地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第6节
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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太阳能减少，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和海洋间的CO。交换。地球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、氮等其他营养成分也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化学循环中相互作用。
前文提及CO。是地球大气圈中的微量气体，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，它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，捕获地球热辐射的一部分，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”）。
大气圈中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。的浓度已增加了大约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的一个后果。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％，大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。
大海洋
地球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。
将格陵兰的所有冰块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得多的影响，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四分之一。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发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。与现代陆地占地球表面积的30％不同，白玉纪时期陆地只占地球表面积的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，这就是在地球的那个早期历史时期，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火山物质，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，由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，但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。由埋藏的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。加剧了光合作用的进行。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我们可以知道，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，减少了三分之一陆地面积的地球比现今地球也要热一些。此外，几乎所有证据都表明，在白玉纪中期，地球两极缺乏衡稳的冰盖。因此，与现代两极覆盖着白色冰盖的地球相比，当时从地球反射回去的太阳光要少一些，这又促进了地球的变暖。为了定量估计白玉纪中期的地球到底有多少热，人们在地球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的温度比现代高出大约5℃。但与白至纪中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）和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和短吻鳄，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，是否热得即使在冬天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、高纬度地区出现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变化太不敏感；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。为了理解为什么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，对电脑模拟的基本内容作一简单介绍。
模拟的艺术
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、大型电脑问世之前，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）的数据进行处理，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电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 F，Richardson）是一位倍受科学家们崇敬的具有远见卓识的学者，他被称为大气电脑模拟之父。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，基于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”，这实际上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来代替类比图。
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，但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用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种梦想。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的。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和天气模型的基础。
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况？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，人们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，然后选择摹仿的机车类型。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。
要模拟气候，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，我们的模型必须明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，因此必须将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的、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，但实际出现的情况并非�
