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布鲁卡的脑——对科学传奇的反思 作者: 卡尔·萨根 第十四章 行星上的气候 造成地球气候捉摸不定变化的原因，是否就是那寂静肃默的高度？ 罗伯待·格拉维斯（Robert Graves）《相会》 人们认为，在三千万年到一千万年前，地球上的温度恰好以摄氏几度的速率缓慢下降，但许多植物和动物都具有自己的生命周期，以灵敏地适应这种温度的变化，而巨大的森林则向着低纬度的更热地带退缩。森林的这种退缩缓慢地改变了那些仅有几磅重的小皮毛双目生物的习性，这些小生物原来都栖息在森林里，用它们的臂膀从这一树枝攀缘到另一树枝上。随着森林的消失，只有那些在大草原上能够生存的毛皮生物才幸存下来。几千万年以后，这些生物留下两类后裔：一类包括狒狒，而另一类便叫做人类。我们之所以能生存下来，是由于气候变化平均只有几度的缘故。这些变化使一些物种生存下来而另一些物种归于消亡。我们这个行星上生命的特征，受到这些改变的强烈影响，而且事情变得日益清楚，气候的变化直到今天还在继续着。 有许多方法可以指明，过去气候是变化的。有些方法可以探索遥远的过去，而另一些方法则只具有有限的适用性。方法的可靠性也不相同。有一种方法，可以有效地追溯到几百万年以前，它是基于在有孔虫类化石壳体的碳酸盐中同位素氧18与氧16的比率。这些壳体，属于跟我们今天所能研究的物种非常相似的物种。氧16与氧18之比按这些物种在其中生长的水的温度而变化。与氧同位素法多少类似的方法是建立在同位素硫34与硫32之比基础上的方法。还有另外一些更直接的化石指示法；例如，珊瑚、无花果树和棕榈树的广泛存在，则指示出是高温，而数目众多的大型皮毛兽，诸如猛犸之类的遗骸，则指示出是低温。地质记载提供了冰河存在的广泛证据——巨大的能移动的冰层，留下了巨大的鹅卵石和冲蚀的痕迹。另有明显的地质证据表明，有许多蒸发河床——即盐水已被蒸发而留下盐的地区。这种蒸发只有在温暖的气候下才会发生。 当这一系列气候信息汇综起来，一个温度变化的复杂模式就显现出来了。例如，地球的平均温度始终没有一个时候处于水的冰点以下，而且甚至也没有一个时候温度接近于水的正常沸点。但几度的变化则是常有的，甚至二三十度的变化至少局部地发生过。摄氏几度的波动，在几万年特征时间发生过多次，冰期和间冰期新近更替就具有这一特征时间和温度幅度。但也有更长周期的气候波动，最长的周期达几亿年数量级。温暖期似乎存在于约六亿五千万年前和二亿七千万年前。依照过去气候被动的标准，我们现在处于冰期中。就地球大部分历史而论，并没有象今天的南极和北极那样的“永久的”冰封期。过去的几百年，我们部分出现了冰期时代，由于迄今未明的原因，造成了较小的气候变化；如果从无限追溯地质时代的观点来看，我们又可能退回而陷入到全球性寒冷的时代，成了我们这个时期的特征。二百万年前，芝加哥市所在地还被埋在一英里厚的冰层之下，这决不是夸大其事。 地球温度是由什么决定的呢？从太空的角度看，地球是一个旋转着的蓝色球，伴有变化多端的片片云层，红棕色的沙漠和光亮白色的极冠。加热地球的能量，几乎无例外地来自太阳光，从地球的炽热内部传导上来的能量，总起来还不足来自太阳以可见光形式达到的百分之一的千分之一。但不是所有的太阳光都被地球吸收。有些通过地球表面上的极冰、云层以及岩石和水而被反射回太空中。地球的平均反射率，或反照率，通过从卫星上的直接测量和从地照反射出月球暗面的间接测量结果表明，大约是百分之三十五。百分之六十五的太阳光被地球吸收，以加热地球而达到已能容易地计算出来的温度。这个温度约为－18℃，它在海水的冰点以下，比已测定的地球平均温度要冷30℃左右。 这种不符是由于这种计算忽略了所谓的室温效应而造成的。从太阳来的可见光进入地球纯净的大气并由此被传入地球表面。然而，在力图辐射回太空的表面，受到在红外线中辐射的物理规律所约束。大气在红外线中不易透进，而某些波长的红外辐射——诸如6．2微米或15微米——辐射只能穿过几厘米，就被大气气体吸收了。由于地球大气是浓密的。能吸收红外区的许多波长，因此，由地球表面发出的热辐射被阻止逸入太空。为了在地球从太阳接受的辐射与由地球发射到太空的辐射之间具有接近的等值，地球表面温度就必定要升高。室温效应不是由于地球的主要大气成分，诸如氧和氮引起的，而差不多毫无例外地是由于次要成分，尤其是二氧化碳和水蒸汽造成的。 就我们所知，金星这颗行星也许就是一个例子，在那里大量的二氧化碳和少量的水蒸汽进入行星的大气中，从而导致这样一种巨大的室温效应，以致水不能以液态留在表面上；所以，行星温度猛烈上升到一个极高值——在金星的情况下，这个值是480℃。 迄今为止，我们一直谈的是平均温度。地球温度处处都不相同。极地比赤道地区要冷，一般说来，这是因为太阳光直射在赤道而斜射在极地上。地球上赤道和极地之间温度非常不同的趋势是由大气循环加以调节的。赤道区的热空气上升并在高空中移向两极，在两极下降并返回地球表面；接着又循此老路折回，不过这次是低空从极地返回赤道。由于地球的旋转、地球的地形和水的相变而使之复杂化的这种总的运动，是影响气候的因素。 今日地球上观测到的平均温度约是15℃，这个温度通过观测太阳光强度、全球反照率、自转轴的倾斜以及室温效应而能获得相当满意的解释。但是所有这些参数原则上都是变化的；并且过去或未来气候的变化，都能归咎于其中任一项的变化。事实上，关于地球上的气候变化，几乎有上百种不同的理论，甚至今天对这一课题还很难表明有一致的意见。这不是因为气候学家天生无知，或天生爱争执，而是因为这个问题极端复杂。 负反馈和正反馈两种机制都可能存在。例如，假设地球温度降低了几度。大气中的水蒸汽量几乎完全由大气决定的，随着温度下降，就出现下雪，从而阻止了温度的下降。大气中水减少，意味着室温效应变小，也意味着温度的进一步降低，而这甚至可能导致大气水蒸汽的减少，如此等等。同样，温度下降可能使极冰的量增加，从而增加了地球的反照率并使温度继续进一步下降下去。另一方面，温度下降可能降低了云层的量，这会降低地球的平均反照率并使温度增加——或许足以补偿最初的温度降低。新近人们提出了这样的假设，即地球这颗行星的生物起着一种恒温器的作用，以阻制温度太极度的偏离而可能会给全球生物带来有害的后果。例如，温度下降可能造成耐寒植物的增加，以致使广大的地面被覆盖并降低了反照率。 有三种更流行、更有趣的气候变化理论应当被提到。第一种包含各种天体力学可变量的变化。这些可变量有：地球轨道形状、地球自转轴的倾斜，以及由于地球和附近其他天体的相互作用而在长时间内使地球的岁差完全改变。对这些改变程度的详细计算表明，它们至少能影响几度的温度变化，由于存在着正反馈的可能性，这本身对于解释主要的气候变化也许是适当的。 第二类理论涉及反照率变化。这些变化的一个更显著的原因是大量尘埃被喷入地球大气中——例如象1883年喀拉喀托火山爆发中喷出的尘埃进入大气中。鉴于对这些尘埃是使地球变热抑或变冷问题尚有某种争论，所以，目前的大量计算表明，那些细微颗粒非常缓慢地离开了地球同湿层，增加了地球的反照率，从而使地球变冷。新近的沉积学有证据表明，过去火山细粒广泛产生的时代在时间上正好对应于过去冰河期和低温时期。此外，地球上不时的造山运动和陆地表面的创造，而陆地比水亮度要大，因而增加了全球的反照率。 最后，还有一种太阳亮度变化的可能性。我们从太阳演化理论知道，几十亿年中，太阳正在逐渐变得明亮起来。这对最远古的地球气候学来说，立即提出了一个问题，因为太阳在大约三、四十亿年前比现在应该暗30％或40％；而且甚至连同室温效应在内，这种暗度足以导致全球温度比海水的冰点要低得多。然而，有广泛的地质证据——例如，水底微波状物的标记、由海底岩浆淬熄骤冷而产生的枕状火山岩，以及由海藻产生的叶绿体化石——都表明，那时确有充分的水无疑。消除这种矛盾的一种假设方式是这样一种可能性，即：在地球早期大气里有一些附加的温室气体——尤其是氨——使之增加到所需要的温度。但除了太阳亮度这种非常缓慢的演变之外，是否可能有较短期的气候波动存在呢？这是一个重要的但却尚未解决的问题，不过新近遇到的寻找中微子的困难（按照现今流行的理论，中微子应从太阳内部发射出来），已导致了一种暗示，表明太阳目前处于一个反常暗淡时期。 气候变化的形形色色模型之间加以区别是很难的，这也许似乎仅仅是一种不常有的令人烦恼的智力问题——除了那些看来对气候变化有某些实际的和直接的结果之外。关于全球温度趋势的某些证据似乎表明，从工业革命到1940年前后全球温度是非常缓慢地增高，而其后却有一个惊人的骤然下降。这种情况的出现已归咎于矿物燃料的燃烧，它带来了两个后果——释放二氧化碳（它是一种温室气体）到大气中，与此同时，也使未燃尽的燃料微粒进入大气中。二氧化碳使地球变热；微粒则由于它们的较高反照率而使地球变冷。情况也许就是，1940年前，温室效应占上风，而从那时以后，已增加的反照率占主导地位了。 人类活动可能无意地引起了气候的改变，这种不祥的可能性，使行星气候学显得颇为重要了。在行星上，随着气温下降存在着令人担忧的正反馈的可能性。例如，为图谋短时间保持温暖而增加燃烧矿物燃料。就有可能导致更迅速地长时间的寒冷。我们生活在这个行星上，农业技术对几十亿人的粮食负有责任。庄稼还不能顽强地抗拒气候变化而繁殖。人类已不再能为适应气候变化而进行大规模迁居了，或者至少可以说，在各国政府控制下的这颗行星上要再实行大规模迁居是更困难了。理解气候变化的原因，发展施行地球气候再建工程的可能性，正变得刻不容缓了。 说来也怪，这些关于气候变化本质的最有意义的某些暗示，似乎并非全部来自对地球的研究，而是出自对火星的研究。1971年11月14日，水手9号被发射到火星轨道。它的有效科学寿命是一个完整的地球年，并拍摄了7200张照片，内容遍及包括两极在内的整个火星，还获得了数以万计的光谱信息和其他科学信息。如我们已经知道的，当水手9号到达火星时，实际上没有看到其表面的任何细节，因为其时火星正处在一个巨大的全球尘暴的袭击之中。人们已很快地观测到，在尘暴期间，大气温度增加了，但表面温度却降低了，这一简单的观测至少直接提供出一个清晰的实例，说明由于大量尘埃射入行星的大气中而使该行星变冷了。进行的计算表明，对地球和火星可以精确使用同样的物理学，并且可以把它们视为大量尘埃射入行星大气而影响气候变化这一普遍问题的两个不同的范例。 水手9号还有另一个并且是完全出人意料的气候学发现——这就是发现了大量蜿蜒的沟渠，遍布着无数支脉，覆盖了火星的赤道及中纬度地区。在所有情况下有关资料都表明，沟渠沿着自己的方向——下游，继续伸展着。其中有一些显示出辫子模样、沙垄、坍塌的堤岸、流线型泪球状内“岛”，以及其他地球河谷的特征性形态学标记。 但这里有着一个很大的问题，即把火星上的沟渠解释成干涸的河床或干涸的小溪谷：在今日火星上显然不可能有液态水。压力简直太低了。地球上的二氧化碳已知有固态和气态，但从未有液态（除非在高压贮存罐内才有液态）。同样，火星上的水能以固态（冰或雪）或以蒸汽存在，但不以液态存在。为了这个原因，有些地质学家不愿接受这种主张沟渠一度有液态水的理论。然而，它们酷似地球上的河流，而且至少其中有许多与别的可能结构诸如塌陷的熔岩洞不同的形式，这些形式也许与月球上的峡谷有联系。 另外，这些沟渠明显地向火星赤道集中。火星赤道区的一个突出事实就是，这些地区是火星上平均白天温度高于水的冰点的唯一地区。而且没有任何其他液体具有低粘度的自发宇宙丰度，且具有低于火星赤道温度的冰点。 这样，如果这些沟渠是由火星上的流水造成的话，那么，当火星环境与今日的环境非常不同时，这种水显然必定是流动的。今日火星只有一层稀薄的大气、较低的温度，而没有液态的水。在过去的某个时期，也许有较高的压力，或许有多少高一点的温度以及分布广泛的流水。这样一种环境，如果基于众所熟知的地球生物化学原理，那么，看来比目前火星的环境更适合于生命的存在了。 对火星上这样重要的气候变化可能原因的细致研究，已经把重点放在众所周知的对流不稳定性的反馈机制方面了。火星大气主要由二氧化碳组成。至少在两个板冠中的一个，似乎有冷冻的CO2的巨大沉积。火星大气中CO2的压力，十分接近于在寒冷的火星极地冷冻二氧化碳平衡时所预期的CO2的压力。这种状况与由实验室真空系统中“冷手试摸”（coldfinger）的温度所确定的该系统的压力十分类似。在现时，火星大气是如此之稀薄，以致从赤道上升而两极下降的热空气，在使高纬度地区变热中只起极小的作用。但我们可以设想，极区的温度多少是略有增加的。总的大气压增加，由赤道到极地的对流所输运的热效率也就增加，极地温度继续进一步增加，并且我们会看到有向高温急奔的可能性。同样，温度下降，不管出于何因，都可能造成向较低温度急奔。这种火星境况的物理现象，与地球的情况相比，是容易理解的，因为在地球上，主要的大气成分是氧和氮，它们不可能在两极凝结。 因为火星上发生压力的较大增加，因此，这颗行星在极区吸收的热量必须在至少一个世纪时期内以约15％或20％的速度增加。加热极冠有三种不同的可能来源已经被鉴别出来了，有趣的是，这三种来源与上面讨论过的地球气候变化的三种流行模型非常类似。首先是诉诸火星自转轴朝太阳方向倾斜的改变。这些改变比地球的改变要显著得多，因为火星接近于这颗太阳系中质量最大的行星——木星。并且可以断定火星受到木星的引力扰动。在这里，全球压力和温度的改变，将在十万年到一百万年时间尺度上发生。 第二，极区反照率的改变，可能引起火星气候的重大改变。我们已能看到火星上挟带大量沙尘的风暴，由于这些风暴，极冠时而变暗，时而转亮。人们一直有一种提示认为，如果火星极区内能培植一种耐寒的极地植物，将降低火星极区的反照率，那么可能会使火星上的气候变得更适宜一些。 最后，存在着太阳发光能力改变的可能性。火星上的某些沟渠内有一种偶然形成的冲击坑，从行星际空间冲击频率对沟渠形成时期作粗略推算表明，其中有些沟渠必定已达十亿年了。这使人回忆起地球这颗行星上最后一次全球性高温时期，这就提出了地球和火星间在气候方面同步重大改变的动人心魄的可能性问题。 向火星发射海盗号的结果已经以一种主要的方式增进了我们关于这些沟渠的知识，为早期大气密度提供了独立的证据并且已证明了冷冻的二氧化碳大量沉积在极冰内。当海盗号的探测结果被充分彻底理解时，它们有希望大大增加我们关于火星目前环境以及以往历史的知识，大大增加我们关于地球气候和火星气候之间进行比较的知识。 当科学家面临极其困难的理论问题时，总会去实施实验的可能性。然而，在对这个整体行星的气候进行研究时，实验耗资多并难以付诸实施，并且还潜存着棘手的社会后果。最大幸运的是，大自然来帮我们的忙了，它为我们提供了附近行星非常不同的气候和非常不同物理可变量的有效信息。或许对气候学各种理论的最严峻检验是，它们能够解释所有附近的行星：地球、火星和金星的气候。从对一个行星的研究中所得的见解，必不可免地将有助于对其他行星的研究。比较行星气候学看来会成为一门学科，它正在临产中，这是一门具有重要智力意义和实践应用的学科。 ------------------ |
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