1701070469
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。
1701070470
1701070471
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。
1701070472
1701070473
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。
1701070474
1701070475
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。
1701070476
1701070477
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。
1701070478
1701070479
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。
1701070480
1701070481
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。
1701070482
1701070483
二氧化碳作为温室气体的效力强于水汽，但比甲烷要弱一些。然而，考虑到它在地球多处都有现身，它的故事可谓是独一无二。曾几何时，在大气层中有着大量的二氧化碳，不过现在基本都存到地壳里去了，也有一小部分存在海洋和生物圈里（马上就要展开说了）。但是，就算只是这巨大储量的极小部分被释放出来，也要花相当长的时间才能将它从大气中再次清除。因为二氧化碳不会像水汽一样变成降水，也不会像甲烷一样快速反应掉，对二氧化碳而言最快也最有效的沉降方式是溶解在海洋中，但这个方式也缓慢得不行（稍后详述）。所以，二氧化碳会长期逗留、积聚在大气中长达几个世纪甚至更久，并由此大大地影响气候。
1701070484
1701070485
地球上有很多重要的自然反馈机制会增强或抑制气候的波动，其中一些与二氧化碳有关。如果一个反馈回路是正向的（正反馈），就会增强气候变化；如果是负反馈，就会令气候稳定。比如，板块构造活动提供了重要的负反馈机制，使气候可以在数亿年的时间里保持稳定。此外，无论天气、季节还是气候如何变化，板块构造活动都会照常进行，也就保证了负反馈一直起作用，无论地表发生什么。实际上，像我这样的地球物理学家很喜欢去烦我们的气候学同仁，宣称气候学中最重要的就是板块构造活动。这说不定还是真的。
1701070486
1701070487
板块构造反馈又叫作构造碳循环或是地质碳循环，包含几个步骤：首先，板块构造活动将新矿物从地球内部，也就是从地幔和地壳深处输送到地表。这份工作由火山活动和造山运动完成，板块分裂扩张的洋中脊是火山活动的一个地点，另外在俯冲带和碰撞区域上方，板块俯冲下潜到另一板块之下沉入地幔，被拉入这个区域的陆地则被挤压、折叠堆积起来，导致火山活动和造山运动；这种输送也发生在像是夏威夷那样的海洋热点区域，但在重塑地表的工作中，热点区域起的作用很小。在新矿物被带到地表之后，遭遇雨水也好，坠入江河湖海中也罢，都会与水及二氧化碳一起发生化学反应。具体来讲，二氧化碳溶解在水中（尤其是雨滴中，因为雨滴有很大的表面积），从而形成弱酸（实际上就是碳酸，跟碳酸饮料里的是一样的），就会与硅酸盐矿物发生化学反应，产生碳酸盐矿物（像是石灰石和大理石）。通过这种方式，二氧化碳就被从大气中抽吸出来，通过水结合到矿物中，储存到岩石里。如果这些反应产生的矿物质就这么留在原地，就会形成薄薄一层碳酸盐地壳，阻碍更深处的矿物发生反应，最终提取二氧化碳的工作就会停下来。好在还有雨雪风霜、江河冰川侵蚀掉这些矿物，与之发生反应并将之冲进海洋。侵蚀有助于把板块运动输送上来的新鲜矿物暴露出来，使之能继续与二氧化碳反应，让提取工作继续进行。
1701070488
1701070489
侵蚀过程本身会将地球表面磨成一个平面（让整个地球光滑得像台球一样），这个平面会被海洋盖住，从而不再产生进一步侵蚀，二氧化碳的提取工作也会慢下来甚至完全停止（取决于地球表面究竟在海面以下多深，不过这个问题太复杂，我决定还是绕开它为好）。但板块构造活动可不只是带来新矿物而已，它还会不断建起火山、挤出山脉，让侵蚀循环可以畅通无阻。随着被侵蚀的矿物冲进了河流、湖泊，最终进入海洋，碳酸化反应也一路持续，因为水体中都溶解了大量二氧化碳，从而有了酸性。今天大量的海洋碳酸化反应都是通过生物调节实现的，也就是珊瑚礁和浮游生物（例如有孔虫和颗石藻）生成贝壳的反应，但无论如何，碳酸化都会一直进行下去。也正是因为有不间断的碳酸化反应，早期地球大气里的那些二氧化碳（约有60倍标准大气压），绝大部分都变成碳酸盐被束缚在了海底。古代的海底被板块运动推挤、抬升，变成了山脉和陆地。所以，要是没有对二氧化碳的这项地质提取工作，我们的大气层就大致是金星那副模样了。
1701070490
1701070491
然而，二氧化碳并不是真的永久储藏在地下。具体来讲，在活动板块下潜沉入地幔时，俯冲带最终将海底碳酸盐也吞进了地幔里。在地幔的高温环境下，这些岩石中的二氧化碳就被烧了一部分出来，轻轻松松溶解在俯冲带上方熔融状态的地幔中（虽说就像第四章介绍过的，地幔的熔化要归因于水，而水也是从下沉的板块里给烧出来的），在火山爆发时又变成气体回到大气。不过也有些碳酸盐熬过了地幔的灼烧，随后很可能被拽到底下，与深处的地幔混合起来。确实，人们认为地幔反正是保存了大量的碳，尽管浓度并不很高。但考虑到地幔的巨大体积，地幔中碳的净含量恐怕要比地壳和海洋中的地表储藏量大得多，只不过目前这还是极富争议的活跃话题。在地幔中有显著含量的碳，最直接的证据就是钻石。钻石是碳的稳定形态，深埋在几百千米以下的地幔中，并且经常会随着岩浆快速上行“入侵”地壳，并留在被地壳困住的岩浆中。入侵产物中最为知名的莫过于金伯利岩，首次发现于南非一个名叫金伯利（Kimberley）的小镇，并因此得名。火山爆发带来的钻石显然并不能对大气中二氧化碳的含量有多大贡献，但除此之外，地幔也在通过位于洋中脊处的别的火山活动释放二氧化碳，以及，较小的程度上，在像夏威夷那样的热点区域。因此，大气中的二氧化碳有来自地球内部的补充，尽管缓慢但还算稳定，也不会全都被风雨侵蚀出去。这样一来，二氧化碳的缓慢供应便足以保证行星地球的温室覆盖层起到保暖作用。
1701070492
1701070493
这样的地质碳循环——风雨侵蚀新鲜矿物从而提取出二氧化碳，又由火山活动对二氧化碳进行补充——是一个有显著证据支撑的假说，对气候有至关重要的负反馈作用，而这在我们这个故事里就相当于压轴大戏。（这个仍富有争议的负反馈假说，有时又叫作“沃克世界模型”，以詹姆斯·沃克［James C.G.Walker］及其同僚的杰出工作而命名，与更为繁复的“BLAG模型”有异曲同工之妙，后者是我在耶鲁大学从前的同事罗伯特·伯纳[Robert Berner]等人的心血。）对矿物的风雨侵蚀作用由地表温度通过几种方式决定。首先，温度较高会让更多水蒸发，水汽上升凝结变成冰雪之后也就会有更多降水，带来更多的侵蚀作用。（山脉也有助于降水，因为风会将潮湿气团往山坡上吹，在海拔更高的地方水汽更容易凝结。）其次，碳酸化反应也就是风吹雨打带来的反应（新鲜矿物因此变成碳酸盐）在较高温度下进行得更快。因此，如果由于大型火山爆发、森林大火或是对矿物燃料挥霍无度（嗯哼），过量二氧化碳释放到大气中，因温室效应加热带来的升温就会造成更多降水和侵蚀，对矿物的冲刷也加快了，这些全都会将二氧化碳提取出去，于是含量回落。（但这种提取耗时数百万年，因此并不能将人类从挥霍无度的生活中解救出来，除非我们能想出办法让这个过程快马加鞭。）同样，要是二氧化碳水平陡然下降，这在很遥远的过去可能发生过（详见下文），缺乏温室效应加热就会让气温下降，进而限制蒸发、降雨、风雨侵蚀，这就会阻碍二氧化碳提取工作，使它的含量水平不至于降到更低；同时火山活动还在缓慢释放二氧化碳，提升其含量。这样一来，板块构造活动保证了二氧化碳水平和气温都既不会太高也不会太低，至少从相当长的时间尺度（几百万年乃至几千万年）来看是这样。总之，构造旋回使气候在长达几亿年的相当长时间内都能保持相对稳定。不过我们说的“稳定”，意思是不会有幅度高达好几十摄氏度的变化，但地球仍然有可能深陷冰河世纪，或者跌入全球结不出一块冰的酷热。
1701070494
1701070495
气候波动如果较为适中，生命和复杂生命还能演化、存活，但要是有灾难性的波动，生命就在劫难逃了。比如说，失控的温室效应会释放出几乎全部可获取的二氧化碳，蒸干绝大部分海洋，把地球变成真正的地狱，就像金星一样。还好，板块构造活动有效抑制了气候的大型剧烈波动。
1701070496
1701070497
在循环的板块构造之外，海洋、大气圈和冰雪覆盖层也对气候变化有强烈的正反馈作用。这些反馈之所以是正向的，是因为它们增强而非抑制了我们接收到的太阳能量的细微变化。这些变化的原因是太阳辐射波动，以及叫作“米兰科维奇循环”的地球公转与自转的小变动。
1701070498
1701070499
米兰科维奇循环是由20世纪早期塞尔维亚人米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovic）提出的，他既是天体物理学家，也是地球物理学家。他认为地球自转和公转的变化会导致我们观测到的冰川循环，周期达数万年。米兰科维奇循环描述了三个基本的循环。周期最短的是由地球自转轴的变动引发，自转轴会像陀螺一样慢慢转动，每转动一整圈要花26000年，这个过程叫作进动。进动会使季节发生改变，因此再过13000年，1月份在北半球会变成夏天。第二个循环描述的是地球自转轴倾角的摆动，周期是40000年。摆动的两个端点，一个是比现今状态稍稍更直立一些（也就是更垂直于太阳系盘面），另一个则是比现今状态再倾斜一点，目前的倾角处于两个端点之间。这一摆动会改变“季节之间的变化”（seascnal variation），地球倾斜得越厉害，就会让冬天越冷，夏天越热。最后一个循环是地球的公转轨道会在更接近正圆和更扁一点的椭圆之间来回变动，大致以10万年为周期。这个循环造成了地球在轨道上跟太阳距离的各种变动。这些循环的结合，再加上地球南北两个半球之间的不对称（要归因于陆地和海洋作为不同的覆盖面，对阳光的吸收量不相同），就导致了地球吸收光照量的变动，这些变动分别大致以2万年、4万年和10万年为周期。这些循环已经得到了确证，证据就是深海沉积物中的气候记录。
1701070500
1701070501
米兰科维奇循环导致的地球接收光照变化，实际上很微弱，很难察觉。不过，海洋和大气圈的正反馈放大了这些变化，使它足以启动周期达数万年甚至数十万年的冰河世纪循环（就是冰期和间冰期）。这样一来，当板块构造活动在尽力安抚气候中的大波动时，海洋和冰帽却在大吹大擂，虚张声势，就像演技糟糕的演员或是科学记者一样（有那么点开玩笑了）。
1701070502
1701070503
海洋中能溶解的二氧化碳量决定了一种重要的正反馈机制。这个溶解量极大，比今天大气中的二氧化碳含量要大得多，但比束缚在地壳中的碳酸盐含量又小得多。无论如何，温暖的海水溶解二氧化碳的能力比起冰冷的海水逊色不少，由此产生了一些重要后果。
1701070504
1701070505
想象一下，如果在海洋和大气层中的二氧化碳浓度彼此平衡，那么谁都不会损人利己来增减自己的浓度。而如果在某个米兰科维奇循环期间平均地表温度上升，海洋升温导致自身溶解二氧化碳的能力下降，一些二氧化碳就会被释放到大气中。额外添加到大气中的二氧化碳带来更多温室效应，也会令海洋进一步升温，进而又释放出更多二氧化碳，每况愈下；同样，如果在某个冰期循环中温度下降了，变冷的海洋会吞下更多二氧化碳，造成进一步降温。总之就是，海洋的回应是一种正反馈，气候变化因此增强。海洋回应起来慢条斯理，这是因为需要成百上千年海洋里的水才能充分混合（前一章已提及）。不过，比起米兰科维奇循环带来的变化速度，海洋可以说是相当快的了。
1701070506
1701070507
既然我们已经说到了海洋对于变暖的回应，最好也关注一下海洋对于来自二氧化碳的压力的反应，也就是，海洋对于从别的储藏地（诸如火山爆发、生物质或是化学燃料的燃烧）中释放出二氧化碳的反应。跟上面一样，如果海洋和大气中的二氧化碳浓度互相平衡，但接着有过量二氧化碳倾泻到了大气中，海洋就会溶解其中的一部分，且基本通过高纬度地区下降流的冰冷海水，将这部分二氧化碳带到海洋深处。这个进程同样十分缓慢，因为海洋循环实在太慢了。也正因如此，过量二氧化碳实际上会在大气中滞留好几个世纪。此外，大气中多出来的二氧化碳最终会令海洋升温，火上浇油般从海洋里驱出更多二氧化碳，最终这些二氧化碳会在大气中存留更久，富集起来。（生物区系——就是花草树木——也会通过光合作用提取二氧化碳。但生物体的死亡和降解又在释放二氧化碳。所以只有全球生物总量有所增长，或是死亡的生物体深埋地下以免腐烂时——变成了矿物燃料——对二氧化碳的生物提取才有净效应。然而很明显，砍伐森林和燃烧矿物燃料会抵消这个净效应。）
1701070508
1701070509
另一个重要的正反馈来自南极和北极地区的冰帽。冰雪覆盖层将阳光反射回太空，因此限制了地球吸收的太阳能总量。但如果气温较高，冰雪融化，反射掉的阳光较少，地球表面就会进一步变暖，促使更多冰雪融化，如是循环。同样，要是气温下降了，冰雪覆盖层就会增长，反射掉更多阳光，造成进一步降温，形成更多冰雪，如是往复。
1701070510
1701070511
陆地冰雪的融化，像是冰川以及目前覆盖格陵兰岛和南极洲大陆的冰帽，也会造成海平面的变化。在今天地球迅速升温的气候中，这个变化极为显著，通过低地岛屿的消失就可以明显看出（例如印度洋里的马尔代夫群岛）。漂在海里的冰山融化不会产生这样的效应，这是因为这些水原本已经在海里了，尽管水域温度的净变化还是会因为热胀冷缩造成海平面的小幅变化。举一个极端的例子：如果格陵兰岛和南极洲的冰帽全都融化，海平面会因此上升大约70米，这意味着世界上绝大部分沿海城市都会轻轻松松被淹没。冰的消融还可能通过影响火山释放气体从而对气候产生正反馈作用。具体来讲，从火山上除去冰川的重量，减轻了对底下岩浆的压力，岩浆就会咕咕冒泡（就像打开汽水瓶盖那样），随之爆发。因此，增温和冰川消失可能会使火山释放出更多二氧化碳，带来更大增温，如是循环。不过，这还是一个新出炉的理论，由哈佛大学地球科学家彼得·豪伯斯（Peter Huybers）及查尔斯·朗缪尔（Charles Langmuir）共同提出，目前仍有较多争议。
1701070512
1701070513
来自海洋（及它溶解的二氧化碳）与冰帽的正反馈，增强了气候中无论是加热还是冷却的任何细微波动。如果某个米兰科维奇循环导致地球多吸收了一点额外的阳光，这些正反馈会使气候变得比单单只是得到这点阳光要热得多。同样，如果米兰科维奇循环带来冷却，正反馈会令气候系统变得冷过头。这样的过度反应经年累月，得花上多少年甚至多少世纪才能奏效，但对持续几万年甚或更久的米兰科维奇循环来说，这已经足够快，足够放大这种循环了。以这种方式，我们的气候有了大起大落的波动，形成了2万年到10万年的冰期循环。最近一次的冰河世纪，结束于大约12000年前，并开启了人类文明的黎明。
1701070514
1701070515
从深陷冰河世纪到全球皆是热带，地球上的气候有过万千变化，我无法一一详述，但我们可以了解其中一些精彩片段。第一个就是，有证据表明在不到10亿年前，也就是多细胞生物出现之前，地球至少有一次整个都被冰川覆盖，也就是说被冰雪层层包裹起来，这叫作“雪球事件”。在低纬度热带地区（比如非洲西南部纳米比亚的古地质矿床中）发现了来自这一时期的岩石，就是被当时扩散的冰川携带去的。类似事件后来再没发生过，可能因为只有在那会儿才有恰好合适（或落井下石，就看你的立场了）的各种反馈的结合，使得气温一泻千里，掉进全球冰冻事件中。
1701070516
1701070517
有一个假说完美解释了上述我们说到的所有状况，就是认为，地球有过一个重要的超级大陆，地球科学家称之为罗迪尼亚大陆（Rodinia）。跟另一个众所周知的超级大陆“盘古”不大一样的是，罗迪尼亚大陆以赤道为中心。当这块大陆解体时，它从裂缝中创造了更多的岩浆和新鲜矿物（正如今天的东非大裂谷），在热带分裂成了几块更小的大陆，更多暴露在了潮湿的海岸环境中。热带比别的地方有更充裕的阳光，因此地球上的水分蒸发及降雨，绝大部分都发生在这里。这对于新分裂出来的后罗迪尼亚大陆来说，就意味着狂风暴雨、剧烈侵蚀、大气中的二氧化碳被过量提取。尽管这通常也应该带来降温，并因此使降雨受限，但热带的气温可不会有那么大的变化。因此有限的降温并不能改变热带大陆暴露在大量降雨当中的情形。当降温继续进行，冰帽增长，就会通过反射更多阳光来增强冷却效应。通常来讲，如果大陆位于纬度较高的地区，就像它们如今这样，那冰盖就会遮盖大陆，使之免受风雨侵蚀，也会对二氧化碳提取加以限制，从而缓解冷却效应。但当大陆位于热带地区，冰盖就主要在海里，无法保护大陆。总之，冰面扩张、风雨侵蚀岩石，基本上都在无拘无束地进行，一直到南北两个半球的冰帽增长到非常大，反射了非常多的阳光，于是再也没有什么能阻碍冰帽增长。最后两个冰帽在赤道几乎（或是完全）合二为一，把行星地球整个包在冰里达几千万年。
1701070518
[
上一页 ]
[ :1.701070469e+09 ]
[
下一页 ]