地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第9章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
霾豢赡芫返厝范�10天以后的情况。（要记住，任何人都可以进行预报，但为了证明预报的准确性而不是发布预报，却花费了大多数科学家的时间。）但是，由洛伦茨发现的混饨动力学，虽然原则上排除了做超过一个星期时间的正确天气预报的可能，却原则上不排除可以正确进行长期平均（气候而不是天气）预报。“夏天之后肯定是冬天”，这是显而易见的，季节性的循环就像这种确定性的预言，因此，气候模型可以很好地模拟季节性的循环。
对大气环流模式甚至是长期平均预报不可能完美模拟的另一个解答是：没有人知道如何正确地解那六个复杂的数学方程。它们不像代数方程，如果是那样，我们可以通过一系列直接的运算得到正确的解答。没有任何已知的数学技术能够准确地解这类成对的、非线性偏差方程。就像理查森在本世纪20年代时尝试的那样，我们通过把连续的方程分解成为几个分离的部分（我们叫做格箱）来逼近答案。一个典型的GCM格箱在水平方向上大约有科罗拉多州差不多大小；在垂直方向上，至少平均有几百米大气层那么深。
我已经提到云是非常重要的，云还反射太阳光和捕获产生红外辐射的热。但是，由于我们没有人看到过像科罗拉多那么大小的单个云，我们就面临着一个尺度问题：我们怎样才能处理自然界存在的其尺度小于我们用大的格精逼近技术才能解决的过程？例如，我们无法计算云，因为单个的云在这个格箱中只有圆点那么大小。但是，我们可以提出一些合理的有关云物理学的命题：例如，如果这是一个湿难觅的天气，那么它很可能是多云的；如果气流在上升，那么它也可能是多云的。
这些气候模型可以预言格箱中的平均湿度，以及气流是否稳定—一可能上升或下降。因此我们可以写出～个所谓参数表达式，把我们用格箱解决的大尺度变量（诸如湿度）与没有解决的小尺度过程或现象（诸如单个的云）联系起来。于是，通过这样的参数表达式，我们就得到了格精中有关云的平均的预测。因此，模型既没有忽视云的状况，也不是仅仅解决单个云的情况。相反，模拟者试图得到模拟过程的平均结果，而该过程的尺度无法达到GCM方法中可以明确解决的（格箱）尺度。不管他们使用气候、生态还是经济的模型，发展、检验和估价许多这类参数表达式的性能是模拟者最重要（也是最引起争论）的任务。这把我们带回到地球系统科学中最有深远意义的争论之一，这也是衡量电脑模型有用性和脆弱性的最好例子之一。
温室效应
如果地球吸收来自太阳的辐射而不通过某种方式把同样数量的热能返回空间，那么地球就会持续增温直到总有一天导致海洋沸腾。我们知道海洋并没有沸腾。地表温度计加上卫星也证明地球温度年复～年地保持大致稳定（尽管20世纪有0．SC的增热趋势）。这种接近稳定的趋势要求地球每年以某种方式辐射出的能量与所吸收的能量应该相近。换句话说，地球建立了一种接近平衡的状态或辐射能平衡，这种能量平衡的组成部分对气候起着至关重要的作用。
所有具有温度的物体都释放辐射能。地球释放辐射能的总量相当于一个黑体（物理学家发明的一种代表理想辐射体的虚拟结构），其温度大致为一18C。地球平均表面温度大约为14C，大约比地球黑体温度高32C。这个温热的地表温度与地球平均辐射温度的差值就是众所周知的温室效应。
“温室效应”这个词来自于把气候现象与玻璃温室作典型的类比。在玻璃温室中，玻璃吸收最大尺度的太阳辐射同时捕获大部分的内部热量。但两者的机制是有差异的，因为暖房中的玻璃主要阻止对流气流带走内部的热量。暖房的玻璃基本上不会像地球大气那样通过阻挡内部的红外辐射或使之再辐射使暖房不断增热；相反，玻璃结构主要限制了空气流动的热物理转换。尽管一些大气科学家因此提议要废弃“温室效应”这个有所偏差的词，但这个词一方面已经十分流行而难于更改，另一方面即使不那么准确，但就大气圈捕获地表附近热量的行为而言，毕竟不能算是一个坏的类比。或许有讽刺意味的是，一些环境保护者也提议要废弃这个词，但他们不是因为这是一个不准确的物理类比。相反，他们害怕的是，由于温室对生物是一个温暖友善的场所，因此这个词所蕴含的过于温馨的形象会使人类去强化大气的捕热能力。他们宁可使用“地球热陷讲”这个词取而代之。正如他们所说，你不可能让每一个人都感到愉快。
虽然地球表面的大部分以及云层＊常接近一个黑体，但大气中的气体却不是。当地球表面的近黑体辐射向上进入大气圈时，它们就遇到了气体分子和烟雾粒子。水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧和地球气志被盖中的许多其他微量气体，往往是高度选择的（但往往又是高度有效的）地球内部红外辐射的吸收者。
不仅如此，大多数云层也吸收差不多所有增到它们身上的红外辐射，然后它们以云层表面的温度（大多数时间要低于地球表面温度），像黑体似地再次辐射能量。
大气圈传导地球向外红外辐射的能力要小于传导进入地球的太阳辐射的能力，这只是因为大气分子和烟雾粒子（包括云滴）的物理性质，平均看起来倾向于更多地传导太阳辐射而不是地球辐射。这些性质导致了以温室效应为特征的大规模表面增热。通过这种效应，大气圈使得相当数量的太阳辐射渗入到地球表面，然后捕获（更准确地说是以较低的能量拦截和再辐射）来自地球表面和大气圈下层的向上的地球红外辐射。向下的再辐射进一步强化了表面增热，32t？的自然温室效应主要就是由于这个原因而产生的。这不是一个推测性的理论，而是一个已经得到很好理解和充分检验的自然现象。
最重要的温室气体是水蒸气，因为它是最丰富的微量气体，也因为它吸收大部分红外光谱的地球辐射。二氧化碳是另一类主要的微量温室气体。虽然，它吸收和再辐射的红外辐射比水蒸气要少得多，但由于它的浓度与人类活动有关而引起最强烈的关注。如我们已经提及，臭氧、氮氧化物、硫氧化物、某些碳氢化合物，甚至某些像氟利昂这样的人造化合物也都是温室气体。它们对气候影响的程度，取决于它们在大气中的浓度以及这些浓度的变化速率。因此，地球的温度基本上是由地球的辐射平衡决定的，在～年的时间里，地球对太阳辐射的吸收与气候系统向外的地球红外辐射接近抵消。由于两者的数量都是由大气和地球表面的性质所决定，因此已经建立了一系列强调这些性质变化的重要的气候理论。这些理论中有许多仍然是有待证明的气候变化假说。可以肯定的是，自然温室效应毫无疑问他是建立在合理的科学基础上的，正是自然增热使得气候和生命的共同进化发展成为今天这样的情形。当然，人类对自然温室效应的增强（即全球变暖）到何种严重程度是当下的争论话题。
模型可以证实吗
这是一个基本的哲学问题。严格地说，逻辑上的回答是，“不”。正如已经讨论过的，因为人类迫使气候变化的大多数所作所为是没有先例的，因为还没有精确的经验方式，可以证实一个根本就没有经过准确可比性检验的模型。但实践上，仍然有许多事情可以去做——通过检验模型的次级要素和通过检验模型的总体表现。虽然没有经过完备的检验，但它们也决不仅仅是一些允许对模型表现进行主观判断（虽然相关而不是主要）的证据。
目前存在着多种类型的参数化表示程序，但其发生的尺度小于现有模型能够解决的尺度，科学家们正在争论哪一种类型最佳。这是一种准确表示大尺度结果的程序（比我们能够精确处理的尺度要小）吗？因此在预报气候变化中，检验模型参数化表示的有效性非常重要。事实上，我们不容易知道这些参数化表示是否“足够好”。我们必须在实验室检验这些表示。这就是对地球进行古气候研究的价值所在。我们还可以通过进行专门领域或模型研究来检验参数化表示，以理解为大尺度模型强调的某些参数化程序的高分辨能力的细节。
让我们回到美国的腹地。或许你已经去看过内布拉斯加的沙丘？虽然它们大多数今天已经成为青草覆盖的农地。这些山丘在3000年到8000年前却是满目沙土，因为美国平原的这部分那时是非常干旱的。我们今天知道的衣阿华和伊利诺伊湿润的谷物地带那时更为干旱——古气候学家称之为“高草原半岛”，一个几百千米长的极端干旱的狭长陆地。
在全新世以前（大约1．5万年到2万年以前），中西部的任何地方因为气候太冷而根本不可能存在谷物地带。今天在加拿大北方森林北面数百千米发现的具有代表性的云杉树，那时在这个地方是谷物地带占据优势。随着冰盖逐渐向北退却和气候变暖，自然植被的分市发生了变化，迁移、转换并在几百年前发展成为今天这样的格局，即西部平原的草地和东部平原和西北地区的硬木林。
在大约3000年到8000年前，那时的夏天温度可能要比今天高出几个摄氏度，在密西西比河谷可以感受到高草原半岛广泛的干旱。如果未来再增温几个摄氏度（这次是作为人类温室效应的结果），内布拉斯加的沙丘会再度沙漠化吗？
这种戏剧性的变化对中美洲平原现在的农业或对于北半球类似地区的整个经济可能是毁灭性的。科学家想要发现是什么原因引起了最初的增热，以及环境又是怎样对其作出反应的。如果我们知道这些，那么我们是否有可能运用我们用来预报21世纪增强的温室效应的工具，来“事后认识”高草原半岛的干旱呢？
有可能的是，在距今9000年到6000年前，地球围绕太阳旋转的轨道发生变化，重新分布了冬夏的太阳辐射热量，夏天增加了大约5％的阳光照射，而冬天却减少了5％。这可以解释那时的夏天为什么比今天高出几度。我相信，温室气体增加引起的气候变热（它应该在冬天和夏天同时增热）可能与高草原半岛扩张期温暖的夏季所发生的一切毫无干系。但是，这是否意味着那段时期对21世纪没有任何启示呢？肯定不是！如果我们能够运用我们用来说明未来人类变化的同类气候模型，去研究过去的自然变化，如果该模型看起来能够很好地再现过去变化的方式，那么这个评估程序就有助于我们增加对该模型的可信性。一旦我们就过去大规模的强制性气候变化检验了模型，那么我们就可以用它来较为轻松地预报未来的强制性气候变化。我们在后面还会谈到这个有6000年历史的检验例子。
当地质学家采掘岩石记录时，古生物学家则在野外提取土壤和湖泊沉积物的岩芯，并把它们带回到实验室中去。在实验室，他们鉴别岩芯不同层面上留下的花粉颗粒的类型，通过对这些物质进行“C测定来决定每个层面的年代。
研究者测量出岩芯中树、草或草本植物花的种类和其相对丰度，测定它们的年代。然后，按照不同的种类对冷或热的气候的偏好等因素，从这些相对丰度推断过去的气候可能是怎样变化的。
物种发现的地点与温度、降雨这类宏观尺度环境因素之间的联系，属于“生物地理学”这门学科的一部分。生物地理学家可以绘制出大比例尺（数百千米）的分布图，只要知道某个地点的温度和降雨量，就可以确定这个地方可能会有什么类型的植物组合。
例如，如果夏季温度在10”C以下可以推断是冻土带，如果温度很高和降雨很大可能是热带雨林，如果干旱就是沙漠，等等。遗憾的是，像土壤、生物竞争、草本植物（被动物所吃的植物）这类局部性因素的存在，使得这类生物地理学的“预报”只能得出非常一般的结论或粗略的近似。
研究者还要查看海洋或冰川沉积物，其中化石、岩石、贝壳、冰川的化学成分可以用来作为温度和海平面的代表性指标。通过从许多地点采样，古气候学家可以寻找相关的变化模式的迹象。这些模式对于古气候重建的准确定量是必要的。正是以上述这些方式，研究者已经能够推断在美国中西部有过一个广辽的大平原半岛，它与全新世中期的情况相一致，同时在世界上还发生许多其他的变化。例如，今天非洲和印度沙漠中的土壤化石显示，印度和非洲的季节性降雨地带在5000年和9000年前之间，比它们现在以及比它们在冰）11期时要潮湿得多。虽然6000年前在湿热地带相对现在没有很大的变化，但在今天的干热地带却有过重要的变化。5000年到9000年前，中非北部的河流流量和湖泊水面也比今天要高出许多。
冰川期的发生与消失
如果我们查看最近的地质时间，比如说70万年前到现在，一系列气候循环是非常明显的。每10万年左右就有一个持续1万年到2万年的间冰川期，然后通过过渡进入一个持续几万年的寒冷的冰川期。
在间冰川期和最冷的冰川期之间的大多数时间，气候比现在要冷。间冰川期往往较为缓慢地演变成为最大的冰川期：首先是一个8万年左右的波动的冰川积累期，然后是一个1万年的冰川高峰期，最后是一个非常快的冰川退化期（它们在一个完整的间冰川期到来之前在大约1万年左右时间内退去）。古气候学家把这个称之为锯齿状模式。关于什么原因引起冰川的缓慢积累以及最后较快的消退，存在着很大的争论。下例是一个可能发生的事件序列。
最后一次冰川期以来冰川的覆盖范围是什么？1万年到1．1万年以前，不列颠岛的北半部为冰川所覆盖，然而到8000年前已经见不到这一冰川了。在北美洲，冰川曾经从长岛延伸到威斯康星以及横跨加拿大的大部分地区。它的大多数直到6000年前才消失。
怎样才能积累起足够的冰川以形成一个冰川期呢？许多古气候学家认为（他们用模型支持自己的观点）是米兰科维奇机制左右了这些循环：地球轨道的变化改变了地轴的倾斜，从而调整了冬夏之间和赤道与两极之间太阳的照射量。对冰川期一间冰川期循环的一个理论性解释是这样的：出现一个有异乎寻常大雪（在夏天也不会完全融化）的冬天是因为地球轨道要素在起作用（意味着在北纬地带几乎没有什么夏季太阳光照）。2所反射掉的太阳热量，要比树、草和土壤可以反射的多得多，结果导致温度急剧下降和下一年的夏季变得更冷——一个典型的正反馈系统。最终，雪积聚起来并压实成为冰，冰原随着变冷的气候向南推进。5万年左右以后，冰川越过北极发展到英格兰，从加拿大发展到了威斯康星。冰川的巨大重量压迫着其下的地壳。随着海水在陆地上成为冰原，海平面下降了100米。
冰川期怎样才能扭转呢7较为可能的思路是：由于气候是如此之冷，以致北纬地带不再能形成大雪，从而停止了冰川的增长。冰川的重量使其下的基岩下沉，从而降低了冰原的高度，使它裸露给相对较热的空气。地球轨道再一次发生变化，从而增加了夏季的太阳光照。所有这些，结合起来就导致了冰川期的消退。�
