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大气对流扮演了传送带的角色，将热空气从热带地区输送到两极，也将冷空气按相反方向输送。然而，地球的自转打破了对流循环，将它在南北两个半球各分为三个环流，南北的对应环流方向两两相反。每个环流底部的气流也都因为地球的自转而向东或向西偏转（这取决于气流是在远离赤道还是朝向赤道），这些气流就组成了地球大气中的盛行风。（图片由Barbara Schoeberl授权使用）
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大气对流环也决定了水汽如何通过大气层输送到全球。赤道地区的剧烈加热导致水分大量蒸发，进入温暖的上升气流。上升气流行到高处后就水平散开向南向北运动，水汽遇冷而凝结，成云致雨，这就是热带如此潮湿多雨的原因了。等这气流到了该沉降的位置，也就是纬度30度上下的时候，它已经丧失了水汽。所以沉降气流十分干燥，往往会吸干它着陆的地方，造就干旱地区，比如撒哈拉沙漠、索诺兰沙漠（美国与墨西哥边界）和澳大利亚内陆大部分地区；在干旱地区与海洋交会的地方，还会造就地中海型环境，像是地中海（还用说嘛）和美国加利福尼亚州大部分地区那样。这些不同的气候带与湿度区域，对农业发展有重要作用，因此也在人类历史和史前史的潮起潮落中扮演了重要角色。
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上面说到，地球的大气环流主要由它相当快的自转运动所控制，由大气环流驱动的海洋环流自然也是一样。金星的自转极为缓慢，甚至是反着转的，就是说跟我们地球及太阳系里绝大部分其他行星的自转方向都相反。金星每243天才转完一圈，这甚至比1个金星年（大致相当于地球的225天）都还要长那么一点。金星自转为何如此缓慢又如此奇特？又一个关于我们姊妹星球的诸多未解之谜。虽说自转起来有气无力，金星倒是有强劲的风，就在靠近赤道的高空大气中，风向与自转方向相反（在地球上，哈德雷环流圈顶部的气流可是跟地球自转方向一致的）。火星的自转则几乎跟地球的一模一样（没有明显的原因，或许纯属偶然），甚至在它极为稀薄又几乎全是二氧化碳的大气中，也有近似于哈德雷环流圈的对流，将热量甚至是水汽从赤道地区输送到两极。火星环流会引发剧烈的劲风，风又卷起巨大的尘暴，有时一次尘暴就能将整个火星吞没数月之久。
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尽管我一直是以地球为中心在讲这个故事，也只与我们邻近的类地行星做过零星对比，但要是不提一提木星和土星上引人入胜的大气层，本书就显得太狭隘了。木星土星都有与前太阳星云高度相似的化学组成，基本与大爆炸之后的宇宙相同，略有改动而已。也就是说，这两颗行星都主要由氢气组成，还有一些氦气，以及少量在超巨星里生成的更重的元素。虽然两颗行星体型巨大，自转速度又比地球快2倍多（两颗行星的1天都是10小时左右，木星更快一点），但是它俩从太阳接收的热能却比地球少得多（木星接收的太阳能是地球的4%，土星仅约1%）。两颗巨行星也都有束束急流、朵朵白云，这表明行星上有多个（简化了讲）哈德雷类型的环流圈，不过驱动这些环流的能量，很可能绝大部分来自行星内部散发的热能。名为纬向风的一束束急流速度极快，在土星上时速能达到1600千米以上（地球上最快的风速在龙卷风里，时速最多也就能到500千米左右）。两颗行星也都有巨型气旋风暴，大体类似于地球上的气旋（就像是飓风或者东北信风，不过这两种都与水的蒸发和凝结有关，并将此作为能量来源），但规模大得多得多。土星北极有一个巨大的气旋，而木星著名的大红斑就是一个气旋风暴，体积大过整个地球，而且已经持续一个多世纪。
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在我们太阳系的所有行星中，地球的大气层既不是最大的，也不是最热的，不是最冷的，也不是最快或最慢的，但却有一个迷人的原因让它独一无二：这个大气层与自身的初始状态完全不同。所有其他行星的大气层，都几乎与超过40亿年前给定的组成一模一样，但地球借着板块构造活动从里到外翻天覆地了一遍，把大气里所有的水排出来造就了海洋，又发展出了生命，因此今天的大气层与它最初的模样再无相似之处。最后，任何已知的行星中，只有地球如此大刀阔斧地改造演进了自己的表面环境。
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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第六章 气候与宜居性
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不同于太阳系里的其他行星，地球发展出了温和的气候，让液态水得以存在，从而生命得以产生，至少就我们知道的生命形式而言。最早在地球上立足的生命是微生物，几十亿年后，地球上才会出现人类觉得“住得下来”的环境，就更别提舒适宜人了。不过就是到了今天，我们也还能在地球最严酷的环境中找到微生物：超过沸点温度的水里、强酸性的火山湖中；因此，“宜居性”的定义，真是相当宽泛。这表明或许有一天我们能在别的行星上找到生命或生命一度存在的痕迹，只要那儿的情形不比地球上最严酷的环境更恶劣。液态水似乎是生命的关键，所以生命可能栖居的潜在星球名单，包括火星，以及木星和土星的部分冰质卫星（比如木卫二和土卫二），上面都有液态水的迹象。无论如何，我们确知的是，地球发展出了特别稳定、特别宜人的气候，给了生命足够的时间去演化成复杂的多细胞的形式。
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生命存在所需要的行星条件，通常由叫作“连续宜居带”的经典观念开始。简单来说，在任何一个太阳系中，宜居带就是处于“刚刚好”位置的轨道，这个轨道与恒星的距离恰好让水在行星表面能以液态存在。换句话说，这颗行星与它的太阳的距离既不是太远，以致所有的水都结成了冰（火星可能就是这样，虽说现在越来越有争议了）；也不是太近，以致所有的水都气化了（金星就是这样）。天文学家仍在借助这个理论去发现其他太阳系的类地行星，这是因为至少到现在为止，行星最容易被观测到的特征，就是它与自己主星的距离，有时也包括该行星的质量和（或）尺寸。
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这个宜居带也是另一些理论的重要组成部分，这些理论关乎发现地外智慧生命的可能性。这儿的“智慧”，意思是能从行星上发出信号，比如带着有序信息的无线电波之类。地外生命形式是否会把我们的无线电波当作智慧生命的信号，这仍是一个见仁见智的问题，但是只要我们不会误解半人马座α星版本的《糊涂侦探》《星际迷航》或是《伯南扎的牛仔》（我年少时的几部最爱），搜寻标准也就会不证自明了。找到这种地外信号的可能性，可以用著名的德雷克公式（得名于美国天文学家弗兰克·德雷克［Frank Drake］）表示，它是一些不同的相关可能性的乘积，比如恒星拥有行星的可能性、这些行星中至少有一个位于宜居带的可能性、任何潜在生命形式有能力发射无线电波的时间长度（且不早不晚地处在我们有能力探测的时段内。任意一个给定的太阳系，要演化出生命，并能在恰好合适的时段发射无线电波抵达我们这里，这个可能性微乎其微；然而在我们的银河系中，有条件让生命维持长期演化的潜在恒星（通常都是小个儿的，这样才能燃烧数十亿年）有数十亿个。因此，这几十亿恒星里就算只有极小一部分供养了能发射无线电波的生命，那也会有好几百万或至少也是好几千颗了。在这种情况下，我们或许觉得通过我们的射电望远镜肯定都能收看到外星电视节目，但是，迄今为止，仍一无所获。这也就引出了由物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）提出的著名问题：大家都在哪儿呢？要么就是形成智慧生命所需条件比起初设想的要复杂得多，要么就是地外生命看的都是有线电视。
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要形成生命，复杂生命，甚或是有先进技术的生命，所需条件很可能比天文位置和轨道半径所能描述的要多得多。换句话说，决定我们温和气候的，绝不仅仅是阳光。比如说，在我们的太阳系里，地球理所当然被认为是处于环形宜居带中（鉴于所有压倒性经验证据都表明，地球确实有生物栖居）。然而，如果地球的大气层中没有水汽或二氧化碳，就不会出现温室效应，地表很可能就是千里冰封万里雪飘，说起来这种情形在遥远过去的某些时期可能真的存在过（下文我们会详细讨论）。就算在冰层以下还有小块小块的液态水存在，地球能接收到的太阳能也不足以给生命提供动力（如果不是完全接收不到的话，想想冰雪的反射率有多高）。而如果生命只能以别的方式像是火山活动作为能量来源，那么除了合适的轨道，就还要加上火山活动为条件。相反，如果地球全部原始二氧化碳（至少60倍标准大气，现今基本上都结合到地壳中了）都仍在大气层中，温室效应就很可能会让地球表面全都变成火焰山。虽然前面也提到，在极端酷热或寒冷的温度下也仍有某些微生物能生存乃至繁盛，但它们没有发展到比微生物更复杂的阶段，至少在地球上没有。因此，尽管身处宜居带，假如地球发展成了可能性的两个极端（冰冻或酷热），最多也只算对单细胞微生物而言的宜居。总之，并不是轨道对了，事就成了。那么，宜居性还需要哪些条件呢？这又是一个要花数百万乃至数十亿美元的问题。
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由地质学家彼得·沃德（Peter Ward）和天文学家唐纳德·布朗利（Donald Brownlee）共同提出的“地球殊异假说”（Rare Earth hypothesis），尽管富有争议，却是对“费米悖论”的尝试解答中算得出色的理论之一。正如它的名字所示，这个理论认为，地球拥有的宜居所需条件是一种极端殊异的组合，这样的殊异组合使地球可以演化出动物生命，并进而有了人类。更明确地说，各项最佳条件的恰当组合极为难得，因此能发射无线电波的地外生命渺如沧海一粟，我们无法在有限的观测时间里成功探测到。因此，费米悖论的答案就是，银河系更像是沙漠戈壁，而非香港巴黎。
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按照地球殊异模型，我们的行星地球满足了所有通常所需的天文学条件。具体来说就是，地球身处银河系中恰当的位置，没有离银河系中心太近，那里密密麻麻的全是恒星，还有物质掉进超大质量黑洞时发出的强烈辐射；地球也恰好在合适的时间里成形，这样宇宙才能提供建造生命所需的基本要素；在我们太阳系里，地球也恰好位于宜居带上合适的位置，这个位置不仅允许液态水存在，还可以让水以气态、液态和固态三相共存（三者都是气候系统的重要部分，下文详述）。在天文条件之外，地球还有板块运动来保持气候的稳定（关于这点接下来有更多内容）；它还有一颗大卫星来推动两栖动物在潮间带演化，这就是说，由于潮汐会大幅度来回改变海岸线位置，身处潮间带的生物就不得不在水下和空气中都能存活，这个演化随之又促进了生命从海洋向陆地迁移；地球的自转轴还有恰好合适的倾斜角，因此地球上四季分明，有利于生物多样性的出现；此外，地球还经历过数次大灭绝，成因包括越地小行星（Earth-crossing asteroids）、大型火山喷发（比如约2.5亿年前的二叠纪末生物大灭绝可能就是由于西伯利亚巨大的岩浆流释放出了有毒气体，以及大面积烧光了煤矿层推动全球变暖）、超级大陆的形成（这导致海岸线消失，与此相关的海洋生态系统也就消失）。每一次大灭绝都带来了生态重启，推进了生物多样性和生命演化。
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不幸的是，我们迄今所知的地球只有一个，因此我们没有足够的资料来证明，这样一个满足诸多条件的殊异组合，对宜居性来说到底是不是绝对必需的。会不会这些条件中有那么几个就够了？还是得所有条件都满足才成？说到底，我们只有一个数据点，因为我们并不知道还有哪个类地行星拥有板块运动、液态水或是大卫星。假以时日，这种资料欠缺的困境会得到改善，因为通过搜寻其他恒星系的行星，我们已经发现了大量的类地行星。最终我们会知道，这些行星是否具备生命所需的各项条件，尽管这需要高得多的天文分辨率与聪明才智，才能分辨出各种细节（比方说海洋和板块运动）。
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我们还不知道，这诸多条件到底是各自独立的（那么要同时发生就真的是旷古难有了），还是彼此相关的（那同时发生便是理所当然了）。比如说，液态水和板块构造活动的出现（以及相关的进程，像是火山活动和超级大陆循环）很可能彼此高度依赖，要这样的话二者的同时发生就不是……嗯……纯属巧合了。简单说就是，也许任何拥有液态水的类地行星也都会同时拥有板块构造活动，只不过我们还不知道罢了。又例如（正如某些批评指出的），地球殊异理论假定，这些条件对我们所知的动物生命形式是必需的，某种意义上这也就是说，这些条件只是针对地球上复杂生命的配方，而不是对随便哪儿的复杂生命都普遍适用。当然了，尽管这是我们唯一知道的配方，但恐怕它不会是能造出点什么来的唯一可能配方，比如一些我们一时还想象不出来的生命形式。总之，我们真是太孤陋寡闻，坐在我们这颗星球的井底，却对自己的太阳系都所知甚少，更遑论断定别的生命形式是什么样子了。
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无论有没有别的关于宜居性的理论模型，我们确实已经了解了在行星地球上的一些宜居性事实。既然这颗行星在未来的漫漫旅程中都会是我们的家园，来好好考察一番并理解这些事实不无裨益。当我们说到“宜居性”的时候，真正的意思是有稳定的气候来提供液态水，以及对生命所需的基本要素（营养物质）有稳定供应，同时没有巨大灾难每隔几百万年或多久就将我们赶尽杀绝。
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对我们的气候而言最重要的成分就是我们接收到的阳光。在任意给定的瞬间，我们的地球都会受到功率大概为17亿亿（1.7×1017）瓦的太阳辐射。一个大灯泡的功率是100瓦左右，所以这就相当于在地球的一侧，任何时候都有将近2000万亿盏大灯泡在同时照明，或者说每平方米的区域有大约13盏100瓦的灯泡（大多数住宅的房间都是25平方米左右，通常由两盏灯泡照明）。太阳辐射大部分以可见光的形式抵达地球，这也是为什么在这个星球上演化出来的我们，看得见这种可见光。阳光中还有大量是紫外线，所以我们得在太阳镜和防晒霜里加上防紫外线的成分，尽管大部分最伤人的紫外线都被平流层的臭氧吸收了，上一章介绍过。还有些阳光位于近红外区域，也就是光谱上十分靠近红色光线的地方。
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地球上有的地表吸收这些入射的阳光，有的地表则将阳光反射回太空。海洋颜色很深，就吸收大量的阳光；陆地颜色浅一些，于是反射了一些阳光；类似覆盖了大部分格陵兰岛和南极洲的那种冰层，实际上反射掉了全部的阳光。总的来讲，地球表面吸收了70%左右入射的阳光，被反射掉的30%则形成了所谓的“地照”效应，这跟“床前明月光”有点像，但可不是“花前月下”的那种。吸收了阳光的地球因此变热，也会将能量以热能的形式辐射出去，相当于红外辐射。如果没有大气层，地表的平均温度仅能达到零下20摄氏度左右，这可是远低于冰点温度的苦寒（虽说并非全球同此凉热，有的地方会暖和点，有的地方更冷一些）。好在我们的大气层有两种重要气体，就是水汽跟二氧化碳，它们能吸收向外散发的红外辐射（气体分子通过激活振动吸收了红外光子），因此就像一张大毯子那样留住了热量。尽管在大气层里这二者都不是主要成分（氮气和氧气才是），但它们作为温室气体的效率却很高，形成了十分有效的覆盖层，让我们的地球可以升温到平均温度15摄氏度左右。
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因此，我们的气候系统对于地球吸收和反射了多少阳光、大气层里有多少温室气体，都十分敏感。于是气候的稳定性和宜居性就高度依赖于这两大因素。实际上，自从太阳开启了聚变进程以来，阳光一直在稳步增强，跟现在相比，最早期的阳光要弱上30%左右。不过我们吸收的阳光也在变化，原因包括冰盖的扩大和缩小（这会改变被反射掉的阳光总量）、地球自转轴（穿过南极点和北极点的轴线）的旋转和摆动、地球公转轨道的波动，以及太阳自身以11年为周期的辐射输出变动。
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温室气体含量的波动也非常重要，波动取决于温室气体的效力以及在大气中滞留的时间。水汽因为纯粹的覆盖效应（blanketing effect）而成为最重要的温室气体，不过大气中水汽含量的波动不大，因为大气层与海洋紧密相连，而且平均来讲，大气层里水汽处于饱和状态，不能再容纳更多了。要是大气层变得太干燥，就会通过蒸发地表海洋来吸收水汽；而如果太潮湿，就会通过降水来排除；因此，空气通常都会向饱和状态发展，既不会太干燥也不会太潮湿。所以，就算突然有大量的额外水汽进入大气，比方说由于火山爆发，那绝大部分也都会通过下雨排掉（考虑到大气循环相当快速，多余水汽会在造成任何显著的温室效应之前很久，就已经变成降水了）。地球大气的水汽饱和状态对于保证水文循环的蒸发和降水也至关重要，我们马上会看到，这对地球总体板块构造的温度自动调节是多么关键。再一次拿金星来对比，金星的大气层可能一直很热，所以水汽经常处于不饱和状态，也就是说能容纳更多水汽而不形成降雨；无论是吸收火山活动释放气体，还是蒸干可能存在过的海洋，金星大气里增加的水汽都让大气更热，于是更加不饱和，于是导致更多水分蒸发，让大气进一步变热——如此循环，就形成了所谓失控的温室效应。
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甲烷也是一种效力很高的温室气体，但如今在大气中的含量很小（尽管也在稳步增加），虽说在生命诞生之初太阳还没这么灿烂的时候，它的含量可能要比现在大得多。甲烷如今在我们大气中只能存留不到10年，这是因为它会跟大气中含量很高的氧气发生剧烈反应（更明确地讲，是跟平流层的氧自由基发生反应），变成温室效应弱一些的气体，也就是二氧化碳和水汽。
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