造成地球氣候捉摸不定變化的原因，是否就是那寂靜肅默的高度？
羅伯待·格拉維斯（Robert Graves）《相會》
人們認為，在三千萬年到一千萬年前，地球上的溫度恰好以攝氏幾度的速率緩慢下降，但許多植物和動物都具有自己的生命週期，以靈敏地適應這種溫度的變化，而巨大的森林則向著低緯度的更熱地帶退縮。森林的這種退縮緩慢地改變了那些僅有幾磅重的小皮毛雙目生物的習性，這些小生物原來都棲息在森林裡，用它們的臂膀從這一樹枝攀緣到另一樹枝上。隨著森林的消失，只有那些在大草原上能夠生存的毛皮生物才倖存下來。幾千萬年以後，這些生物留下兩類後裔：一類包括狒狒，而另一類便叫做人類。我們之所以能生存下來，是由於氣候變化平均只有幾度的緣故。這些變化使一些物種生存下來而另一些物種歸於消亡。我們這個行星上生命的特徵，受到這些改變的強烈影響，而且事情變得日益清楚，氣候的變化直到今天還在繼續著。
有許多方法可以指明，過去氣候是變化的。有些方法可以探索遙遠的過去，而另一些方法則只具有有限的適用性。方法的可靠性也不相同。有一種方法，可以有效地追溯到幾百萬年以前，它是基於在有孔蟲類化石殼體的碳酸鹽中同位素氧18與氧16的比率。這些殼體，屬於跟我們今天所能研究的物種非常相似的物種。氧16與氧18之比按這些物種在其中生長的水的溫度而變化。與氧同位素法多少類似的方法是建立在同位素硫34與硫32之比基礎上的方法。還有另外一些更直接的化石指示法；例如，珊瑚、無花果樹和棕櫚樹的廣泛存在，則指示出是高溫，而數目眾多的大型皮毛獸，諸如猛□之類的遺骸，則指示出是低溫。地質記載提供了冰河存在的廣泛證據——巨大的能移動的冰層，留下了巨大的鵝卵石和沖蝕的痕跡。另有明顯的地質證據表明，有許多蒸發河床——即鹽水已被蒸發而留下鹽的地區。這種蒸發只有在溫暖的氣候下才會發生。
當這一系列氣候信息匯綜起來，一個溫度變化的複雜模式就顯現出來了。例如，地球的平均溫度始終沒有一個時候處於水的冰點以下，而且甚至也沒有一個時候溫度接近於水的正常沸點。但幾度的變化則是常有的，甚至二三十度的變化至少局部地發生過。攝氏幾度的波動，在幾萬年特徵時間發生過多次，冰期和間冰期新近更替就具有這一特徵時間和溫度幅度。但也有更長週期的氣候波動，最長的週期達幾億年數量級。溫暖期似乎存在於約六億五千萬年前和二億七千萬年前。依照過去氣候被動的標準，我們現在處於冰期中。就地球大部分歷史而論，並沒有像今天的南極和北極那樣的「永久的」冰封期。過去的幾百年，我們部分出現了冰期時代，由於迄今未明的原因，造成了較小的氣候變化；如果從無限追溯地質時代的觀點來看，我們又可能退回而陷入到全球性寒冷的時代，成了我們這個時期的特徵。二百萬年前，芝加哥市所在地還被埋在一英里厚的冰層之下，這決不是誇大其事。
地球溫度是由什麼決定的呢？從太空的角度看，地球是一個旋轉著的藍色球，伴有變化多端的片片雲層，紅棕色的沙漠和光亮白色的極冠。加熱地球的能量，幾乎無例外地來自太陽光，從地球的熾熱內部傳導上來的能量，總起來還不足來自太陽以可見光形式達到的百分之一的千分之一。但不是所有的太陽光都被地球吸收。有些通過地球表面上的極冰、雲層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，通過從衛星上的直接測量和從地照反射出月球暗面的間接測量結果表明，大約是百分之三十五。百分之六十五的太陽光被地球吸收，以加熱地球而達到已能容易地計算出來的溫度。這個溫度約為－18℃，它在海水的冰點以下，比已測定的地球平均溫度要冷30℃左右。
這種不符是由於這種計算忽略了所謂的室溫效應而造成的。從太陽來的可見光進入地球純淨的大氣並由此被傳入地球表面。然而，在力圖輻射回太空的表面，受到在紅外線中輻射的物理規律所約束。大氣在紅外線中不易透進，而某些波長的紅外輻射——諸如6．2微米或15微米——輻射只能穿過幾厘米，就被大氣氣體吸收了。由於地球大氣是濃密的。能吸收紅外區的許多波長，因此，由地球表面發出的熱輻射被阻止逸入太空。為了在地球從太陽接受的輻射與由地球發射到太空的輻射之間具有接近的等值，地球表面溫度就必定要升高。室溫效應不是由於地球的主要大氣成分，諸如氧和氮引起的，而差不多毫無例外地是由於次要成分，尤其是二氧化碳和水蒸汽造成的。
就我們所知，金星這顆行星也許就是一個例子，在那裡大量的二氧化碳和少量的水蒸汽進入行星的大氣中，從而導致這樣一種巨大的室溫效應，以致水不能以液態留在表面上；所以，行星溫度猛烈上升到一個極高值——在金星的情況下，這個值是480℃。
迄今為止，我們一直談的是平均溫度。地球溫度處處都不相同。極地比赤道地區要冷，一般說來，這是因為太陽光直射在赤道而斜射在極地上。地球上赤道和極地之間溫度非常不同的趨勢是由大氣循環加以調節的。赤道區的熱空氣上升並在高空中移向兩極，在兩極下降並返回地球表面；接著又循此老路折回，不過這次是低空從極地返回赤道。由於地球的旋轉、地球的地形和水的相變而使之複雜化的這種總的運動，是影響氣候的因素。
今日地球上觀測到的平均溫度約是15℃，這個溫度通過觀測太陽光強度、全球反照率、自轉軸的傾斜以及室溫效應而能獲得相當滿意的解釋。但是所有這些參數原則上都是變化的；並且過去或未來氣候的變化，都能歸咎於其中任一項的變化。事實上，關於地球上的氣候變化，幾乎有上百種不同的理論，甚至今天對這一課題還很難表明有一致的意見。這不是因為氣候學家天生無知，或天生愛爭執，而是因為這個問題極端複雜。
負反饋和正反饋兩種機制都可能存在。例如，假設地球溫度降低了幾度。大氣中的水蒸汽量幾乎完全由大氣決定的，隨著溫度下降，就出現下雪，從而阻止了溫度的下降。大氣中水減少，意味著室溫效應變小，也意味著溫度的進一步降低，而這甚至可能導致大氣水蒸汽的減少，如此等等。同樣，溫度下降可能使極冰的量增加，從而增加了地球的反照率並使溫度繼續進一步下降下去。另一方面，溫度下降可能降低了雲層的量，這會降低地球的平均反照率並使溫度增加——或許足以補償最初的溫度降低。新近人們提出了這樣的假設，即地球這顆行星的生物起著一種恆溫器的作用，以阻制溫度太極度的偏離而可能會給全球生物帶來有害的後果。例如，溫度下降可能造成耐寒植物的增加，以致使廣大的地面被覆蓋並降低了反照率。
有三種更流行、更有趣的氣候變化理論應當被提到。第一種包含各種天體力學可變量的變化。這些可變量有：地球軌道形狀、地球自轉軸的傾斜，以及由於地球和附近其他天體的相互作用而在長時間內使地球的歲差完全改變。對這些改變程度的詳細計算表明，它們至少能影響幾度的溫度變化，由於存在著正反饋的可能性，這本身對於解釋主要的氣候變化也許是適當的。
第二類理論涉及反照率變化。這些變化的一個更顯著的原因是大量塵埃被噴入地球大氣中——例如象1883年喀拉喀托火山爆發中噴出的塵埃進入大氣中。鑒於對這些塵埃是使地球變熱抑或變冷問題尚有某種爭論，所以，目前的大量計算表明，那些細微顆粒非常緩慢地離開了地球同濕層，增加了地球的反照率，從而使地球變冷。新近的沉積學有證據表明，過去火山細粒廣泛產生的時代在時間上正好對應於過去冰河期和低溫時期。此外，地球上不時的造山運動和陸地表面的創造，而陸地比水亮度要大，因而增加了全球的反照率。
最後，還有一種太陽亮度變化的可能性。我們從太陽演化理論知道，幾十億年中，太陽正在逐漸變得明亮起來。這對最遠古的地球氣候學來說，立即提出了一個問題，因為太陽在大約三、四十億年前比現在應該暗30％或40％；而且甚至連同室溫效應在內，這種暗度足以導致全球溫度比海水的冰點要低得多。然而，有廣泛的地質證據——例如，水底微波狀物的標記、由海底岩漿淬熄驟冷而產生的枕狀火山岩，以及由海藻產生的葉綠體化石——都表明，那時確有充分的水無疑。消除這種矛盾的一種假設方式是這樣一種可能性，即：在地球早期大氣裡有一些附加的溫室氣體——尤其是氨——使之增加到所需要的溫度。但除了太陽亮度這種非常緩慢的演變之外，是否可能有較短期的氣候波動存在呢？這是一個重要的但卻尚未解決的問題，不過新近遇到的尋找中微子的困難（按照現今流行的理論，中微子應從太陽內部發射出來），已導致了一種暗示，表明太陽目前處於一個反常暗淡時期。
氣候變化的形形色色模型之間加以區別是很難的，這也許似乎僅僅是一種不常有的令人煩惱的智力問題——除了那些看來對氣候變化有某些實際的和直接的結果之外。關於全球溫度趨勢的某些證據似乎表明，從工業革命到1940年前後全球溫度是非常緩慢地增高，而其後卻有一個驚人的驟然下降。這種情況的出現已歸咎於礦物燃料的燃燒，它帶來了兩個後果——釋放二氧化碳（它是一種溫室氣體）到大氣中，與此同時，也使未燃盡的燃料微粒進入大氣中。二氧化碳使地球變熱；微粒則由於它們的較高反照率而使地球變冷。情況也許就是，1940年前，溫室效應佔上風，而從那時以後，已增加的反照率占主導地位了。
人類活動可能無意地引起了氣候的改變，這種不祥的可能性，使行星氣候學顯得頗為重要了。在行星上，隨著氣溫下降存在著令人擔憂的正反饋的可能性。例如，為圖謀短時間保持溫暖而增加燃燒礦物燃料。就有可能導致更迅速地長時間的寒冷。我們生活在這個行星上，農業技術對幾十億人的糧食負有責任。莊稼還不能頑強地抗拒氣候變化而繁殖。人類已不再能為適應氣候變化而進行大規模遷居了，或者至少可以說，在各國政府控制下的這顆行星上要再實行大規模遷居是更困難了。理解氣候變化的原因，發展施行地球氣候再建工程的可能性，正變得刻不容緩了。
說來也怪，這些關於氣候變化本質的最有意義的某些暗示，似乎並非全部來自對地球的研究，而是出自對火星的研究。1971年11月14日，水手9號被發射到火星軌道。它的有效科學壽命是一個完整的地球年，並拍攝了7200張照片，內容遍及包括兩極在內的整個火星，還獲得了數以萬計的光譜信息和其他科學信息。如我們已經知道的，當水手9號到達火星時，實際上沒有看到其表面的任何細節，因為其時火星正處在一個巨大的全球塵暴的襲擊之中。人們已很快地觀測到，在塵暴期間，大氣溫度增加了，但表面溫度卻降低了，這一簡單的觀測至少直接提供出一個清晰的實例，說明由於大量塵埃射入行星的大氣中而使該行星變冷了。進行的計算表明，對地球和火星可以精確使用同樣的物理學，並且可以把它們視為大量塵埃射入行星大氣而影響氣候變化這一普遍問題的兩個不同的範例。
水手9號還有另一個並且是完全出人意料的氣候學發現——這就是發現了大量蜿蜒的溝渠，遍佈著無數支脈，覆蓋了火星的赤道及中緯度地區。在所有情況下有關資料都表明，溝渠沿著自己的方向——下游，繼續伸展著。其中有一些顯示出辮子模樣、沙壟、坍塌的堤岸、流線型淚球狀內「島」，以及其他地球河谷的特徵性形態學標記。
但這裡有著一個很大的問題，即把火星上的溝渠解釋成乾涸的河床或乾涸的小溪谷：在今日火星上顯然不可能有液態水。壓力簡直太低了。地球上的二氧化碳已知有固態和氣態，但從未有液態（除非在高壓貯存罐內才有液態）。同樣，火星上的水能以固態（冰或雪）或以蒸汽存在，但不以液態存在。為了這個原因，有些地質學家不願接受這種主張溝渠一度有液態水的理論。然而，它們酷似地球上的河流，而且至少其中有許多與別的可能結構諸如塌陷的熔岩洞不同的形式，這些形式也許與月球上的峽谷有聯繫。
另外，這些溝渠明顯地向火星赤道集中。火星赤道區的一個突出事實就是，這些地區是火星上平均白天溫度高於水的冰點的唯一地區。而且沒有任何其他液體具有低粘度的自發宇宙丰度，且具有低於火星赤道溫度的冰點。
這樣，如果這些溝渠是由火星上的流水造成的話，那麼，當火星環境與今日的環境非常不同時，這種水顯然必定是流動的。今日火星只有一層稀薄的大氣、較低的溫度，而沒有液態的水。在過去的某個時期，也許有較高的壓力，或許有多少高一點的溫度以及分佈廣泛的流水。這樣一種環境，如果基於眾所熟知的地球生物化學原理，那麼，看來比目前火星的環境更適合於生命的存在了。
對火星上這樣重要的氣候變化可能原因的細緻研究，已經把重點放在眾所周知的對流不穩定性的反饋機制方面了。火星大氣主要由二氧化碳組成。至少在兩個板冠中的一個，似乎有冷凍的CO2的巨大沉積。火星大氣中CO2的壓力，十分接近於在寒冷的火星極地冷凍二氧化碳平衡時所預期的CO2的壓力。這種狀況與由實驗室真空系統中「冷手試摸」（coldfinger）的溫度所確定的該系統的壓力十分類似。在現時，火星大氣是如此之稀薄，以致從赤道上升而兩極下降的熱空氣，在使高緯度地區變熱中只起極小的作用。但我們可以設想，極區的溫度多少是略有增加的。總的大氣壓增加，由赤道到極地的對流所輸運的熱效率也就增加，極地溫度繼續進一步增加，並且我們會看到有向高溫急奔的可能性。同樣，溫度下降，不管出於何因，都可能造成向較低溫度急奔。這種火星境況的物理現象，與地球的情況相比，是容易理解的，因為在地球上，主要的大氣成分是氧和氮，它們不可能在兩極凝結。
因為火星上發生壓力的較大增加，因此，這顆行星在極區吸收的熱量必須在至少一個世紀時期內以約15％或20％的速度增加。加熱極冠有三種不同的可能來源已經被鑒別出來了，有趣的是，這三種來源與上面討論過的地球氣候變化的三種流行模型非常類似。首先是訴諸火星自轉軸朝太陽方向傾斜的改變。這些改變比地球的改變要顯著得多，因為火星接近於這顆太陽系中質量最大的行星——木星。並且可以斷定火星受到木星的引力擾動。在這裡，全球壓力和溫度的改變，將在十萬年到一百萬年時間尺度上發生。
第二，極區反照率的改變，可能引起火星氣候的重大改變。我們已能看到火星上挾帶大量沙塵的風暴，由於這些風暴，極冠時而變暗，時而轉亮。人們一直有一種提示認為，如果火星極區內能培植一種耐寒的極地植物，將降低火星極區的反照率，那麼可能會使火星上的氣候變得更適宜一些。
最後，存在著太陽發光能力改變的可能性。火星上的某些溝渠內有一種偶然形成的衝擊坑，從行星際空間衝擊頻率對溝渠形成時期作粗略推算表明，其中有些溝渠必定已達十億年了。這使人回憶起地球這顆行星上最後一次全球性高溫時期，這就提出了地球和火星間在氣候方面同步重大改變的動人心魄的可能性問題。
向火星發射海盜號的結果已經以一種主要的方式增進了我們關於這些溝渠的知識，為早期大氣密度提供了獨立的證據並且已證明了冷凍的二氧化碳大量沉積在極冰內。當海盜號的探測結果被充分徹底理解時，它們有希望大大增加我們關於火星目前環境以及以往歷史的知識，大大增加我們關於地球氣候和火星氣候之間進行比較的知識。
當科學家面臨極其困難的理論問題時，總會去實施實驗的可能性。然而，在對這個整體行星的氣候進行研究時，實驗耗資多並難以付諸實施，並且還潛存著棘手的社會後果。最大幸運的是，大自然來幫我們的忙了，它為我們提供了附近行星非常不同的氣候和非常不同物理可變量的有效信息。或許對氣候學各種理論的最嚴峻檢驗是，它們能夠解釋所有附近的行星：地球、火星和金星的氣候。從對一個行星的研究中所得的見解，必不可免地將有助於對其他行星的研究。比較行星氣候學看來會成為一門學科，它正在臨產中，這是一門具有重要智力意義和實踐應用的學科。
|
|
