引起氣候變化的懷疑論者提出了若干論點(diǎn)來支持他們的觀點(diǎn)。一些機(jī)構(gòu)編制了此類論點(diǎn)的清單。下面僅列舉幾條和本書相關(guān)的觀點(diǎn)：（氣候變化）是太陽在起作用。氣候一直在變化。CO2水平太低了，不足以改變什么。氣候模式不正確或不可靠。氣候?qū)W家們還沒有達(dá)成共識(shí)。（氣候變化）和火山爆發(fā)有關(guān)。（氣候變化）是因?yàn)槊滋m科維奇旋回。氣候更暖也許是一件好事。我們正進(jìn)入另一個(gè)冰期，全球變暖可以防止冰期的出現(xiàn)。上述觀點(diǎn)中只有一條與本章所述內(nèi)容有關(guān)，值得關(guān)注：“CO2水平43太低了，不足以改變什么”。CO2只占大氣的0.04%（或415ppm），因此質(zhì)疑它對(duì)氣候變化有如此重大的影響貌似合乎情理。然而，以下證據(jù)可以證明它確實(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵作用：CO2分子可以吸收地球輻射光譜中的紅外部分，這導(dǎo)致了變暖。這種吸收得到了衛(wèi)星觀測(cè)的證實(shí)，并且正在發(fā)生，因?yàn)樵诳梢员籆O2吸收的特定波長上，來自地球的紅外輻射被損耗了。類似的觀測(cè)顯示這種CO2對(duì)紅外光譜的損耗現(xiàn)象在近幾十年間逐漸加強(qiáng)。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，CO2濃度的增加和氣候變暖密切相關(guān)，且測(cè)量到的CO2水平足以解釋觀測(cè)到的氣候變暖量。同時(shí)期發(fā)生的其他自然或人為變化不足以解釋觀測(cè)到的變暖。一些與CO2濃度增加有關(guān)的變暖是反饋的結(jié)果。例如，氣候變暖正在破壞地球溫帶的多年凍土，隨之釋放出CH4和更多的CO2。氣候變暖還導(dǎo)致陸地和海上冰雪的減少，我們所經(jīng)歷的氣候變暖可部分歸因于反照率的降低。圖1-8所示的貼在燈柱上的海報(bào)很好地總結(jié)了關(guān)于氣候變化的爭(zhēng)論，因?yàn)槊滋m科維奇旋回?zé)o法解釋過去一個(gè)世紀(jì)的變暖。我們將在第五章中介紹米蘭科維奇效應(yīng)，正如你將在那里看到的，在過去幾千年里，米蘭科維奇旋回驅(qū)動(dòng)氣候一直朝著緩慢冷卻的方向發(fā)展。我們也將在其44他章節(jié)討論上面列出的氣候變化懷疑論者的其他一些論點(diǎn)。圖1-8貼在溫哥華街道燈柱上的海報(bào)注：海報(bào)內(nèi)容為“米蘭科維奇旋回導(dǎo)致氣候變化”，有人在底部用小字補(bǔ)充“……需要幾千年，人類在幾十年就做到了”。艾薩克·厄爾攝于2020年11月。45第二章 緩慢升溫的太陽在你的一生中可曾見過有什么比太陽的旅程更加美妙每個(gè)傍晚輕松悠然地向地平線飄落隱匿于浮云山腳間或微波粼粼的海面然后離開每個(gè)清晨從黑暗里46再次悠然滑出像一朵鮮紅的花……瑪麗·奧利弗，《太陽》（節(jié)選）在地球上，生命生存需要三要素：清潔的水、新鮮的空氣、從太陽獲得的穩(wěn)定可靠的輻射能量。47太陽的演化從人類的生命長度和經(jīng)驗(yàn)來看，太陽毫無疑問是恒定可靠的。雖然太陽輻射存在一些周期為幾十年的微小變化，但這些變化小到需要借助儀器和費(fèi)力的觀測(cè)才能監(jiān)測(cè)到。然而，如果從更長的時(shí)間視角來考慮，例如幾十億年，太陽就不再是永恒的了，它正在緩慢地變熱。本章將講述這一變化及其對(duì)地球氣候的影響。根據(jù)過去幾個(gè)世紀(jì)的觀察，天文學(xué)家已拼湊出了像太陽這樣的恒星的生命周期，如圖2-1所示。太陽在46億年前開始形成，當(dāng)大量的氣體（主要是氫，但也有一小部分更重的元素）由于自身引力慢慢坍縮，最終氫原子變得足夠致密，開始聚合成氦原子（核聚變），從而發(fā)熱發(fā)光，一顆恒星由此誕生。圖2-1一顆和太陽類似的主序星的生命史周期注：修改自奧利弗·比特森(OliverBeatson)維基百科“太陽的生命周期”。請(qǐng)注意太陽的直徑不是按比例繪制的，到紅巨星階段，太陽的直徑可達(dá)當(dāng)前直徑的200倍，足以吞沒地球。48截至目前，這一過程已經(jīng)持續(xù)了45.7億年，現(xiàn)在處于一種大致穩(wěn)定的狀態(tài)。但正如前面所提到的，太陽一直在緩慢變熱，并將持續(xù)下去，這種強(qiáng)度的增加是太陽核心的氫不斷轉(zhuǎn)化為氦的結(jié)果。氦含量的增加使太陽核心區(qū)域密度增大，從而導(dǎo)致核心收縮。而不斷增加的重力壓力迫使氫原子靠得更近，從而加速了聚變的速度，使太陽變得更熱、更亮。太陽還會(huì)以這樣的方式變熱約40億年，直到它的內(nèi)核完全被氦占據(jù)，那時(shí)它將演化為一顆紅巨星并開始擴(kuò)張，逐漸吞沒水星、金星，甚至地球。到那時(shí)，氦會(huì)開始聚變成碳，太陽約一半的質(zhì)量將會(huì)在一次大爆炸之后消散于太空之中，其余部分將坍縮為一個(gè)白矮星。圖2-2顯示了太陽在90億年演化過程中的光度變化。到目前為止，太陽產(chǎn)生的能量在其46億年的歷史中增加了約33%。從地球氣候的角度來看，這是一個(gè)巨大的變化，但它發(fā)生在很長的時(shí)間里。未來太陽還會(huì)變得更熱，再過44億年，它的溫度將是最初的兩倍。先別著急！在有人開始認(rèn)為太陽變暖是當(dāng)前氣候變化的原因，或者認(rèn)為太陽變暖是我們擔(dān)憂遙遠(yuǎn)未來的原因之前，我們需要正確看待這個(gè)問題。目前太陽變暖的速度約為每10億年增加8%，也就是每百萬年0.008%或每世紀(jì)0.0000008%。在人類生命的時(shí)間尺度上，這是一個(gè)非常非常小的變暖量，在過去的一個(gè)世紀(jì)里，它都不足以引起人們的注意，甚至還差得很遠(yuǎn)。例如，太陽光度在1920年到2020年間的增加量只能使地球表面的溫度增加約0.0000016℃，其間，地球表面溫度實(shí)際上增加了1℃，很顯然氣候變暖不是太陽的演化造成的。49太陽的長期升溫與太陽黑子的短周期無關(guān)，我們將在第七章中討論這個(gè)主題。圖2-290億年里太陽光度的變化注：引自國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)研討會(huì)，《太陽和恒星的變化：對(duì)地球和行星的影響》論文集，I.理巴思(Ribas,I.)，2010年，264卷，3-18頁。50早期生命和大氣變化地球上最早的生命證據(jù)是在據(jù)今約40億年前的巖石中被發(fā)現(xiàn)的。40億年前，太陽的亮度約為當(dāng)前的80%，如果地球大氣和當(dāng)前類似，這意味著那時(shí)的地球是完全冰凍的，即沒有任何液態(tài)水存在。這可能會(huì)引起我們的好奇，這樣的環(huán)境下怎么可能演化出生命呢？即所謂的“黯淡太陽悖論”。實(shí)際上，40億年前的地球并沒有被冰封，因?yàn)橼す胖鏁r(shí)的大氣和現(xiàn)在完全不同，它更厚，和現(xiàn)在金星的大氣密度類似，且如圖2-3所示，大氣中富含CO2，當(dāng)時(shí)的CO2濃度在10%左右，和當(dāng)前0.04%(415ppm)的水平相比，足以在太陽相對(duì)黯淡時(shí)維持地球表面的溫暖。51圖2-3不同地質(zhì)時(shí)期地球大氣的演化注：引自E.尼斯比特(Nisbet,E.)，C.福勒(Fowler,C.)，《太古代和早元古代大氣的演化》，《科學(xué)通報(bào)》(ChineseScienceBulletin)，2011年，56卷，4-13頁；R.拉奇(Large,R.)等人，《元古代與顯生宙的大氣氧循環(huán)》，《礦床》(MineralDeposita)，2019年，54卷，485-506頁。在富含二氧化碳而沒有氧氣的大氣層之下（圖2-4），地球上的生命可能起源于溫暖的海洋，在靠近滾燙溫泉的海底火山附近，或起源于一個(gè)不斷在濕潤和干燥狀態(tài)反復(fù)的淺池里。無論在哪一種情況下，當(dāng)前大氣中的氧氣對(duì)那時(shí)的微生物來說都是致命的毒氣，就像現(xiàn)在氧氣對(duì)一些微生物依然致命一樣，這些微生物廣泛生活在陰暗潮濕的地方，例如我們身體內(nèi)外、房間或周遭沼澤等處。早期的很多生命形式是產(chǎn)甲烷菌，它們生產(chǎn)甲烷，因而隨著生命開始繁榮，大氣中的甲烷含量也在不斷增長，并作為一種強(qiáng)溫室氣體使氣候變暖。52圖2-4墨西哥附近東太平洋隆起的海底熱液噴口注：它看起來像一個(gè)冒著黑煙的煙囪。約300℃的炙熱液體從海底噴口流出，黑色是冰冷海水的快速冷卻作用下硫化物沉積的結(jié)果。沒有光可以抵達(dá)這一深度，噴口附近的所有生物最終都依賴于被火山活動(dòng)加熱的水的熱量及其中的化學(xué)物質(zhì)生存。1981年由美國地質(zhì)調(diào)查局的W.R.諾馬克(W.R.Normark)和D.福斯特(D.Foster)攝于北緯21°東太平洋隆起約2000米深處（南下加利福尼亞近海）。大約在35億年前，微生物已經(jīng)發(fā)展出了利用太陽作為能量來源的能53力。最早擁有這項(xiàng)技能的是細(xì)菌（可能是藍(lán)藻菌，又名藍(lán)綠藻），相較于當(dāng)時(shí)其他的生命形式，它們無須從火山溫泉或化學(xué)來源獲得能量，這使它們擁有了獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)：只要在太陽能照射到的地方，它們就可以生長。光合作用可以吸收二氧化碳釋放氧氣，但產(chǎn)生的游離態(tài)氧首先和鐵、甲烷、腐殖質(zhì)等反應(yīng)而被消耗掉了，因此大氣中的游離態(tài)氧(O2)含量在接下來的十億年里依然很低。游離態(tài)氧最初在約24億年前開始累積，起初的含量非常小。我們這些靠氧氣生存的人可能會(huì)認(rèn)為當(dāng)時(shí)的絕大多數(shù)生命會(huì)對(duì)這一變化喜聞樂見，但顯然，并沒有，因?yàn)樗鼈冞€沒有喜怒哀樂，更重要的是，它們?nèi)耘f依賴一個(gè)沒有氧氣的生存環(huán)境。我們稱這一轉(zhuǎn)折為“氧氣危機(jī)”，因?yàn)檫@導(dǎo)致了大量生命的滅絕。然而，對(duì)于像我們這樣的生命而言，這的確是一個(gè)開端，因?yàn)檠鯕馕C(jī)迫使存活下來的生命進(jìn)化出了帶有細(xì)胞核的細(xì)胞，即我們的祖先——真核生物。隨著產(chǎn)生越來越多的氧氣，并不斷與甲烷反應(yīng)，甲烷的濃度下降。由于甲烷是一種強(qiáng)溫室氣體，甲烷減少使氣候急劇變冷，這引發(fā)了從約23億年前開始的大規(guī)模的冰期，即休倫冰期。隨后是一段非常溫暖的時(shí)期，之后氣候趨于穩(wěn)定，在接下來的16億年里，地球上沒有冰期存在的證據(jù)。更多相關(guān)內(nèi)容見第三章?？偠灾?，在地球歷史的最初幾十億年里，盡管太陽溫度較低，但地球氣候是相對(duì)溫暖的，這是因?yàn)闇厥覛怏w含量比現(xiàn)在高很多。但這里仍有一個(gè)問題，生命在液態(tài)水中演化了40億年，這些水恰好沒有徹底冰凍，也沒有沸騰后進(jìn)入太空，地球如何在其整個(gè)歷史進(jìn)程中保持一個(gè)合54理的溫度，這個(gè)溫度足夠溫和（雖然也存在一些類似于休倫冰期的起伏），使一些水保持液態(tài)？換言之，隨著太陽變得越來越熱，地球大氣發(fā)生了什么變化，以維持40億年間的“宜居氣候”？55蓋亞假說和地球氣候雖然我們還不能完全理解為什么地球在這么長時(shí)間內(nèi)都是適合居住的，但一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制是大氣的演變，而其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是光合作用。陸地和海洋中各種大大小小的光合作用生物從大氣中吸收二氧化碳并釋放氧氣，再將碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，并將其?chǔ)存在地殼的巖石中。另一個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程也有類似的結(jié)果，就是將碳從二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物，這也是大多數(shù)有殼生物制造外殼的過程。隨著時(shí)間的推移，雖然太陽慢慢變暖，但這兩個(gè)過程減弱了溫室效應(yīng)，足以防止地球變得太熱。生命將地球氣候控制在適宜自己生存的狀態(tài)，這是蓋亞假說的基本思想，該假說由詹姆斯·洛夫洛克(JamesLovelock)于1972年首次提出，并在1974年由洛夫洛克和林恩·馬古利斯(LynnMargulis)進(jìn)一步拓展。根據(jù)他們的理論，地球和居住其上的生物形成了一種自我調(diào)節(jié)機(jī)制，不僅確保當(dāng)前狀態(tài)適宜生命存在，而且當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)的主要能量來源（太陽）的強(qiáng)度發(fā)生緩慢變化時(shí)，依舊可以通過自我調(diào)節(jié)達(dá)到這一適宜狀態(tài)。這種自我調(diào)節(jié)是通過一系列生物過程和氣候反饋實(shí)現(xiàn)的（氣候反饋已在第一章討論過）。以下是有關(guān)該機(jī)制運(yùn)作的一個(gè)例子。想象在溫暖的氣候中，海洋中生活著大量的細(xì)菌，大部分是“老式”的細(xì)菌，也有一些是新進(jìn)化的細(xì)菌——光合細(xì)菌。光合細(xì)菌可以利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。我們假設(shè)后者適宜在稍微涼爽的環(huán)境中生長，而前者則喜歡溫暖的環(huán)境。56隨著時(shí)間的推移（很長時(shí)間），光合細(xì)菌逐漸消耗了大量的二氧化碳，氣溫略有下降，這對(duì)它們當(dāng)然有好處——可以茁壯成長，而“老式”的細(xì)菌則在顫抖和抱怨中死亡。隨著光合細(xì)菌的數(shù)量繼續(xù)增加，氣候變得更冷了，它們因此更加茁壯成長，又過了很久，它們開始主宰細(xì)菌種群，使氣候繼續(xù)變冷。但它們?nèi)绻^于成功，為了自身的利益導(dǎo)致氣候變得太冷，它們自己就將無法繼續(xù)大量繁殖，氣候會(huì)因此停止變冷。洛夫洛克的蓋亞假說在早期并沒有被科學(xué)界接受，實(shí)際情況甚至比這更糟：幾乎完全被忽視。其中一個(gè)問題是“蓋亞”（希臘神話中的大地女神）一詞的使用，以及洛夫洛克聲稱她是有生命的。1979年，他寫道：“如果蓋亞確實(shí)存在，那么我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己和其他所有生物一起，都是一個(gè)龐大生命的一部分和伙伴，這個(gè)生命整體上有能力維持我們的星球，使其成為適合生命的舒適棲息地?！边@種說法讓大多數(shù)科學(xué)家感到不適。另一個(gè)更加令人擔(dān)憂的問題是，這意味著當(dāng)今的生物能夠自動(dòng)構(gòu)思出一個(gè)使氣候宜居的計(jì)劃，并開始付諸行動(dòng)。生命的某種“目的”根本不是洛夫洛克理論的真正內(nèi)涵，但對(duì)許多人來說，其關(guān)于蓋亞的早期論著并沒能清楚地說明這一點(diǎn)。更重要的問題是，蓋亞不是一個(gè)真正的科學(xué)理論，因?yàn)樗鼰o法被驗(yàn)證。此外，當(dāng)時(shí)許多研究古氣候的科學(xué)家認(rèn)為氣候完全是由物理和化學(xué)過程控制的。1983年，洛夫洛克和安德魯·沃森(AndrewWatson)搭建了一個(gè)名為“雛菊世界”的模型來驗(yàn)證蓋亞假說。這個(gè)假設(shè)的世界是一顆僅由兩種雛菊（白色雛菊和黑色雛菊）構(gòu)成的類地行星，像地球一樣繞著變暖的恒星旋轉(zhuǎn)。白色雛菊可以反射太陽光，所以整體而言對(duì)行星有降57溫效應(yīng)，而黑色雛菊吸收太陽光，對(duì)行星有增溫效應(yīng)。這顆行星的裸露地表的反照率介于白色和黑色雛菊之間。在這個(gè)模型里，雛菊可以在5～40℃之間存活，最佳生長溫度為22.5℃。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在行星歷史的早期，恒星溫度還比較低，“雛菊世界”太寒冷了，以致雛菊根本無法存活。當(dāng)行星的表面溫度逐漸上升至5℃時(shí)，雛菊開始生長，黑色雛菊的長勢(shì)更好，因?yàn)樗鼈兛梢晕仗柟獠⒓訜峋值丨h(huán)境，而白色雛菊因?yàn)閷?duì)環(huán)境的冷卻效應(yīng)而長勢(shì)不佳（圖2-5）。在這一階段，黑色雛菊統(tǒng)治了世界。隨著恒星逐漸升溫，環(huán)境已經(jīng)無須再次加熱，白色雛菊開始在競(jìng)爭(zhēng)中占上風(fēng)，并占據(jù)統(tǒng)治地位。最終，恒星變得太熱了，連白色雛菊也不能反射過多的光，當(dāng)行星溫度超過40℃，所有雛菊都走向了死亡。圖2-6展示了“雛菊世界”的溫度變化歷史。當(dāng)溫度達(dá)到5℃，雛菊開始生長，且黑色雛菊很快占據(jù)主導(dǎo)位置。在幾百萬年的時(shí)間里，雛菊將溫度穩(wěn)定在22.5℃的理想狀態(tài)。從那時(shí)起，白色和黑色雛菊的組合使行星溫度接近理想狀態(tài)，但最終當(dāng)恒星變得太熱，即使100%的白色雛菊也無法調(diào)節(jié)溫度，情況就不妙了。58圖2-5“雛菊世界”中黑色和白色雛菊所占表面積的比例與光度的函數(shù)（相對(duì)于當(dāng)前1.0光度）注：引自A.沃森(Watson,A.)和J.洛夫洛克(Lovelock,J.)，《全球環(huán)境的生物平衡》，1983年。59圖2-6“雛菊世界”年平均溫度隨光度的變化注：點(diǎn)畫線表示行星溫度隨恒星光度增長而增長的過程。引自A.沃森(Watson,A.)和J.洛夫洛克(Lovelock,J.)，《全球環(huán)境的生物平衡》，1983年。雖然“雛菊世界”是一個(gè)高度簡(jiǎn)化的氣候演化模型，但它表明生物對(duì)氣候的控制是可能的，而且不需要有目的或有組織地實(shí)現(xiàn)。在過去的幾十年里，蓋亞假說逐漸被人們所接受，現(xiàn)在這個(gè)理論已經(jīng)被廣泛認(rèn)同，并被視作大氣演化和地球45.7億年里氣候保持（相對(duì)）穩(wěn)定的可行解釋。如果沒有生命的調(diào)節(jié)，現(xiàn)在地球的表面溫度幾乎不可能與40億年前相同。60碳的儲(chǔ)存大多數(shù)情況下，生物控制地球氣候以抵消太陽變暖的作用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)——不是通過黑色和白色雛菊，而是通過改變大氣氣體的比例，或者更具體地說，是通過降低溫室氣體的濃度。這意味著，大氣中曾以二氧化碳和甲烷的形式存在數(shù)萬億噸碳，這些碳大部分最終以石灰?guī)r等形式緩慢、有條不紊、安全地儲(chǔ)存在地殼中（圖2-7），或以碳?xì)浠衔锓肿拥男问絻?chǔ)存在煤、石油和天然氣中。圖2-7后衛(wèi)山（左）主要由石灰?guī)r構(gòu)成，就像加拿大的落基山脈一樣。伯利茲露出地面的石灰?guī)r層（右），顯示出巖石的外殼成分石灰?guī)r是由多種海洋生物形成的，包括珊瑚、雙殼類、腹足類、頭足類、海綿類、節(jié)肢動(dòng)物和藻類。成為化石燃料的有機(jī)物主要來自微生物、綠藻、紅藻，后來又來自原始和進(jìn)化后的高等陸生植物。61碳在巖石中的儲(chǔ)存已經(jīng)進(jìn)行了很長時(shí)間。最古老的石灰?guī)r形成于35億年前，也存在至少可以追溯到30億年前的富含碳的黑色頁巖。盡管大多數(shù)化石燃料礦床的形成不早于2.5億年前，但有些化石燃料礦床的年齡要比2.5億年長得多，甚至可追溯至寒武紀(jì)（5.4億年以上）之前。也就是說，大多數(shù)真正古老的巖石在地殼里都埋得足夠深，它們含有的所有碳在高溫下都轉(zhuǎn)化成了石墨。儲(chǔ)存在石灰?guī)r和化石燃料中的碳是“安全”的，因?yàn)檫@些巖石大多數(shù)都“安全”地位于地下。每年僅有極少部分的巖石被自然侵蝕，并向大氣釋放碳，而與此同時(shí)又有數(shù)量相當(dāng)?shù)奶急粌?chǔ)存，主要在海底。但問題來了，人類正通過開采并燃燒化石燃料、用石灰?guī)r生產(chǎn)水泥等方式干預(yù)這一自然過程，釋放出大量的碳。我們每年都使用大量的化石燃料（包括煤、石油和天然氣），總量相當(dāng)于800億桶石油，這大致相當(dāng)于1.15億節(jié)鐵路油罐車，或者一列長得足以環(huán)繞地球17圈的油罐列車！平均到每一天，相當(dāng)于319700節(jié)油罐車，足以從多倫多延伸到達(dá)拉斯，或從巴黎延伸到基輔。這是一列2000千米長的列車！煤、石油和天然氣中幾乎所有的碳最終都以二氧化碳的形式進(jìn)入大氣：每天大約有1億噸。這是那些數(shù)千萬年前，甚至數(shù)億年前從大氣中消失，并儲(chǔ)存在巖石中的碳，它們抵消了太陽變暖的影響。我們把碳挖出來或抽出來，再以二氧化碳的形式放回大氣中，嚴(yán)重地?fù)p害了地球調(diào)節(jié)溫度的能力，特別是現(xiàn)在的太陽溫度已經(jīng)要比這些碳最初被儲(chǔ)存時(shí)高得多。62未來的太陽變暖遙遠(yuǎn)的未來呢？在接下來的幾十億年里，隨著太陽持續(xù)變暖，大氣必須向更弱的溫室效應(yīng)演化。若非如此，屆時(shí)地球上的任何生物都將難以生存。但這不是我們需要擔(dān)心的事情，因?yàn)樘柕纳郎剡^程非常緩慢。未來100萬年，太陽升溫引起地球潛在的溫度變化約為0.016℃（如果其他一切因素保持不變）。如果到那時(shí)人類還沒有被這個(gè)星球淘汰，他們應(yīng)該能夠應(yīng)付這件事。但我們?nèi)绻粤硪环N時(shí)間尺度來看，事情就會(huì)變得更加困難。對(duì)未來15億年的氣候模擬結(jié)果顯示，那時(shí)的地球仍可以支持生命的存在（因?yàn)橐琅f有液態(tài)水），但人唯一可以生存的地方只剩下南極。不過，這一未來實(shí)在太過遙遠(yuǎn)，我們甚至無法推測(cè)那時(shí)地球上的生命是什么樣子。在那之后的某個(gè)時(shí)刻，地球會(huì)變得非常熱，以至水會(huì)被蒸發(fā)到太空中，到那時(shí)，它將真正不適合已知的生命居住。63第三章 板塊漂移與大陸碰撞“我第一次有大陸漂移的想法是在1910年，當(dāng)時(shí)我正在看世界地圖，發(fā)現(xiàn)大西洋兩側(cè)的海岸線有點(diǎn)吻合。起初，我并沒往大陸漂移方面想，因?yàn)槲矣X得這是不可能的。到了1911年的秋天，我在一份分析報(bào)告中偶然了解到古生物學(xué)相關(guān)的證據(jù)，表明在巴西和非洲之間曾經(jīng)存在一座陸橋，那是我第一次聽說這件事。后來，我粗略地查閱了地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)相關(guān)的研究，調(diào)研結(jié)果給我提供了重要的佐證，使我確信大陸漂移設(shè)想的合理性。從此，這一想法即在我腦海里扎根?！薄柛ダ椎隆の焊窦{，1929年1915年，德國氣象學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納第一次提出大陸漂移的概念，1930年，魏格納在格陵蘭島中部從事科學(xué)工作時(shí)逝世。但直到1965年左右，都很少有地球科學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威專家對(duì)他的這一觀點(diǎn)給予重視。這種漠視，一方面源于權(quán)威專家們的固執(zhí)和排外，另一方面也是因?yàn)槲焊窦{提出的理論太過超前。當(dāng)時(shí)人們對(duì)地球的了解并不充分，導(dǎo)致包括魏格納在內(nèi)的所有人都無法想象大陸是如何移動(dòng)的。1915—1965年，隨著人們對(duì)地球內(nèi)部過程了解的加深，這種情況才逐漸改變。其間有以下重要發(fā)現(xiàn)：放射性衰變?cè)丛床粩嗟禺a(chǎn)熱，導(dǎo)致在地球深處累積了大量的熱能。64●熱量由地核傳遞到地幔，使得地幔中堅(jiān)硬的塑性巖石產(chǎn)生緩慢的地幔對(duì)流?！竦蒯?duì)流是地球板塊上部剛性層（厚約100千米）以及大陸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為，地球板塊正以每年數(shù)厘米的速度在地球表面移動(dòng)。在板塊交界處，有的地方有新洋殼生成，而有的地方則有舊洋殼消亡，這些過程是多數(shù)地震和火山爆發(fā)的始作俑者，也主導(dǎo)了幾乎所有山脈和海盆的形成。這些過程在過去至少10億多年中一直在發(fā)生，在地質(zhì)時(shí)期的大部分時(shí)間也可能都在發(fā)生。板塊構(gòu)造對(duì)地球氣候有著重要影響。隨著地質(zhì)年代的推移，與板塊相關(guān)的過程引發(fā)了一些氣候劇變，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。這些氣候變化的主要原因如下：●陸地的反照率大于海洋，而且這一差異在低緯度地區(qū)的影響更大，因此大陸的運(yùn)動(dòng)可以通過影響地球反照率來影響氣候。●火山活動(dòng)是板塊運(yùn)動(dòng)過程的產(chǎn)物，會(huì)導(dǎo)致地球氣候在短期內(nèi)降溫，以及在長時(shí)間尺度上升溫（見第四章）?！癜鍓K構(gòu)造過程形成山脈，與平原相比，山脈更容易遭受侵蝕，侵蝕中的巖石風(fēng)化作用消耗大氣中的二氧化碳，使得大氣降溫（詳見下文）?！窈Ｅ柚貥?gòu)會(huì)導(dǎo)致洋流改變，進(jìn)而對(duì)地球氣候產(chǎn)生重大影響。65行星反照率與大陸漂移正如第一章與第二章中討論過的，陸地的反照率比開闊的水面更大，其中一些地表類型比其他類型的反照率更大。例如，冰雪覆蓋的表面反照率為70%～90%，沒有植被的裸露地表反照率為15%～40%，如果地表變濕，反照率要減小一點(diǎn)。而大部分有植被覆蓋的地表反照率僅為10%～20%，當(dāng)太陽高度角比較高時(shí)，開闊的洋面和湖面反照率僅為3%左右。緯度是影響反照率的關(guān)鍵因素。低緯度（赤道）地區(qū)地表差異導(dǎo)致的反照率差異更明顯，因?yàn)樵诘途暥鹊貐^(qū)，全年的太陽輻射強(qiáng)度都很大。而在高緯度地區(qū)，由于太陽一直都比較靠近地平線，因此即使在夏季，太陽輻射強(qiáng)度也不算太高。目前，占地球表面29%的陸地幾乎是沿緯度均勻分布，大約有33%分布在赤道地區(qū)（南北緯30°以內(nèi)），還有38%分布在溫帶地區(qū)（南北緯30°～60°之間），以及29%分布在極地地區(qū)（南北緯60°～90°之間）。距今約7.2億年前，大陸的分布與現(xiàn)在完全不同（圖3-1）。當(dāng)時(shí)，大部分的陸地是羅迪尼亞古陸的一部分，有50%在赤道地區(qū)，40%在溫帶地區(qū)，只有10%在極地地區(qū)。赤道地區(qū)對(duì)輻射強(qiáng)度較為敏感，由于陸地的反照率大于海洋的反照率（當(dāng)時(shí)地表沒有植物，因此地表反照率比現(xiàn)在還要大），而且在低緯度地區(qū)巖石的風(fēng)化作用更強(qiáng)，因此這么高比例的陸地分布在赤道地區(qū)會(huì)造成冷卻效應(yīng)（詳見本章后文）。超級(jí)大陸集中分布在赤道地區(qū)，造成較高的反照率，是導(dǎo)致第一次成冰紀(jì)形66成“冰雪地球”的重要原因。盡管我們不知道早期大陸的具體位置，但目前并沒有證據(jù)表明在成冰紀(jì)之前的20億年及成冰紀(jì)之后，有過大陸在赤道聚集的現(xiàn)象。圖3-1距今約7.2億年前羅迪尼亞古陸可能的緯度分布注：引自P.霍夫曼(Hoffman,P.)等人，《雪球地球氣候動(dòng)力學(xué)與冷原地質(zhì)—地球生物學(xué)》，《科學(xué)進(jìn)展》第3卷，1—43頁，2017。Http://。在第二章已經(jīng)提過，休倫冰期是地球上第一次大冰期，出現(xiàn)在約23億年前。此后16億年里地球上都沒有出現(xiàn)冰期。直到7.2億年前，地球67經(jīng)歷了有史以來強(qiáng)度最大、范圍最廣的冰河時(shí)期。當(dāng)時(shí)，羅迪尼亞超級(jí)大陸位于赤道地區(qū)，其反照率效應(yīng)引起大氣產(chǎn)生小幅度降溫（據(jù)估計(jì)約為3℃），這可能進(jìn)一步導(dǎo)致了高海拔和高緯度地區(qū)冰雪不斷地堆積。此外，降溫也有利于海水溶解更多的CO2，從而使CO2被海洋大量吸收。這些正反饋?zhàn)饔檬沟么髿饨禍馗鼊×?，沒過多久，地表就幾乎全部被冰覆蓋了。以上便是著名的斯圖爾特冰期，這次冰期大約持續(xù)了6000萬年。在這段時(shí)間里，地球年平均溫度約為-40℃，海洋上覆蓋的冰層厚度在200米以上（包括赤道在內(nèi)）。由于地球表面幾乎沒有液態(tài)水，水循環(huán)基本停滯。對(duì)于陸地冰川來說，一方面缺乏降雪補(bǔ)充，另一方面冰川又不斷地因升華過程而損耗，于是一些巖石便裸露出來。與《權(quán)力的游戲》(GameofThrones)中長達(dá)千年的“凜冬”相比，6000萬年已經(jīng)堪稱超級(jí)長的“凜冬”，但是考慮到明亮的冰面可以反射大部分入射太陽光，這場(chǎng)冬季也許能持續(xù)更長時(shí)間（如數(shù)十億年）。萬幸的是，在那段時(shí)間，地球內(nèi)部的熱機(jī)仍在運(yùn)作。火山持續(xù)地噴發(fā)，將CO2等氣體帶入大氣層。當(dāng)時(shí)沒有開闊水域，風(fēng)化作用也因低溫而減慢（詳見下文），因此火山噴發(fā)的CO2幾乎全部留在了大氣層，CO2濃度逐漸增至13%左右（大約是當(dāng)前二氧化碳濃度的325倍）。溫室效應(yīng)漸漸增強(qiáng)，直至超強(qiáng)的溫室效應(yīng)抵消了明亮冰面的冷卻效應(yīng)，冰川才開始融化。隨著一些陸地冰川的消退和融化，地表反照率降低，CO2和CH4等溫室氣體從凍土中被釋放到大氣層，這些正反饋開始引發(fā)全球變暖。最終，海冰開始融化直至基本消失，這一過程持續(xù)了幾千年。68反照率較強(qiáng)的冰雪快速地被反照率弱的開闊水面所替代，在接下來的幾千年甚至幾萬年里，大氣中的CO2濃度至少為數(shù)個(gè)百分點(diǎn)（幾萬ppm），強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)使得地球氣候處于“熱室地球”狀態(tài)。69大陸碰撞與造山運(yùn)動(dòng)根據(jù)板塊構(gòu)造學(xué)說，板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)分為三種：(1)彼此遠(yuǎn)離（離散型）；(2)相互靠近（匯聚型）；(3)彼此交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)換型）。在大多數(shù)匯聚型板塊邊界，洋殼會(huì)向陸殼或另一洋殼下俯沖（由于構(gòu)成海底的巖石較重，洋殼比陸殼密度大，所以只有洋殼可以俯沖，陸殼不能俯沖）。陸殼向下俯沖的過程，有點(diǎn)像將一個(gè)充氣的玩具按壓入湖水或游泳池中。許多大洋板塊中也包含了一些陸殼（如島嶼或大陸），作為一個(gè)整體一起移動(dòng)。大約1億年前，攜帶著印度大陸的板塊開始與南極板塊分離，并向北移向亞洲大陸（圖3-2）。由于大陸板塊受到侵蝕，在大陸板塊周圍的海底聚集著大量沉積物和沉積巖。距今5500萬—4500萬年間，印度板塊的大陸部分與亞洲大陸相接，前者沒有向下俯沖，印度板塊北部（構(gòu)成現(xiàn)在印度北部與南亞）與兩個(gè)大陸板塊之間的沉積巖受到擠壓、折疊、斷裂和抬升，形成了目前地球上海拔最高、延伸范圍最廣的山脈——喜馬拉雅山脈（圖3-3）。這一抬升過程持續(xù)了幾千萬年。實(shí)際上，印度—澳大利亞板塊仍在向北移動(dòng)，且仍在抬升喜馬拉雅山脈，世界最高峰——珠穆朗瑪峰也正以每年幾厘米的速度升高。因此，如果你畢生的夢(mèng)想就是攀登珠穆朗瑪峰，最好還是早點(diǎn)行動(dòng)。70圖3-2大約6000萬年前，大洋板塊攜帶著印度大陸向北俯沖向亞洲大陸71圖3-3大約從5000萬年前開始，印度大陸與亞洲大陸相撞形成了喜馬拉雅山脈喜馬拉雅山脈形成的地質(zhì)時(shí)期很近，但它并不是這一時(shí)期形成的唯一重要的山脈。除此之外，還有扎格羅斯山脈，鄰近伊朗、伊拉克和土耳其的山脈，以及位于歐洲的阿爾卑斯山脈。這些山脈大多形成于距今6500萬—4000萬年前，均是大陸碰撞的產(chǎn)物。山區(qū)的侵蝕速度比平原地區(qū)快很多（圖3-4）。喜馬拉雅山脈綿延2400千米，從緬甸到巴基斯坦，再向北延伸至中國南部，其侵蝕速度比地球上任何區(qū)域都要快，而且已經(jīng)持續(xù)了近5000萬年。與侵蝕有關(guān)的過程之一是巖石的化學(xué)風(fēng)化作用。這一作用有多種形式，其中硅酸鹽礦物的水解引人關(guān)注，當(dāng)長石等硅酸鹽礦物水解時(shí)會(huì)形成黏土礦物，并由此消耗大氣中的CO2。72圖3-4尼泊爾喜馬拉雅安納普爾納地區(qū)地形崎嶇，這里的低坡上堆積著厚厚的松散的巖石，表明此地有明顯的快速侵蝕過程（艾薩克·厄爾攝）圖3-5展示了新生代造山運(yùn)動(dòng)與全球氣溫之間的關(guān)系。在中生代(261Ma—66Ma)，氣溫一直很高，并持續(xù)到了新生代早期。但從大約5000萬年前起，氣候開始變冷，全球氣溫累計(jì)下降了約14℃。這種長73期的氣溫下降與大氣中CO2濃度的變化密切相關(guān)，溫度與CO2濃度的變化大多可歸因于喜馬拉雅等山脈風(fēng)化作用的增強(qiáng)。簡(jiǎn)言之，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可引發(fā)全球氣候變化。圖3-5過去6600萬年的全球溫度（左側(cè)刻度）和大氣CO2濃度（右側(cè)刻度）的時(shí)間序列，以及山脈形成、洋流變化和冰期演化的時(shí)間標(biāo)注注：引自詹姆斯·漢森(JamesHansen)等人的研究資料，由魯特·勞特利奇(RootRoutledge)編撰。詳見/Climate/DeepTime.html。74板塊構(gòu)造與洋流變化板塊構(gòu)造也能以一些其他的方式影響氣候變化。例如，板塊的移動(dòng)可以改變海盆特征，進(jìn)而影響洋流和氣候。大約4000萬年前，南美洲南部與南極洲之間水流較淺，因此可以說是連在一起的。在距今4100萬—3400萬年前，二者之間的德雷克海峽因板塊運(yùn)動(dòng)變得更寬、更深，也是從那時(shí)起，強(qiáng)勁的南極繞極流開始由西向東繞南極流動(dòng)（圖3-6）。75圖3-6南極繞極流的大致路徑這一洋流將南極洲與南太平洋、大西洋和印度洋等相對(duì)較暖的洋流隔絕開來，使南極洲無法接觸到溫暖的海水，從而在其南部形成冰蓋，76并由大概3500萬年前延續(xù)至今（冰期在25Ma—15Ma之間可能有中斷）（圖3-5）。在大約1億—1000萬年前，南、北美洲之間被寬達(dá)數(shù)百千米的水道隔離，太平洋與大西洋之間的海水可以自由流通。但當(dāng)時(shí)洋殼在今天的中美洲底部俯沖，方式與圖3-2中印度大陸與亞洲大陸之間相似，該過程導(dǎo)致在俯沖板塊上形成巖漿（不是因?yàn)楦_板塊被融化，而是因?yàn)樗尫诺乃c上面炎熱的地幔巖石相混合，導(dǎo)致巖石融化，這在火山學(xué)中被稱作滲濾熔融。這造成了數(shù)百萬年的火山活動(dòng)，并在如今的中美洲形成了一系列火山島嶼（圖3-7）。最終，大約1000萬年前，這些火山島嶼合并成地峽，為陸地動(dòng)物在南、北美洲之間通行開辟了道路，卻封鎖了中美洲的海路。77圖3-7巴拿馬地峽發(fā)展的初始階段示意圖注：大約1500萬年前，納斯卡板塊在南、北美洲下方俯沖（沿鋸齒狀線條），與此同時(shí)，加勒比板塊從不同的方向在巴拿馬下方俯沖。白色三角表示火山的可能位置。虛線表示地峽下一步可能的構(gòu)造。引自S.利昂(León,S.)等人，《從碰撞到俯沖的過渡狀態(tài)——以新三紀(jì)巴拿馬—納斯卡—南美洲的相互作用為例研究》，《構(gòu)造學(xué)》，第37卷，119—139頁，2018。78這種變化使墨西哥灣流（以及整個(gè)大西洋環(huán)流系統(tǒng)）更加強(qiáng)勁，暖水向北流動(dòng)給北大西洋帶來了更多的熱量和水汽。諷刺的是，額外的熱量和水汽使冰島、格陵蘭島、北美北部和北歐降雪量增加，反照率升高，最終引發(fā)了更新世冰期。自250萬年前以來，北半球多次進(jìn)入冰期，其周期具有明顯的規(guī)律性。第六章將對(duì)冰期周期性出現(xiàn)的原因進(jìn)行討論。79小結(jié)在第二章中討論了歷史上的太陽演化過程（目前仍在演化），其時(shí)間尺度為數(shù)十億年。相比較而言，與板塊構(gòu)造相關(guān)的各種氣候變化過程的速度更快——時(shí)間尺度為數(shù)億年、數(shù)千萬年以及數(shù)百萬年。在數(shù)億年的時(shí)間尺度上，羅迪尼亞超級(jí)大陸形成并向赤道地區(qū)移動(dòng)，導(dǎo)致地球氣候變冷。喜馬拉雅山脈的形成經(jīng)歷了數(shù)千萬年，伴隨的持續(xù)侵蝕作用使地球大幅度冷卻。在過去的數(shù)百萬到數(shù)千萬年時(shí)間里，南極繞極流的形成和巴拿馬地峽的變化，使南極洲和北半球先后進(jìn)入冰期。這些板塊構(gòu)造過程對(duì)氣候的直接影響是不易察覺的，而且這些過程本身并不足以引起成冰紀(jì)及新生代冰期這樣劇烈的氣候變化。在以上所有案例中，板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的溫和變化被各種正反饋機(jī)制放大，最終導(dǎo)致全球平均溫度少則幾攝氏度多則幾十?dāng)z氏度的變化。目前人類活動(dòng)已經(jīng)造成超過1℃的增溫，當(dāng)你看到這一數(shù)字時(shí)，請(qǐng)知悉，這只是開胃小菜，后續(xù)氣候反饋所帶來的影響才是重頭戲。80第四章火山噴發(fā)導(dǎo)致的降溫與增暖我該如何形容那年的果實(shí)呢？那一年天氣極為異常，甚至連一絲溫暖的陽光都無法抵達(dá)地面。果實(shí)幾乎都無法成熟，當(dāng)然了，前提是有“果實(shí)”可言。夏季陰云密布，鋪滿整個(gè)天空。身處其中時(shí)，人們常常有置身秋季的錯(cuò)覺。厚厚的云層阻擋著暖陽，草料曬不到太陽，被大雨反復(fù)澆濕，一直干不了?！Ｋ沟睦飶佤斔?Richerus)，1267年里徹魯斯是一名本篤會(huì)修道士，上文他描述的可怕情形源于他的親身經(jīng)歷。那是1258年的夏天，他生活在巴黎東南部一個(gè)叫作桑斯的村莊里。那一年，除了巴黎，歐洲各地也都記錄了這種混亂氣候。盡管世界上