地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第7节
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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�
