全球气候变化下,未来的我们将会与山火共生,我们要如何才能应对?

2019-2020对我们来说似乎非常不友好,先是8月份的亚马逊森林大火,接下来是持续4个月的澳大利亚山火,似乎让半个澳大利亚都陷入火海之中,刚刚过完年熬过疫情的我们又面临一次云南的山火。

澳大利亚山火地图 图/BBC

这绝不是偶然,而是气候变化下的必然。在过去的两百年中人类快速将过去数亿年间封存在地下的碳释放出来,这些碳在燃烧过程中形成的二氧化碳正在快速改变整个地球的环境,山火肆虐只是微不足道的影响之一。我们的未来会怎样?这个问题我们或许能够从地质学家们哪里得到部分答案。不过在讲地质学家们的答案之前,我得先给可能的非专业人士简单科普一下基础的知识。

一、地球系统

从45.5亿年前地球刚刚形成开始,地球上所有的运动的能量来源都来自于内外两个方面。

来自于地球内部的能量主要是热能,地球的温度随着深度增加而增加,到了地核处,温度可能高达6000℃,这么高的温度,让地壳之下的部分物质融化形成了岩浆,我们可以简单的把地球内部的模型看作是一个烧水壶,地心处不断加热液态的岩浆(我们简单把岩浆理解为液态就行,实际上很复杂,我们有机会讲),在初中我们就学过热的气体会上升冷的气体会下降,岩浆也类似,被加热后的岩浆向上翻涌,而“漂浮”在这些岩浆之上的地壳也随之运动,这就是我们在地球上板块运动和火山地震等的动力来源。

在这个过程中,火山喷发出岩浆和大量气体,岩浆冷却形成了固体的岩石圈;而喷发出来的气体则包含水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等等各种各样的气体,在到达地表以后,水蒸气冷凝成地表的各种水体,这就是水圈的来历;其他的气体则漂浮在空中形成了大气圈,大气中的二氧化碳就是这么来的。到这里,岩石圈、水圈、大气圈就形成了。

当地球的各个圈层形成之后,来自地球之外的能量开始改造地球,这种能量就是阳光。阳光在到达地面后,加热岩石、水、大气,水和大气也开始玩热的上升冷的下降这一套,这就形成了风霜雨雪的地表气候。

但是阳光照射的过程中,不管是岩石、水还是大气,一方面会吸收阳光的能量,一方面会反射阳光的能量。其中气体对于阳光能量的吸收比较强,它们不光自己吸收太阳直射的能量,还会吸收来自岩石和水体反射到空中的阳光能量,在吸收完这些能量之后,这些气体会把这些能量再次释放到地表,让地表增温。我们把这种气体称为温室气体,二氧化碳就是其中非常重要的一种温室气体。

正因为二氧化碳气体是一种非常重要的温室气体,而且在过去的数十亿年间,地表的温度也随着二氧化碳气体浓度变化而上下波动,所以在面临如今的气候大变局下,科学家们对于地球系统中的碳循环非常重视

二、碳循环

地球上的二氧化碳主要的来源其实是火山,火山喷发带来的大量二氧化碳会迅速增加地球表面的温度,所以可以想见在地球刚诞生的前几亿年中,地表的温度可能是非常高的。

不过好在地球迅速演化出两种主要的降低二氧化碳的方法:

第一种方法是非生物的方法。阳光能量驱动的气候变化会让岩石破碎,在破碎的过程中与二氧化碳反应形成新的岩石,从而将二氧化碳固定到固体岩石中。

第二种方法是生物的方法。大约38亿年前,生物出现了,它们迅速演化出一项非常特殊的能力:光合作用。光合作用能够利用阳光将气态的二氧化碳转换为固态的有机物。在正常情况下,光合作用固定的碳和生物呼吸作用释放的碳是平衡的,但是自然界就是存在许多不正常的情况,一旦这些生物被迅速掩埋,那么它们将会形成化石(煤炭、石油等),这些化石将会以固态保存下来,这样,大气中的二氧化碳就降低了。

不过这并不是全部,在地球内部能量的作用下,地壳是在不断运动的,不断运动的地壳之间相互碰撞,形成俯冲带。俯冲带就好像一个传送带,它会把已经形成的岩石送到地下深处温度高的地方再次融化成岩浆,这些岩浆经过复杂的运动后喷出地表,又会让二氧化碳以气体形式释放到空气中。以上就是碳循环的大致过程,这个过程控制了地球上的二氧化碳含量。

不过,自从人类进入工业社会以来,成为了一个额外的碳循环控制者(破坏者?),在过去两百年间,人类大肆开采煤矿和石油,在毫无节制的燃烧利用之后,这些煤矿和石油中的碳迅速释放进入大气中,让地球上的二氧化碳含量快速增加,这就导致地球升温和气候的迅速变化,所以在现在,研究地球上的碳循环就成了一个非常重要的课题。

好了,到此为止,我们的基础科普终于讲完了,开始进入正文,讲讲目前的气候变化和我们的应对措施。

四、全球变暖

最近200年来,人类以一个前所未有的速度开采利用煤炭和石油,并大规模砍伐森林,这让大量二氧化碳释放到地球大气中,二氧化碳的增加让地球正在面临一个快速的气温升高过程,这就是传说中的全球变暖。

很多人可能对于全球变暖的理解仅仅是海平面上升,极端天气增加这个层面,我在此对全球变暖的影响进行简要的说明。

首先,最直观的影响就是我们上面说的两条,海平面上升,极端天气增加。科学家们估计,当全球冰川全部融化,全球的海平面将会上升60-70米,后果就是目前大部分的人口密集区将会淹没在水下;而极端天气的增加相较于这一后果,则就真的只是个弟弟了。

这是模拟的全球冰层融化后亚洲的场景,基本上中国现在最精华的地带全部淹没了

其次,全球变暖可能会影响到全球的大气和大洋环流,这些环流多是由温差驱动,将温暖的空气或者是海水送到寒冷的地方,将冷的空气或是海水送到热的地方,这使得地球表面温度趋近于均衡,但是全球变暖可能破坏原有的环流,比如加利福利亚冬暖夏凉,这是因为它受到北大西洋环流的影响,如果这个环流消失了呢?这可能会导致当地气温骤降,美国著名的灾难片《后天》就是一个以这个为背景的故事。所以,全球变暖可能会导致全球的局部小气候发生剧烈变化,很多原本宜居的地方都不在宜居。

电影《后天》就是以全球气候变化导致北大西洋环流消失为背景

再次,全球变暖的速度过快,将很可能让生物们无法适应快速变化的环境,导致生物大灭绝,已经有科学家提出来,现在的生物灭绝速度已经很快了,如果持续下去,达到5次生物大灭绝的水平只需要240-540年,所以我们现在正在面对的很可能是第6次生物大灭绝。生物大灭绝后会怎样呢?举一个简单的例子,我们人类目前大规模种植的水稻、小麦,它们在生长过程中其实都需要蜜蜂的传粉,没有传粉我们就没有主食可以食用,而现在全球都在面临蜜蜂大规模死亡的状态。

许多动物的灭绝速率都超过了正常的灭绝速率

整个地球如同一个精密运行的系统,只要一点出了问题,其他我们很可能想都想不到的地方会随之停转,我们无法完全预知未来的发展,为了尽量对我们的未来做一个全面的了解,科学家们正在试图通过了解地球的过去来预测未来的发展。

三、深时古气候:以史为鉴

在高中的语文课外读物上,我记得有这么一句话“以古为鉴,可知兴替”,这句话的原本的意思是将历史上各个王朝的兴衰故事作为镜子,可以帮助帝王更好的治理国家。这句话放在气候变化的研究中也没毛病,我们要预测未来的情况,可以先看看在地质历史时期发生过的类似事件,从这些事件中我们也许能够得到有意义的参考。

只不过,在这里的历史是非常非常遥远的远古,遥远到我们极度难以探测,因此,我们将这种非常遥远的远古时期成为深时。就好像我们说遥远的太空为深空,说极深的海洋为深海一样,我们用深时来代指遥远的远古时代。从科学的定义上讲,深时古气候,实际上研究的是从地球形成以来一直到260万年前的第四纪早期,这四十多亿年的地球气候变迁历史。

“深时”的范围:45.5亿年前——260万年前

那么,这么遥远的过去,我们靠什么研究它的气候变化呢?毕竟正儿八经的人类历史有文字或者是文物的记录,而远古的气候变化有什么东西能够记录呢?

岩石!地质学家们是一群研究地球演化历史和演化规律的人,在他们眼中地球上所有发生过的事件其实都已经被记录在了岩石之中,破解了岩石中的信息,我们就能读懂地球的故事。比如,黑色的有机质页岩往往指示了当时海洋中的缺氧环境,而红色沉积则往往代表海洋中的富氧环境(红色大多是铁元素被氧化造成);岩石中的氧同位素含量差异,也会指示气古温度的差异;植物化石中的叶片气孔数,能够指示当时二氧化碳浓度,等等。

植物叶片的化石会保留有气孔的痕迹,这可以间接测定以往的二氧化碳含量

为了研究地球深时的古气候变化,全球的地质学家们联合起来进行了大规模的大陆和大洋科学钻探计划,这些科学钻探取回来的超长岩芯柱,就好像地球写下的一本书,不同深度的岩芯代表了不同年代的气候变化数据。(一般来讲,古老的岩石更深一些,年轻的岩石更浅一些)

五、冰室气候与温室气候

深时古气候的研究成果之一就是告诉我们,地球的温度并不是一直恒定的,而是在一个大范围内来回波动。那些比较热的时代中,两极都没有冰盖,海平面也比现在要高的气候,我们称之为温室气候;而如我们现在这样,在两极都覆盖有厚厚的冰层的气候,我们称之为冰室气候。

至少从5.4亿年前的寒武纪开始,地球绝大部分的时候都处于温室气候状态,那时候的温度比现在高很多,只有极少数(17%)的时候地球是处于冰室气候中的,而我们现在,就正处于冰室地球气候中。

这就是我们幸运的一点,我们可以从丰富的地球温室气候历史中获取对未来情况的答案。

六、未来会怎样?

研究深时古气候的一个重要手段就是大洋钻探,科学家们从ODP 690钻孔中识别出来一次存在于大约5600万年前的一次极热事件,这次事件被称为PETM事件,这次事件是一次发生在极短时间内的二氧化碳增加、气温快速上升的事件,这次事件总共持续的时间大约是12-15万年,在这期间经历了多次二氧化碳的释放和吸收过程,整个地球升温5-6℃,同时伴随有大规模的气候变化、生物灭绝、演替和迁徙现象(正是在此过程中哺乳动物迅速崛起起来),这一事件中释放出来的二氧化碳总量与预期中的人类过去与未来释放出来的二氧化碳的总量可以对比,因此这一事件能够作为未来变化的重要基础。

PETM事件的起源目前众说纷纭,不过有一种看法认为是事件之前不明原因的快速增温,使得海底的天然气水合物达到分解的阈值,导致甲烷快速释放(可能是在200年内),甲烷的释放以及快速氧化形成大量二氧化碳导致进一步快速增温。这一假说对我们的重要启示就是,如果我们如今不节制地排碳,全球增温会不会导致埋藏在海底的巨量天然气水合物分解释放出来?一旦释放,将会是彻底的浩劫。

从海底开采出来的天然气水合物(传说中的可燃冰)

PETM事件全球增温导致全球年平均降雨量得以增加,其中中高纬度地区变得潮湿温热,而赤道附近则变得尤为干旱燥热。如果我们现在的情况继续发展,则也可能出现这种情况。

PETM事件除了导致气候的变化之外,还导致了生态环境发生剧烈变化。

在陆地上最显眼的变化就是哺乳动物中新物种的“爆发”,这些物种包括奇蹄类、偶蹄类、啮齿类和灵长动物的快速演化,可以说,人类的出现、人类文明的发展都与这次事件关系密切(人类是灵长类,奇/偶蹄动物为人类文明的发展提供了畜力来源)。

PETM事件是哺乳动物大爆发的契机 图/Jessica M. Theodor

在这些哺乳动物大发展的同时,还发生了一个普遍现象:个体矮化现象,据估计在这一事件中个体重量减少了50-60%。但是,这一影响对我们现在的启示可能不那么重要,因为动物的演化至少是在千年—万年尺度的,我们如今最直观的感受可能是生物的大灭绝,毕竟现在的环境变化太快了,许多生物会因为无法适应环境的快速变化而灭绝。至于快速演化出新物种或者是未来物种个体进一步减少,我实在是怀疑我们人类能不能看得到,毕竟我们人类文明的长度也就1万年,再过1万年会怎样?鬼知道。

PETM事件造成的另外一个影响就是海洋的酸化和海洋生物的大规模灭绝现象,其中最典型的就是珊瑚的大规模灭绝现象。作为对应的是,我们现在的海洋中,珊瑚也正在经历灭绝过程,目前全球大约三分之一的珊瑚已经面临灭绝,其中澳大利亚大堡礁珊瑚白化的新闻应该是最著名的,珊瑚作为25%的海洋物种的家园,珊瑚灭绝后会怎样结果不言而喻。

七、我们怎样应对?

PETM事件发生后,地球大约经历了15万年的时间来恢复到事件之前的水平。在这15万年间,地球上巨量的二氧化碳是怎么消失的呢?首先是二氧化碳的增加实质上造成了一种类似施肥的效应,让陆地上的植物和海洋中的藻类大规模繁殖,它们的光合作用消耗掉了大量的碳;其次是全球升温导致气候更加湿润,风化作用加强,岩石在风化过程中吸收掉了大量的二氧化碳。

这对于我们应对全球气候变化也许有一定的启示。首先自然是控制全球二氧化碳的排放,这一点《巴黎气候协定》之类的全球性合作行动正在持续,但是效果如何很存疑;其次就是增加生物固碳量了,减少砍伐,增加植被面积,增加海洋生物光合作用,但是说实话,我对于这一条也存疑,不是所有国家都能像我们中国这么团结且有执行力的;那么,可行的似乎是最后一条了,模拟岩石风化过程中的化学反应,通过化学反应固碳,这可能就是需要化学家们的考虑的问题了,我们人类最终的救世主可能是化工侠们?

八、后记

气候变化是一个非常复杂的问题,本文是我在听了王成善院士的讲座《深时古气候》的心得。王成善院士还讲了通过松辽盆地深时古气候研究还原白垩纪气候的话题,对此我很感兴趣,后面有机会再写一篇吧。

最后,今天是清明节,以此文悼念一下牺牲在山火中的消防员们。

PS:赶时间写文章,参考文献及图源来不及放了,见谅,待补。

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