地球氣候簡史（跨越46億年地球氣候變化的歷史）

地球氣候簡史跨越46億年地球氣候變化的歷史目錄TOC\h\h第一章什么主導(dǎo)著地球的氣候？\h溫室效應(yīng)\h太陽輻射\h反照率\h顆粒物\h反饋\h地質(zhì)年代\h關(guān)于氣候變化的爭論\h第二章緩慢升溫的太陽\h太陽的演化\h早期生命和大氣變化\h蓋亞假說和地球氣候\h碳的儲存\h未來的太陽變暖\h第三章板塊漂移與大陸碰撞\h行星反照率與大陸漂移\h大陸碰撞與造山運(yùn)動\h板塊構(gòu)造與洋流變化\h小結(jié)\h第四章火山噴發(fā)導(dǎo)致的降溫與增暖\h火山噴發(fā)\h火山噴發(fā)產(chǎn)物\h歷史上火山噴發(fā)的氣候效應(yīng)\h火山作用與人為強(qiáng)迫\h第五章地球的軌道變動\h地球軌道和傾斜的變化\h米蘭科維奇周期與氣候\h基于冰芯記錄的米蘭科維奇周期\h未來的米蘭科維奇周期\h第六章洋流輸送的熱量\h洋流\h冰川時期的洋流變化\h大西洋溫鹽環(huán)流與未來氣候\h厄爾尼諾—南方濤動\h為什么厄爾尼諾重要？\h第七章短期的太陽變化\h什么是太陽黑子？\h太陽黑子的短期變化\h太陽黑子的長期變化和小冰期\h太陽黑子和現(xiàn)代氣候變化\h第八章災(zāi)難性撞擊\h?？颂K魯伯撞擊的氣候影響\h外星撞擊的歷史\h未來“地外來客”的影響\h第九章人類活動引發(fā)的災(zāi)難\h農(nóng)業(yè)發(fā)展\h化石燃料燃燒\h人口增長\h第十章臨界點(diǎn)\h過去的氣候臨界點(diǎn)\h未來潛在的氣候臨界點(diǎn)\h小結(jié)\h第十一章怎么辦？\h問題的根源\h減少二氧化碳排放\h減少甲烷排放第一章什么主導(dǎo)著地球的氣候？“我們正在做史上最危險的實(shí)驗(yàn)，想看看在環(huán)境發(fā)生致命災(zāi)難前大氣能容納多少二氧化碳。”——埃隆·馬斯克(ElonMusk)，2016年12月31日發(fā)表于推特?zé)o論是現(xiàn)在，還是在遙遠(yuǎn)的地質(zhì)時期，以二氧化碳(CO2)貢獻(xiàn)為主的溫室效應(yīng)都是氣候變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子之一。除此之外，還有其他重要的驅(qū)動因子，包括地球不同區(qū)域接收到的太陽能量的變化、地球表面反射率（反照率）的變化，以及大氣中顆粒物數(shù)量的變化。這些驅(qū)動機(jī)制被稱為氣候強(qiáng)迫，即它們迫使或推動著氣候趨于一種更冷或更熱的狀態(tài)。另外，氣候變化的真正主力軍是自然界中各種放大氣候強(qiáng)迫的正反饋過程。例如，積雪覆蓋的海冰具有很強(qiáng)的反射率，照射到其上的太陽光大部分被直接反射回太空，對地球幾乎沒有任何增暖效應(yīng)。如果海冰融化，露出開闊的水域，大部分太陽光會被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，從而加熱海水和其上方的空氣，導(dǎo)致更多的融化。本章描述了氣候強(qiáng)迫的影響以及反饋的放大效應(yīng)。由于書中將討論一些非常緩慢的過程，在大多數(shù)情況下，這些過程常常需要數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年才能產(chǎn)生顯著的變化，因此，這一章將對地質(zhì)年代作簡要概述，并解釋極度緩慢的地質(zhì)過程如何產(chǎn)生巨大的影響。溫室效應(yīng)大氣（也就是我們呼吸的空氣）主要由氮?dú)?N2)和氧氣(O2)組成（其中N2占78%，O2占21%），還有大約1%的氬氣(Ar)，以及許多濃度很低的氣體，如二氧化碳(CO2)、氖(Ne)和氦(He)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)等（圖1-1）。水蒸氣也是一種非常重要的大氣成分，它的濃度變化很大，在溫度很低時只有0.01%，溫度為30℃時則達(dá)4%以上。我們使用“百萬分比”(ppm)來描述微量氣體的濃度，如果一種氣體的濃度是1ppm，就意味著100萬個空氣分子中有1個這種氣體分子。圖1-1低層大氣成分像所有固體和液體分子一樣，凡是具有2個及以上原子的氣體分子都會振動。雙原子的氣體分子，如N2和O2，只能通過伸縮來振動（圖1-2），這種振動相對較快。具有3個以上原子的氣體分子（例如CO2）可以通過伸縮和彎曲來振動（圖1-2），這類氣體被稱為溫室氣體(GHGs)。引起溫室效應(yīng)的核心因素在于彎曲振動比伸縮振動慢，而且彎曲振動的頻率落在受熱的地球表面發(fā)出的紅外輻射頻率范圍之內(nèi)。圖1-2O2和CO2的振動模式為了理解溫室效應(yīng)，我們必須簡要了解不同類型的光。太陽發(fā)出的光主要位于光譜的可見光部分，少部分延伸到近紅外和紫外波段。地球表面（水、植被、冰、土壤和巖石）被可見光加熱到不同的溫度，從而發(fā)出位于光譜的紅外部分（長波）的光。對我們來說這種光是不可見的，但你可以在紅外圖像中看到它，物體越熱，圖像就越亮。來自太陽的可見光的振動頻率與常見的大氣氣體（O2和N2）或溫室氣體(GHGs)的振動頻率不同，因此在通過大氣層時不會被大氣吸收（盡管會被云和顆粒物反射）。但正如前文所述，從受熱的地球表面輻射出的紅外光，其頻率與溫室氣體的彎曲振動頻率重疊，在紅外光的照射下，氣體分子的振動變得更加劇烈，從而使氣體分子升溫，也就是加熱大氣。換句話說，溫室氣體捕獲了一些來自受熱地球表面的紅外輻射。溫室氣體的濃度越高，其捕獲的能量就越多，大氣溫度也就越高。眾所周知，CO2是第一大溫室氣體。在2020年年底，其在大氣中的濃度約為415ppm，或0.04%（圖1-3），目前每年增加約2ppm。圖1-3在夏威夷莫納羅亞山測量的大氣中的CO2濃度注：數(shù)據(jù)來源于夏威夷莫納羅亞山觀測站基林實(shí)驗(yàn)室的實(shí)地測量，該實(shí)驗(yàn)室由位于拉荷亞的加利福尼亞大學(xué)斯克里普斯海洋研究所運(yùn)營。scrippscO2./data/atmospheric_cO2/primary_mlo_cO2_record.html。為什么CO2濃度曲線如此曲折？如圖1-4所示，莫納羅亞山的CO2濃度水平在每年5月達(dá)到峰值，然后在9月下降到最低值。這是因?yàn)殛懮参镌?月到9月生長旺盛，消耗了大氣中大量的CO2，隨著秋冬季有機(jī)物的分解，其中大部分又回到了大氣中。而且由于化石燃料燃燒排放了大量的CO2，會在每年5月形成一個新的峰值。CO2在大氣中很容易與其他氣體混合，特別是在東西（緯圈）方向上，所以這些來自夏威夷的測量結(jié)果通?？梢源肀卑肭虻那闆r。圖1-4莫納羅亞山2019—2021年逐月CO2濃度水平注：數(shù)據(jù)來源同圖1-3。南半球的情況正好與之相反（峰值出現(xiàn)在每年9月），但由于赤道以南的陸地較少，對最終結(jié)果的影響沒有那么大。甲烷(CH4)是第二大溫室氣體，目前大氣中CH4的濃度約為1870ppb（ppb，十億分比），即約1.9ppm，并以每年約8ppb的速度增加（圖1-5）。與CO2相比，CH4濃度如此之低，似乎微不足道，但它相比CO2更能有效地吸收紅外輻射，這些不起眼的CH4貢獻(xiàn)了人為全球變暖的約1/3。其他主要的溫室氣體還包括N2O、O3和氟氯化碳(CFCs)。圖1-51980—2020年全球平均的逐月大氣中的CH4濃度逐日變化注：數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室全球監(jiān)測部門，E.Dlugokencky,NOAA/ESRL,/gmd/ccgg/trends_cH4。水汽也是一種強(qiáng)溫室氣體，大氣中可以容納的水汽與溫度成正比，因此變暖確實(shí)會使得水汽的溫室效應(yīng)更加顯著。但水汽對氣候的影響是復(fù)雜的，因?yàn)楦嗟乃馕吨嗟脑疲绱蠹宜?，云能很好地遮擋太陽，大部分照射到云層上表面的陽光被反射回太空。我們將在后面的章?jié)中看到，受生物過程、火山活動和巖石風(fēng)化等自然過程的影響，過去，溫室氣體濃度水平發(fā)生過很大變化，這些變化對歷史氣候演變發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)然，目前的溫室氣體濃度水平也在發(fā)生顯著變化，造成這一變化的因素則是人類活動，主要包括我們對化石燃料的使用，以及我們富含乳制品和牛肉的飲食結(jié)構(gòu)。太陽輻射照射到地球表面的太陽光的強(qiáng)度被稱為“入射太陽輻射”，地球曾經(jīng)歷過太陽輻射的顯著變化。第二章將介紹太陽輻射的強(qiáng)度是如何隨著地質(zhì)年代緩慢變化的，以及地球系統(tǒng)的適應(yīng)過程；第七章將討論周期從幾年到幾十年不等的太陽黑子的氣候影響。正如我們將在第五章中看到的，太陽輻射的變化不僅僅是太陽釋放了多少能量，在一年中的不同時間，地球表面不同區(qū)域接收到的太陽能量受到地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道形狀和地球軸線傾斜角度的細(xì)微變化的影響，引起的氣候變化大到足以導(dǎo)致冰期循環(huán)。這是因?yàn)榈厍蚰媳本?0°以外是冰川易生成區(qū)，如果太陽輻射減少，冰川就有增長的趨勢。反照率不同表面對光的反射程度不同，通常用反照率來衡量。一般來說，表面的顏色越深，越容易吸收光能，并轉(zhuǎn)化為熱能，就像烈日下赤腳走在深色人行道上的人所感受到的那樣。如圖1-6所示，冰、雪（特別是新雪）和云的反照率最高，照射到這些表面的太陽光有70%～90%被反射回太空，實(shí)際上對地球增溫幾乎沒有任何作用。大多數(shù)巖石和沙土表面的反照率約為30%；森林的反照率為10%～15%；水的反照率在3%～10%之間，但如果太陽在水面正上方，這個值通常更接近3%。照射到這些表面的大部分太陽光都被吸收，并加熱表面。被加熱的表面會發(fā)出紅外輻射，這種輻射與溫室氣體相互作用，使大氣變暖。在討論氣候變化時，反照率只有在發(fā)生變化時才重要。有很多自然方式能使反照率發(fā)生變化，其中一個明顯的方式是冰雪的融化，這將導(dǎo)致反照率降低（因?yàn)楸┞兜谋砻骖伾睿┖驮雠瘽摿ψ兇?。另一個方式是植被的減少，這在大多數(shù)情況下將引起反照率升高（因?yàn)槁懵兜牡孛姹戎脖桓芊瓷涔饩€），進(jìn)而導(dǎo)致降溫（當(dāng)然，這里面還包含了其他因素，比如繁茂的森林可以吸收CO2，這一過程對地球氣候的影響比反照率更重要，但僅從反照率的角度來看，森林的消失會引起氣溫下降）。在第三章中可以看到，大陸漂移使大陸進(jìn)入或離開熱帶地區(qū)，可以改變地球的整體反照率，這是因?yàn)殛懙胤凑章蚀笥诤Ｑ蠓凑章?，這種差異對氣候的影響在熱帶地區(qū)比在高緯度地區(qū)更顯著，而陸地的反照率比海洋更大，換言之，在太陽輻射最強(qiáng)烈的赤道附近，反照率更大。當(dāng)然，這種變化非常緩慢，因?yàn)榇箨懫频乃俣戎挥忻磕陰桌迕?。圖1-6典型地球表面的不同反照率許多人類活動也會引起反照率的變化，例如修建道路、停車場和建筑物，砍伐森林、種植作物，以及人為產(chǎn)生的煙霧使得冰雪被煤煙顆粒覆蓋，從而降低它們的反照率。顆粒物每年我們向大氣中排放數(shù)百萬噸顆粒物，其中大部分是工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)動車排放的煙霧。顆粒物可以阻擋入射的陽光，因而有降溫效果，但它也有變暖效應(yīng)，因?yàn)楦采w在冰雪上的顆粒物會降低反照率。還有許多不同的自然過程產(chǎn)生的大氣微粒，包括大風(fēng)帶來的灰塵、野火產(chǎn)生的煙霧、火山爆發(fā)后的火山灰和硫酸鹽氣溶膠。反饋氣候反饋是指所有可以放大或減弱氣候強(qiáng)迫效應(yīng)的過程。一個簡單的例子是雪的融化，當(dāng)溫度升高使積雪融化時，露出的下墊面（如裸露的地面或植被）使得該位置的反照率下降，從而吸收更多的太陽光，使局部溫度持續(xù)升高，引起更多積雪融化和吸收更多的太陽光……這就是一個正反饋的例子，它將持續(xù)反復(fù)加強(qiáng)，直到該地區(qū)的雪全部融化。當(dāng)大氣中的CO2濃度增加時，植物可以生長得更好，因此它們將吸收更多的CO2并略微降低大氣中的CO2含量，從而抑制最初的升溫效應(yīng)，這是一個負(fù)反饋過程。但如果大氣中CO2含量持續(xù)上升，氣候變暖到現(xiàn)有植被群落無法生存的程度，那么植物所消耗的CO2就會減少，這將是一個正反饋過程（大氣中CO2含量更劇烈地上升）。表1-1重要的氣候反饋機(jī)制在氣候變冷的時期，上述大多數(shù)反饋的影響反過來也是成立的。例如，氣候變冷將引起更多的冰雪積累，提高反照率，導(dǎo)致氣候進(jìn)一步變冷?；蛘?，隨著氣候變冷，海洋溶解更多的CO2，因此溫室效應(yīng)減弱，冷卻增強(qiáng)。令人擔(dān)憂的是，幾乎所有的氣候反饋都是正過程，因此，即使是輕微的增溫也會被放大為劇烈的變暖，反之亦然。事實(shí)上，若非如此，地球歷史上許多劇烈的氣候變化可能永遠(yuǎn)不會發(fā)生。例如，過去100萬年里可能不會發(fā)生多次冰期，或者過去100萬年里一直都是冰期，在這種情況下，現(xiàn)在的我們可能仍然處于冰期中！更加令人擔(dān)憂的是，正反饋過程存在失控的可能性，如第十章所述，正反饋可以導(dǎo)致氣候越過臨界點(diǎn)，進(jìn)入一個我們完全陌生且在人類時間尺度上難以恢復(fù)的狀態(tài)。那將是一個我們都不愿看到的結(jié)果！地質(zhì)年代毫無疑問，地球是古老的，更大的問題是弄清楚它究竟有多“老”。45.7億年是如此漫長，比一個人的壽命，甚至比全人類的歷史都長得多，也許沒人能真正理解如此之長的時間意味著什么。地質(zhì)年代表將地球的歷史可視化，并將過去的事件放入統(tǒng)一的框架之中。圖1-7所示的地質(zhì)年代表展示了一些與地球歷史有關(guān)的重要事件，如最早的魚類、最早的陸棲動物、恐龍的起源和滅絕，以及第一批人類。圖1-7地質(zhì)年代表及地球歷史中的一些重要事件注：數(shù)據(jù)來源修改自國際地層委員會（國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會），K.科恩(Cohen,K.)等人，2013。因?yàn)槲覀兌贾纼纱紊罩g相隔多久，所以我們可以從一年的角度來理解地質(zhì)年代。如果把地球的45.7億年壓縮成1年，那一年中的每小時相當(dāng)于地球50萬年的歷史，每一天相當(dāng)于1250萬年。借助這個類比關(guān)系，我們假設(shè)地球形成于1月1日。2月中旬（大約40億年前）演化出了生命，11月13日左右，蠕蟲、水母和珊瑚的祖先出現(xiàn)，在此之前的所有生命需借助顯微鏡才能看到。植物在11月24日左右遷移到陸地，兩棲動物在12月3日登上陸地。12月的第一周，爬行動物從兩棲動物進(jìn)化而來，12月13日進(jìn)化出恐龍和早期哺乳動物，但在節(jié)禮日（12月26日）之前，存活了1.6億年的恐龍就消失了。一天后出現(xiàn)靈長類動物（12月27日），新年子夜前2分鐘，來自亞洲的人類第一次進(jìn)入西半球。時間是充裕的，這是一件好事，因?yàn)榱钗覀兏信d趣的許多進(jìn)程都非常緩慢。我們經(jīng)常用“冰川速度”來形容緩慢的進(jìn)程，但在地質(zhì)學(xué)家看來，冰川以每年幾米到幾十米的速度移動，實(shí)際上非?？?！地球構(gòu)造板塊以每年幾厘米的速度移動，而變成沉積巖的沉積物通常以每年不到1毫米的速度累積。通常晶體生長的速度更要慢得多，是每百萬年幾毫米。為了更好地理解這一點(diǎn)，以歐洲和北美大陸所在的板塊為例，目前它們正以大約每年2厘米的速度分開，這個距離相當(dāng)于在本頁上“極其緩慢的”這幾個字的寬度。大西洋寬約4500千米，就是以這樣的速度形成的，花了大約2億年。我已經(jīng)厭倦了“百萬年”的表述，所以我們將開始使用一種快捷方式來表示地質(zhì)年代。地質(zhì)學(xué)家用縮寫Ma（兆年）和Ga（吉年）來表示幾百萬年前和數(shù)十億年前發(fā)生的事情，比如，地球起源于45.7億年前，或4570Ma（相當(dāng)于4.57Ga）。注意，我們不必說4570Ma“以前”，因?yàn)樵谶@些縮寫中已經(jīng)隱含了“以前”的意思。這有點(diǎn)像我們使用時間符號，比如“我9：30am有會議”。就像我們不會說“我的會議將持續(xù)2：00pm”一樣，我們也不會說“恐龍存在了149Ma”。你應(yīng)該說“我的會議持續(xù)了2小時”，“恐龍存在了1.49億年（因?yàn)樗鼈兇嬖谟?15Ma到66Ma之間）”。關(guān)于氣候變化的爭論氣候變化懷疑論者大有人在，他們認(rèn)為氣候變化并未發(fā)生，或者（如果發(fā)生的話）并不是由人類活動引起的。這些全面否認(rèn)人為活動引起氣候變化的懷疑論者提出了若干論點(diǎn)來支持他們的觀點(diǎn)。一些機(jī)構(gòu)編制了此類論點(diǎn)的清單。下面僅列舉幾條和本書相關(guān)的觀點(diǎn)：●（氣候變化）是太陽在起作用?！駳夂蛞恢痹谧兓?。●CO2水平太低了，不足以改變什么?！駳夂蚰Ｊ讲徽_或不可靠?！駳夂?qū)W家們還沒有達(dá)成共識。●（氣候變化）和火山爆發(fā)有關(guān)?！瘢夂蜃兓┦且?yàn)槊滋m科維奇旋回?！駳夂蚋苍S是一件好事?！裎覀冋M(jìn)入另一個冰期，全球變暖可以防止冰期的出現(xiàn)。上述觀點(diǎn)中只有一條與本章所述內(nèi)容有關(guān)，值得關(guān)注：“CO2水平太低了，不足以改變什么”。CO2只占大氣的0.04%（或415ppm），因此質(zhì)疑它對氣候變化有如此重大的影響貌似合乎情理。然而，以下證據(jù)可以證明它確實(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵作用：●CO2分子可以吸收地球輻射光譜中的紅外部分，這導(dǎo)致了變暖。●這種吸收得到了衛(wèi)星觀測的證實(shí)，并且正在發(fā)生，因?yàn)樵诳梢员籆O2吸收的特定波長上，來自地球的紅外輻射被損耗了?！耦愃频挠^測顯示這種CO2對紅外光譜的損耗現(xiàn)象在近幾十年間逐漸加強(qiáng)?！裨谶^去的一個世紀(jì)里，CO2濃度的增加和氣候變暖密切相關(guān)，且測量到的CO2水平足以解釋觀測到的氣候變暖量?！裢瑫r期發(fā)生的其他自然或人為變化不足以解釋觀測到的變暖。一些與CO2濃度增加有關(guān)的變暖是反饋的結(jié)果。例如，氣候變暖正在破壞地球溫帶的多年凍土，隨之釋放出CH4和更多的CO2。氣候變暖還導(dǎo)致陸地和海上冰雪的減少，我們所經(jīng)歷的氣候變暖可部分歸因于反照率的降低。圖1-8所示的貼在燈柱上的海報很好地總結(jié)了關(guān)于氣候變化的爭論，因?yàn)槊滋m科維奇旋回?zé)o法解釋過去一個世紀(jì)的變暖。我們將在第五章中介紹米蘭科維奇效應(yīng)，正如你將在那里看到的，在過去幾千年里，米蘭科維奇旋回驅(qū)動氣候一直朝著緩慢冷卻的方向發(fā)展。我們也將在其他章節(jié)討論上面列出的氣候變化懷疑論者的其他一些論點(diǎn)。圖1-8貼在溫哥華街道燈柱上的海報注：海報內(nèi)容為“米蘭科維奇旋回導(dǎo)致氣候變化”，有人在底部用小字補(bǔ)充“……需要幾千年，人類在幾十年就做到了”。艾薩克·厄爾攝于2020年11月。第二章緩慢升溫的太陽在你的一生中可曾見過有什么比太陽的旅程更加美妙每個傍晚輕松悠然地向地平線飄落隱匿于浮云山腳間或微波粼粼的海面然后離開每個清晨從黑暗里再次悠然滑出像一朵鮮紅的花……瑪麗·奧利弗，《太陽》（節(jié)選）在地球上，生命生存需要三要素：清潔的水、新鮮的空氣、從太陽獲得的穩(wěn)定可靠的輻射能量。太陽的演化從人類的生命長度和經(jīng)驗(yàn)來看，太陽毫無疑問是恒定可靠的。雖然太陽輻射存在一些周期為幾十年的微小變化，但這些變化小到需要借助儀器和費(fèi)力的觀測才能監(jiān)測到。然而，如果從更長的時間視角來考慮，例如幾十億年，太陽就不再是永恒的了，它正在緩慢地變熱。本章將講述這一變化及其對地球氣候的影響。根據(jù)過去幾個世紀(jì)的觀察，天文學(xué)家已拼湊出了像太陽這樣的恒星的生命周期，如圖2-1所示。太陽在46億年前開始形成，當(dāng)大量的氣體（主要是氫，但也有一小部分更重的元素）由于自身引力慢慢坍縮，最終氫原子變得足夠致密，開始聚合成氦原子（核聚變），從而發(fā)熱發(fā)光，一顆恒星由此誕生。圖2-1一顆和太陽類似的主序星的生命史周期注：修改自奧利弗·比特森(OliverBeatson)維基百科“太陽的生命周期”。請注意太陽的直徑不是按比例繪制的，到紅巨星階段，太陽的直徑可達(dá)當(dāng)前直徑的200倍，足以吞沒地球。截至目前，這一過程已經(jīng)持續(xù)了45.7億年，現(xiàn)在處于一種大致穩(wěn)定的狀態(tài)。但正如前面所提到的，太陽一直在緩慢變熱，并將持續(xù)下去，這種強(qiáng)度的增加是太陽核心的氫不斷轉(zhuǎn)化為氦的結(jié)果。氦含量的增加使太陽核心區(qū)域密度增大，從而導(dǎo)致核心收縮。而不斷增加的重力壓力迫使氫原子靠得更近，從而加速了聚變的速度，使太陽變得更熱、更亮。太陽還會以這樣的方式變熱約40億年，直到它的內(nèi)核完全被氦占據(jù)，那時它將演化為一顆紅巨星并開始擴(kuò)張，逐漸吞沒水星、金星，甚至地球。到那時，氦會開始聚變成碳，太陽約一半的質(zhì)量將會在一次大爆炸之后消散于太空之中，其余部分將坍縮為一個白矮星。圖2-2顯示了太陽在90億年演化過程中的光度變化。到目前為止，太陽產(chǎn)生的能量在其46億年的歷史中增加了約33%。從地球氣候的角度來看，這是一個巨大的變化，但它發(fā)生在很長的時間里。未來太陽還會變得更熱，再過44億年，它的溫度將是最初的兩倍。先別著急！在有人開始認(rèn)為太陽變暖是當(dāng)前氣候變化的原因，或者認(rèn)為太陽變暖是我們擔(dān)憂遙遠(yuǎn)未來的原因之前，我們需要正確看待這個問題。目前太陽變暖的速度約為每10億年增加8%，也就是每百萬年0.008%或每世紀(jì)0.0000008%。在人類生命的時間尺度上，這是一個非常非常小的變暖量，在過去的一個世紀(jì)里，它都不足以引起人們的注意，甚至還差得很遠(yuǎn)。例如，太陽光度在1920年到2020年間的增加量只能使地球表面的溫度增加約0.0000016℃，其間，地球表面溫度實(shí)際上增加了1℃，很顯然氣候變暖不是太陽的演化造成的。太陽的長期升溫與太陽黑子的短周期無關(guān)，我們將在第七章中討論這個主題。圖2-290億年里太陽光度的變化注：引自國際天文學(xué)聯(lián)合會研討會，《太陽和恒星的變化：對地球和行星的影響》論文集，I.理巴思(Ribas,I.)，2010年，264卷，3-18頁。早期生命和大氣變化地球上最早的生命證據(jù)是在據(jù)今約40億年前的巖石中被發(fā)現(xiàn)的。40億年前，太陽的亮度約為當(dāng)前的80%，如果地球大氣和當(dāng)前類似，這意味著那時的地球是完全冰凍的，即沒有任何液態(tài)水存在。這可能會引起我們的好奇，這樣的環(huán)境下怎么可能演化出生命呢？即所謂的“黯淡太陽悖論”。實(shí)際上，40億年前的地球并沒有被冰封，因?yàn)橼す胖鏁r的大氣和現(xiàn)在完全不同，它更厚，和現(xiàn)在金星的大氣密度類似，且如圖2-3所示，大氣中富含CO2，當(dāng)時的CO2濃度在10%左右，和當(dāng)前0.04%(415ppm)的水平相比，足以在太陽相對黯淡時維持地球表面的溫暖。圖2-3不同地質(zhì)時期地球大氣的演化注：引自E.尼斯比特(Nisbet,E.)，C.福勒(Fowler,C.)，《太古代和早元古代大氣的演化》，《科學(xué)通報》(ChineseScienceBulletin)，2011年，56卷，4-13頁；R.拉奇(Large,R.)等人，《元古代與顯生宙的大氣氧循環(huán)》，《礦床》(MineralDeposita)，2019年，54卷，485-506頁。在富含二氧化碳而沒有氧氣的大氣層之下（圖2-4），地球上的生命可能起源于溫暖的海洋，在靠近滾燙溫泉的海底火山附近，或起源于一個不斷在濕潤和干燥狀態(tài)反復(fù)的淺池里。無論在哪一種情況下，當(dāng)前大氣中的氧氣對那時的微生物來說都是致命的毒氣，就像現(xiàn)在氧氣對一些微生物依然致命一樣，這些微生物廣泛生活在陰暗潮濕的地方，例如我們身體內(nèi)外、房間或周遭沼澤等處。早期的很多生命形式是產(chǎn)甲烷菌，它們生產(chǎn)甲烷，因而隨著生命開始繁榮，大氣中的甲烷含量也在不斷增長，并作為一種強(qiáng)溫室氣體使氣候變暖。圖2-4墨西哥附近東太平洋隆起的海底熱液噴口注：它看起來像一個冒著黑煙的煙囪。約300℃的炙熱液體從海底噴口流出，黑色是冰冷海水的快速冷卻作用下硫化物沉積的結(jié)果。沒有光可以抵達(dá)這一深度，噴口附近的所有生物最終都依賴于被火山活動加熱的水的熱量及其中的化學(xué)物質(zhì)生存。1981年由美國地質(zhì)調(diào)查局的W.R.諾馬克(W.R.Normark)和D.福斯特(D.Foster)攝于北緯21°東太平洋隆起約2000米深處（南下加利福尼亞近海）。大約在35億年前，微生物已經(jīng)發(fā)展出了利用太陽作為能量來源的能力。最早擁有這項(xiàng)技能的是細(xì)菌（可能是藍(lán)藻菌，又名藍(lán)綠藻），相較于當(dāng)時其他的生命形式，它們無須從火山溫泉或化學(xué)來源獲得能量，這使它們擁有了獨(dú)一無二的優(yōu)勢：只要在太陽能照射到的地方，它們就可以生長。光合作用可以吸收二氧化碳釋放氧氣，但產(chǎn)生的游離態(tài)氧首先和鐵、甲烷、腐殖質(zhì)等反應(yīng)而被消耗掉了，因此大氣中的游離態(tài)氧(O2)含量在接下來的十億年里依然很低。游離態(tài)氧最初在約24億年前開始累積，起初的含量非常小。我們這些靠氧氣生存的人可能會認(rèn)為當(dāng)時的絕大多數(shù)生命會對這一變化喜聞樂見，但顯然，并沒有，因?yàn)樗鼈冞€沒有喜怒哀樂，更重要的是，它們?nèi)耘f依賴一個沒有氧氣的生存環(huán)境。我們稱這一轉(zhuǎn)折為“氧氣危機(jī)”，因?yàn)檫@導(dǎo)致了大量生命的滅絕。然而，對于像我們這樣的生命而言，這的確是一個開端，因?yàn)檠鯕馕C(jī)迫使存活下來的生命進(jìn)化出了帶有細(xì)胞核的細(xì)胞，即我們的祖先——真核生物。隨著產(chǎn)生越來越多的氧氣，并不斷與甲烷反應(yīng)，甲烷的濃度下降。由于甲烷是一種強(qiáng)溫室氣體，甲烷減少使氣候急劇變冷，這引發(fā)了從約23億年前開始的大規(guī)模的冰期，即休倫冰期。隨后是一段非常溫暖的時期，之后氣候趨于穩(wěn)定，在接下來的16億年里，地球上沒有冰期存在的證據(jù)。更多相關(guān)內(nèi)容見第三章?？偠灾?，在地球歷史的最初幾十億年里，盡管太陽溫度較低，但地球氣候是相對溫暖的，這是因?yàn)闇厥覛怏w含量比現(xiàn)在高很多。但這里仍有一個問題，生命在液態(tài)水中演化了40億年，這些水恰好沒有徹底冰凍，也沒有沸騰后進(jìn)入太空，地球如何在其整個歷史進(jìn)程中保持一個合理的溫度，這個溫度足夠溫和（雖然也存在一些類似于休倫冰期的起伏），使一些水保持液態(tài)？換言之，隨著太陽變得越來越熱，地球大氣發(fā)生了什么變化，以維持40億年間的“宜居氣候”？蓋亞假說和地球氣候雖然我們還不能完全理解為什么地球在這么長時間內(nèi)都是適合居住的，但一個關(guān)鍵機(jī)制是大氣的演變，而其中一個驅(qū)動因素是光合作用。陸地和海洋中各種大大小小的光合作用生物從大氣中吸收二氧化碳并釋放氧氣，再將碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，并將其儲存在地殼的巖石中。另一個同時進(jìn)行的過程也有類似的結(jié)果，就是將碳從二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物，這也是大多數(shù)有殼生物制造外殼的過程。隨著時間的推移，雖然太陽慢慢變暖，但這兩個過程減弱了溫室效應(yīng)，足以防止地球變得太熱。生命將地球氣候控制在適宜自己生存的狀態(tài)，這是蓋亞假說的基本思想，該假說由詹姆斯·洛夫洛克(JamesLovelock)于1972年首次提出，并在1974年由洛夫洛克和林恩·馬古利斯(LynnMargulis)進(jìn)一步拓展。根據(jù)他們的理論，地球和居住其上的生物形成了一種自我調(diào)節(jié)機(jī)制，不僅確保當(dāng)前狀態(tài)適宜生命存在，而且當(dāng)這個系統(tǒng)的主要能量來源（太陽）的強(qiáng)度發(fā)生緩慢變化時，依舊可以通過自我調(diào)節(jié)達(dá)到這一適宜狀態(tài)。這種自我調(diào)節(jié)是通過一系列生物過程和氣候反饋實(shí)現(xiàn)的（氣候反饋已在第一章討論過）。以下是有關(guān)該機(jī)制運(yùn)作的一個例子。想象在溫暖的氣候中，海洋中生活著大量的細(xì)菌，大部分是“老式”的細(xì)菌，也有一些是新進(jìn)化的細(xì)菌——光合細(xì)菌。光合細(xì)菌可以利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。我們假設(shè)后者適宜在稍微涼爽的環(huán)境中生長，而前者則喜歡溫暖的環(huán)境。隨著時間的推移（很長時間），光合細(xì)菌逐漸消耗了大量的二氧化碳，氣溫略有下降，這對它們當(dāng)然有好處——可以茁壯成長，而“老式”的細(xì)菌則在顫抖和抱怨中死亡。隨著光合細(xì)菌的數(shù)量繼續(xù)增加，氣候變得更冷了，它們因此更加茁壯成長，又過了很久，它們開始主宰細(xì)菌種群，使氣候繼續(xù)變冷。但它們?nèi)绻^于成功，為了自身的利益導(dǎo)致氣候變得太冷，它們自己就將無法繼續(xù)大量繁殖，氣候會因此停止變冷。洛夫洛克的蓋亞假說在早期并沒有被科學(xué)界接受，實(shí)際情況甚至比這更糟：幾乎完全被忽視。其中一個問題是“蓋亞”（希臘神話中的大地女神）一詞的使用，以及洛夫洛克聲稱她是有生命的。1979年，他寫道：“如果蓋亞確實(shí)存在，那么我們可能會發(fā)現(xiàn)自己和其他所有生物一起，都是一個龐大生命的一部分和伙伴，這個生命整體上有能力維持我們的星球，使其成為適合生命的舒適棲息地。”這種說法讓大多數(shù)科學(xué)家感到不適。另一個更加令人擔(dān)憂的問題是，這意味著當(dāng)今的生物能夠自動構(gòu)思出一個使氣候宜居的計劃，并開始付諸行動。生命的某種“目的”根本不是洛夫洛克理論的真正內(nèi)涵，但對許多人來說，其關(guān)于蓋亞的早期論著并沒能清楚地說明這一點(diǎn)。更重要的問題是，蓋亞不是一個真正的科學(xué)理論，因?yàn)樗鼰o法被驗(yàn)證。此外，當(dāng)時許多研究古氣候的科學(xué)家認(rèn)為氣候完全是由物理和化學(xué)過程控制的。1983年，洛夫洛克和安德魯·沃森(AndrewWatson)搭建了一個名為“雛菊世界”的模型來驗(yàn)證蓋亞假說。這個假設(shè)的世界是一顆僅由兩種雛菊（白色雛菊和黑色雛菊）構(gòu)成的類地行星，像地球一樣繞著變暖的恒星旋轉(zhuǎn)。白色雛菊可以反射太陽光，所以整體而言對行星有降溫效應(yīng)，而黑色雛菊吸收太陽光，對行星有增溫效應(yīng)。這顆行星的裸露地表的反照率介于白色和黑色雛菊之間。在這個模型里，雛菊可以在5～40℃之間存活，最佳生長溫度為22.5℃。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在行星歷史的早期，恒星溫度還比較低，“雛菊世界”太寒冷了，以致雛菊根本無法存活。當(dāng)行星的表面溫度逐漸上升至5℃時，雛菊開始生長，黑色雛菊的長勢更好，因?yàn)樗鼈兛梢晕仗柟獠⒓訜峋值丨h(huán)境，而白色雛菊因?yàn)閷Νh(huán)境的冷卻效應(yīng)而長勢不佳（圖2-5）。在這一階段，黑色雛菊統(tǒng)治了世界。隨著恒星逐漸升溫，環(huán)境已經(jīng)無須再次加熱，白色雛菊開始在競爭中占上風(fēng)，并占據(jù)統(tǒng)治地位。最終，恒星變得太熱了，連白色雛菊也不能反射過多的光，當(dāng)行星溫度超過40℃，所有雛菊都走向了死亡。圖2-6展示了“雛菊世界”的溫度變化歷史。當(dāng)溫度達(dá)到5℃，雛菊開始生長，且黑色雛菊很快占據(jù)主導(dǎo)位置。在幾百萬年的時間里，雛菊將溫度穩(wěn)定在22.5℃的理想狀態(tài)。從那時起，白色和黑色雛菊的組合使行星溫度接近理想狀態(tài)，但最終當(dāng)恒星變得太熱，即使100%的白色雛菊也無法調(diào)節(jié)溫度，情況就不妙了。圖2-5“雛菊世界”中黑色和白色雛菊所占表面積的比例與光度的函數(shù)（相對于當(dāng)前1.0光度）注：引自A.沃森(Watson,A.)和J.洛夫洛克(Lovelock,J.)，《全球環(huán)境的生物平衡》，1983年。圖2-6“雛菊世界”年平均溫度隨光度的變化注：點(diǎn)畫線表示行星溫度隨恒星光度增長而增長的過程。引自A.沃森(Watson,A.)和J.洛夫洛克(Lovelock,J.)，《全球環(huán)境的生物平衡》，1983年。雖然“雛菊世界”是一個高度簡化的氣候演化模型，但它表明生物對氣候的控制是可能的，而且不需要有目的或有組織地實(shí)現(xiàn)。在過去的幾十年里，蓋亞假說逐漸被人們所接受，現(xiàn)在這個理論已經(jīng)被廣泛認(rèn)同，并被視作大氣演化和地球45.7億年里氣候保持（相對）穩(wěn)定的可行解釋。如果沒有生命的調(diào)節(jié)，現(xiàn)在地球的表面溫度幾乎不可能與40億年前相同。碳的儲存大多數(shù)情況下，生物控制地球氣候以抵消太陽變暖的作用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)——不是通過黑色和白色雛菊，而是通過改變大氣氣體的比例，或者更具體地說，是通過降低溫室氣體的濃度。這意味著，大氣中曾以二氧化碳和甲烷的形式存在數(shù)萬億噸碳，這些碳大部分最終以石灰?guī)r等形式緩慢、有條不紊、安全地儲存在地殼中（圖2-7），或以碳?xì)浠衔锓肿拥男问絻Υ嬖诿?、石油和天然氣中。圖2-7后衛(wèi)山（左）主要由石灰?guī)r構(gòu)成，就像加拿大的落基山脈一樣。伯利茲露出地面的石灰?guī)r層（右），顯示出巖石的外殼成分石灰?guī)r是由多種海洋生物形成的，包括珊瑚、雙殼類、腹足類、頭足類、海綿類、節(jié)肢動物和藻類。成為化石燃料的有機(jī)物主要來自微生物、綠藻、紅藻，后來又來自原始和進(jìn)化后的高等陸生植物。碳在巖石中的儲存已經(jīng)進(jìn)行了很長時間。最古老的石灰?guī)r形成于35億年前，也存在至少可以追溯到30億年前的富含碳的黑色頁巖。盡管大多數(shù)化石燃料礦床的形成不早于2.5億年前，但有些化石燃料礦床的年齡要比2.5億年長得多，甚至可追溯至寒武紀(jì)（5.4億年以上）之前。也就是說，大多數(shù)真正古老的巖石在地殼里都埋得足夠深，它們含有的所有碳在高溫下都轉(zhuǎn)化成了石墨。儲存在石灰?guī)r和化石燃料中的碳是“安全”的，因?yàn)檫@些巖石大多數(shù)都“安全”地位于地下。每年僅有極少部分的巖石被自然侵蝕，并向大氣釋放碳，而與此同時又有數(shù)量相當(dāng)?shù)奶急粌Υ妫饕诤５?。但問題來了，人類正通過開采并燃燒化石燃料、用石灰?guī)r生產(chǎn)水泥等方式干預(yù)這一自然過程，釋放出大量的碳。我們每年都使用大量的化石燃料（包括煤、石油和天然氣），總量相當(dāng)于800億桶石油，這大致相當(dāng)于1.15億節(jié)鐵路油罐車，或者一列長得足以環(huán)繞地球17圈的油罐列車！平均到每一天，相當(dāng)于319700節(jié)油罐車，足以從多倫多延伸到達(dá)拉斯，或從巴黎延伸到基輔。這是一列2000千米長的列車！煤、石油和天然氣中幾乎所有的碳最終都以二氧化碳的形式進(jìn)入大氣：每天大約有1億噸。這是那些數(shù)千萬年前，甚至數(shù)億年前從大氣中消失，并儲存在巖石中的碳，它們抵消了太陽變暖的影響。我們把碳挖出來或抽出來，再以二氧化碳的形式放回大氣中，嚴(yán)重地?fù)p害了地球調(diào)節(jié)溫度的能力，特別是現(xiàn)在的太陽溫度已經(jīng)要比這些碳最初被儲存時高得多。未來的太陽變暖遙遠(yuǎn)的未來呢？在接下來的幾十億年里，隨著太陽持續(xù)變暖，大氣必須向更弱的溫室效應(yīng)演化。若非如此，屆時地球上的任何生物都將難以生存。但這不是我們需要擔(dān)心的事情，因?yàn)樘柕纳郎剡^程非常緩慢。未來100萬年，太陽升溫引起地球潛在的溫度變化約為0.016℃（如果其他一切因素保持不變）。如果到那時人類還沒有被這個星球淘汰，他們應(yīng)該能夠應(yīng)付這件事。但我們?nèi)绻粤硪环N時間尺度來看，事情就會變得更加困難。對未來15億年的氣候模擬結(jié)果顯示，那時的地球仍可以支持生命的存在（因?yàn)橐琅f有液態(tài)水），但人唯一可以生存的地方只剩下南極。不過，這一未來實(shí)在太過遙遠(yuǎn)，我們甚至無法推測那時地球上的生命是什么樣子。在那之后的某個時刻，地球會變得非常熱，以至水會被蒸發(fā)到太空中，到那時，它將真正不適合已知的生命居住。第三章板塊漂移與大陸碰撞“我第一次有大陸漂移的想法是在1910年，當(dāng)時我正在看世界地圖，發(fā)現(xiàn)大西洋兩側(cè)的海岸線有點(diǎn)吻合。起初，我并沒往大陸漂移方面想，因?yàn)槲矣X得這是不可能的。到了1911年的秋天，我在一份分析報告中偶然了解到古生物學(xué)相關(guān)的證據(jù)，表明在巴西和非洲之間曾經(jīng)存在一座陸橋，那是我第一次聽說這件事。后來，我粗略地查閱了地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)相關(guān)的研究，調(diào)研結(jié)果給我提供了重要的佐證，使我確信大陸漂移設(shè)想的合理性。從此，這一想法即在我腦海里扎根?！薄柛ダ椎隆の焊窦{，1929年1915年，德國氣象學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納第一次提出大陸漂移的概念，1930年，魏格納在格陵蘭島中部從事科學(xué)工作時逝世。但直到1965年左右，都很少有地球科學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威專家對他的這一觀點(diǎn)給予重視。這種漠視，一方面源于權(quán)威專家們的固執(zhí)和排外，另一方面也是因?yàn)槲焊窦{提出的理論太過超前。當(dāng)時人們對地球的了解并不充分，導(dǎo)致包括魏格納在內(nèi)的所有人都無法想象大陸是如何移動的。1915—1965年，隨著人們對地球內(nèi)部過程了解的加深，這種情況才逐漸改變。其間有以下重要發(fā)現(xiàn)：●放射性衰變源源不斷地產(chǎn)熱，導(dǎo)致在地球深處累積了大量的熱能?！駸崃坑傻睾藗鬟f到地幔，使得地幔中堅(jiān)硬的塑性巖石產(chǎn)生緩慢的地幔對流?！竦蒯α魇堑厍虬鍓K上部剛性層（厚約100千米）以及大陸運(yùn)動的驅(qū)動力?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為，地球板塊正以每年數(shù)厘米的速度在地球表面移動。在板塊交界處，有的地方有新洋殼生成，而有的地方則有舊洋殼消亡，這些過程是多數(shù)地震和火山爆發(fā)的始作俑者，也主導(dǎo)了幾乎所有山脈和海盆的形成。這些過程在過去至少10億多年中一直在發(fā)生，在地質(zhì)時期的大部分時間也可能都在發(fā)生。板塊構(gòu)造對地球氣候有著重要影響。隨著地質(zhì)年代的推移，與板塊相關(guān)的過程引發(fā)了一些氣候劇變，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。這些氣候變化的主要原因如下：●陸地的反照率大于海洋，而且這一差異在低緯度地區(qū)的影響更大，因此大陸的運(yùn)動可以通過影響地球反照率來影響氣候?！窕鹕交顒邮前鍓K運(yùn)動過程的產(chǎn)物，會導(dǎo)致地球氣候在短期內(nèi)降溫，以及在長時間尺度上升溫（見第四章）。●板塊構(gòu)造過程形成山脈，與平原相比，山脈更容易遭受侵蝕，侵蝕中的巖石風(fēng)化作用消耗大氣中的二氧化碳，使得大氣降溫（詳見下文）?！窈Ｅ柚貥?gòu)會導(dǎo)致洋流改變，進(jìn)而對地球氣候產(chǎn)生重大影響。行星反照率與大陸漂移正如第一章與第二章中討論過的，陸地的反照率比開闊的水面更大，其中一些地表類型比其他類型的反照率更大。例如，冰雪覆蓋的表面反照率為70%～90%，沒有植被的裸露地表反照率為15%～40%，如果地表變濕，反照率要減小一點(diǎn)。而大部分有植被覆蓋的地表反照率僅為10%～20%，當(dāng)太陽高度角比較高時，開闊的洋面和湖面反照率僅為3%左右。緯度是影響反照率的關(guān)鍵因素。低緯度（赤道）地區(qū)地表差異導(dǎo)致的反照率差異更明顯，因?yàn)樵诘途暥鹊貐^(qū)，全年的太陽輻射強(qiáng)度都很大。而在高緯度地區(qū)，由于太陽一直都比較靠近地平線，因此即使在夏季，太陽輻射強(qiáng)度也不算太高。目前，占地球表面29%的陸地幾乎是沿緯度均勻分布，大約有33%分布在赤道地區(qū)（南北緯30°以內(nèi)），還有38%分布在溫帶地區(qū)（南北緯30°～60°之間），以及29%分布在極地地區(qū)（南北緯60°～90°之間）。距今約7.2億年前，大陸的分布與現(xiàn)在完全不同（圖3-1）。當(dāng)時，大部分的陸地是羅迪尼亞古陸的一部分，有50%在赤道地區(qū)，40%在溫帶地區(qū)，只有10%在極地地區(qū)。赤道地區(qū)對輻射強(qiáng)度較為敏感，由于陸地的反照率大于海洋的反照率（當(dāng)時地表沒有植物，因此地表反照率比現(xiàn)在還要大），而且在低緯度地區(qū)巖石的風(fēng)化作用更強(qiáng)，因此這么高比例的陸地分布在赤道地區(qū)會造成冷卻效應(yīng)（詳見本章后文）。超級大陸集中分布在赤道地區(qū)，造成較高的反照率，是導(dǎo)致第一次成冰紀(jì)形成“冰雪地球”的重要原因。盡管我們不知道早期大陸的具體位置，但目前并沒有證據(jù)表明在成冰紀(jì)之前的20億年及成冰紀(jì)之后，有過大陸在赤道聚集的現(xiàn)象。圖3-1距今約7.2億年前羅迪尼亞古陸可能的緯度分布注：引自P.霍夫曼(Hoffman,P.)等人，《雪球地球氣候動力學(xué)與冷原地質(zhì)—地球生物學(xué)》，《科學(xué)進(jìn)展》第3卷，1—43頁，2017。Http://。在第二章已經(jīng)提過，休倫冰期是地球上第一次大冰期，出現(xiàn)在約23億年前。此后16億年里地球上都沒有出現(xiàn)冰期。直到7.2億年前，地球經(jīng)歷了有史以來強(qiáng)度最大、范圍最廣的冰河時期。當(dāng)時，羅迪尼亞超級大陸位于赤道地區(qū)，其反照率效應(yīng)引起大氣產(chǎn)生小幅度降溫（據(jù)估計約為3℃），這可能進(jìn)一步導(dǎo)致了高海拔和高緯度地區(qū)冰雪不斷地堆積。此外，降溫也有利于海水溶解更多的CO2，從而使CO2被海洋大量吸收。這些正反饋?zhàn)饔檬沟么髿饨禍馗鼊×?，沒過多久，地表就幾乎全部被冰覆蓋了。以上便是著名的斯圖爾特冰期，這次冰期大約持續(xù)了6000萬年。在這段時間里，地球年平均溫度約為-40℃，海洋上覆蓋的冰層厚度在200米以上（包括赤道在內(nèi)）。由于地球表面幾乎沒有液態(tài)水，水循環(huán)基本停滯。對于陸地冰川來說，一方面缺乏降雪補(bǔ)充，另一方面冰川又不斷地因升華過程而損耗，于是一些巖石便裸露出來。與《權(quán)力的游戲》(GameofThrones)中長達(dá)千年的“凜冬”相比，6000萬年已經(jīng)堪稱超級長的“凜冬”，但是考慮到明亮的冰面可以反射大部分入射太陽光，這場冬季也許能持續(xù)更長時間（如數(shù)十億年）。萬幸的是，在那段時間，地球內(nèi)部的熱機(jī)仍在運(yùn)作?；鹕匠掷m(xù)地噴發(fā)，將CO2等氣體帶入大氣層。當(dāng)時沒有開闊水域，風(fēng)化作用也因低溫而減慢（詳見下文），因此火山噴發(fā)的CO2幾乎全部留在了大氣層，CO2濃度逐漸增至13%左右（大約是當(dāng)前二氧化碳濃度的325倍）。溫室效應(yīng)漸漸增強(qiáng)，直至超強(qiáng)的溫室效應(yīng)抵消了明亮冰面的冷卻效應(yīng)，冰川才開始融化。隨著一些陸地冰川的消退和融化，地表反照率降低，CO2和CH4等溫室氣體從凍土中被釋放到大氣層，這些正反饋開始引發(fā)全球變暖。最終，海冰開始融化直至基本消失，這一過程持續(xù)了幾千年。反照率較強(qiáng)的冰雪快速地被反照率弱的開闊水面所替代，在接下來的幾千年甚至幾萬年里，大氣中的CO2濃度至少為數(shù)個百分點(diǎn)（幾萬ppm），強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)使得地球氣候處于“熱室地球”狀態(tài)。大陸碰撞與造山運(yùn)動根據(jù)板塊構(gòu)造學(xué)說，板塊相對運(yùn)動分為三種：(1)彼此遠(yuǎn)離（離散型）；(2)相互靠近（匯聚型）；(3)彼此交錯運(yùn)動（轉(zhuǎn)換型）。在大多數(shù)匯聚型板塊邊界，洋殼會向陸殼或另一洋殼下俯沖（由于構(gòu)成海底的巖石較重，洋殼比陸殼密度大，所以只有洋殼可以俯沖，陸殼不能俯沖）。陸殼向下俯沖的過程，有點(diǎn)像將一個充氣的玩具按壓入湖水或游泳池中。許多大洋板塊中也包含了一些陸殼（如島嶼或大陸），作為一個整體一起移動。大約1億年前，攜帶著印度大陸的板塊開始與南極板塊分離，并向北移向亞洲大陸（圖3-2）。由于大陸板塊受到侵蝕，在大陸板塊周圍的海底聚集著大量沉積物和沉積巖。距今5500萬—4500萬年間，印度板塊的大陸部分與亞洲大陸相接，前者沒有向下俯沖，印度板塊北部（構(gòu)成現(xiàn)在印度北部與南亞）與兩個大陸板塊之間的沉積巖受到擠壓、折疊、斷裂和抬升，形成了目前地球上海拔最高、延伸范圍最廣的山脈——喜馬拉雅山脈（圖3-3）。這一抬升過程持續(xù)了幾千萬年。實(shí)際上，印度—澳大利亞板塊仍在向北移動，且仍在抬升喜馬拉雅山脈，世界最高峰——珠穆朗瑪峰也正以每年幾厘米的速度升高。因此，如果你畢生的夢想就是攀登珠穆朗瑪峰，最好還是早點(diǎn)行動。圖3-2大約6000萬年前，大洋板塊攜帶著印度大陸向北俯沖向亞洲大陸圖3-3大約從5000萬年前開始，印度大陸與亞洲大陸相撞形成了喜馬拉雅山脈喜馬拉雅山脈形成的地質(zhì)時期很近，但它并不是這一時期形成的唯一重要的山脈。除此之外，還有扎格羅斯山脈，鄰近伊朗、伊拉克和土耳其的山脈，以及位于歐洲的阿爾卑斯山脈。這些山脈大多形成于距今6500萬—4000萬年前，均是大陸碰撞的產(chǎn)物。山區(qū)的侵蝕速度比平原地區(qū)快很多（圖3-4）。喜馬拉雅山脈綿延2400千米，從緬甸到巴基斯坦，再向北延伸至中國南部，其侵蝕速度比地球上任何區(qū)域都要快，而且已經(jīng)持續(xù)了近5000萬年。與侵蝕有關(guān)的過程之一是巖石的化學(xué)風(fēng)化作用。這一作用有多種形式，其中硅酸鹽礦物的水解引人關(guān)注，當(dāng)長石等硅酸鹽礦物水解時會形成黏土礦物，并由此消耗大氣中的CO2。圖3-4尼泊爾喜馬拉雅安納普爾納地區(qū)地形崎嶇，這里的低坡上堆積著厚厚的松散的巖石，表明此地有明顯的快速侵蝕過程（艾薩克·厄爾攝）圖3-5展示了新生代造山運(yùn)動與全球氣溫之間的關(guān)系。在中生代(261Ma—66Ma)，氣溫一直很高，并持續(xù)到了新生代早期。但從大約5000萬年前起，氣候開始變冷，全球氣溫累計下降了約14℃。這種長期的氣溫下降與大氣中CO2濃度的變化密切相關(guān)，溫度與CO2濃度的變化大多可歸因于喜馬拉雅等山脈風(fēng)化作用的增強(qiáng)。簡言之，板塊構(gòu)造運(yùn)動可引發(fā)全球氣候變化。圖3-5過去6600萬年的全球溫度（左側(cè)刻度）和大氣CO2濃度（右側(cè)刻度）的時間序列，以及山脈形成、洋流變化和冰期演化的時間標(biāo)注注：引自詹姆斯·漢森(JamesHansen)等人的研究資料，由魯特·勞特利奇(RootRoutledge)編撰。詳見/Climate/DeepTime.html。板塊構(gòu)造與洋流變化板塊構(gòu)造也能以一些其他的方式影響氣候變化。例如，板塊的移動可以改變海盆特征，進(jìn)而影響洋流和氣候。大約4000萬年前，南美洲南部與南極洲之間水流較淺，因此可以說是連在一起的。在距今4100萬—3400萬年前，二者之間的德雷克海峽因板塊運(yùn)動變得更寬、更深，也是從那時起，強(qiáng)勁的南極繞極流開始由西向東繞南極流動（圖3-6）。圖3-6南極繞極流的大致路徑這一洋流將南極洲與南太平洋、大西洋和印度洋等相對較暖的洋流隔絕開來，使南極洲無法接觸到溫暖的海水，從而在其南部形成冰蓋，并由大概3500萬年前延續(xù)至今（冰期在25Ma—15Ma之間可能有中斷）（圖3-5）。在大約1億—1000萬年前，南、北美洲之間被寬達(dá)數(shù)百千米的水道隔離，太平洋與大西洋之間的海水可以自由流通。但當(dāng)時洋殼在今天的中美洲底部俯沖，方式與圖3-2中印度大陸與亞洲大陸之間相似，該過程導(dǎo)致在俯沖板塊上形成巖漿（不是因?yàn)楦_板塊被融化，而是因?yàn)樗尫诺乃c上面炎熱的地幔巖石相混合，導(dǎo)致巖石融化，這在火山學(xué)中被稱作滲濾熔融。這造成了數(shù)百萬年的火山活動，并在如今的中美洲形成了一系列火山島嶼（圖3-7）。最終，大約1000萬年前，這些火山島嶼合并成地峽，為陸地動物在南、北美洲之間通行開辟了道路，卻封鎖了中美洲的海路。圖3-7巴拿馬地峽發(fā)展的初始階段示意圖注：大約1500萬年前，納斯卡板塊在南、北美洲下方俯沖（沿鋸齒狀線條），與此同時，加勒比板塊從不同的方向在巴拿馬下方俯沖。白色三角表示火山的可能位置。虛線表示地峽下一步可能的構(gòu)造。引自S.利昂(León,S.)等人，《從碰撞到俯沖的過渡狀態(tài)——以新三紀(jì)巴拿馬—納斯卡—南美洲的相互作用為例研究》，《構(gòu)造學(xué)》，第37卷，119—139頁，2018。這種變化使墨西哥灣流（以及整個大西洋環(huán)流系統(tǒng)）更加強(qiáng)勁，暖水向北流動給北大西洋帶來了更多的熱量和水汽。諷刺的是，額外的熱量和水汽使冰島、格陵蘭島、北美北部和北歐降雪量增加，反照率升高，最終引發(fā)了更新世冰期。自250萬年前以來，北半球多次進(jìn)入冰期，其周期具有明顯的規(guī)律性。第六章將對冰期周期性出現(xiàn)的原因進(jìn)行討論。小結(jié)在第二章中討論了歷史上的太陽演化過程（目前仍在演化），其時間尺度為數(shù)十億年。相比較而言，與板塊構(gòu)造相關(guān)的各種氣候變化過程的速度更快——時間尺度為數(shù)億年、數(shù)千萬年以及數(shù)百萬年。在數(shù)億年的時間尺度上，羅迪尼亞超級大陸形成并向赤道地區(qū)移動，導(dǎo)致地球氣候變冷。喜馬拉雅山脈的形成經(jīng)歷了數(shù)千萬年，伴隨的持續(xù)侵蝕作用使地球大幅度冷卻。在過去的數(shù)百萬到數(shù)千萬年時間里，南極繞極流的形成和巴拿馬地峽的變化，使南極洲和北半球先后進(jìn)入冰期。這些板塊構(gòu)造過程對氣候的直接影響是不易察覺的，而且這些過程本身并不足以引起成冰紀(jì)及新生代冰期這樣劇烈的氣候變化。在以上所有案例中，板塊構(gòu)造驅(qū)動的溫和變化被各種正反饋機(jī)制放大，最終導(dǎo)致全球平均溫度少則幾攝氏度多則幾十?dāng)z氏度的變化。目前人類活動已經(jīng)造成超過1℃的增溫，當(dāng)你看到這一數(shù)字時，請知悉，這只是開胃小菜，后續(xù)氣候反饋所帶來的影響才是重頭戲。第四章火山噴發(fā)導(dǎo)致的降溫與增暖我該如何形容那年的果實(shí)呢？那一年天氣極為異常，甚至連一絲溫暖的陽光都無法抵達(dá)地面。果實(shí)幾乎都無法成熟，當(dāng)然了，前提是有“果實(shí)”可言。夏季陰云密布，鋪滿整個天空。身處其中時，人們常常有置身秋季的錯覺。厚厚的云層阻擋著暖陽，草料曬不到太陽，被大雨反復(fù)澆濕，一直干不了?！Ｋ沟睦飶佤斔?Richerus)，1267年里徹魯斯是一名本篤會修道士，上文他描述的可怕情形源于他的親身經(jīng)歷。那是1258年的夏天，他生活在巴黎東南部一個叫作桑斯的村莊里。那一年，除了巴黎，歐洲各地也都記錄了這種混亂氣候。盡管世界上其他地區(qū)對此記錄較少，但大多也發(fā)生了類似情形。1258年（持續(xù)到1259年）的整個夏天，天氣又濕又冷，饑荒橫行，疾病肆虐。里徹魯斯可能并未想到，這種惡劣的天氣竟與火山噴發(fā)有關(guān)，也就更加聯(lián)想不到是2240里格以外的火山噴發(fā)了。看起來他受到的影響并不算嚴(yán)重，但是對于那些缺衣少穿、食不果腹的人來說，死亡近在咫尺。本章將講述火山噴發(fā)的原因、不同的噴發(fā)方式和規(guī)模，并解釋為什么需要關(guān)注火山噴發(fā)的方式和規(guī)模。正如1258年和1259年所發(fā)生的情形，火山噴發(fā)不僅可以在較短時間尺度上影響地球氣候，其影響還可能更深遠(yuǎn)?；鹕絿姲l(fā)地球堪稱一顆火山星球，這是因?yàn)榈睾撕偷蒯Ｉ形蠢鋮s，而且地幔中還有對流發(fā)生。我們有理由相信，遠(yuǎn)古時期（數(shù)十億年前，而不是數(shù)百萬年前）地球上的火山要比現(xiàn)在更活躍，在很多情況下，噴出的巖漿的溫度要比現(xiàn)在還高?，F(xiàn)在金星上也依然有活躍的火山活動，或許比地球上的火山活動還要多。火星和月球上已沒有火山活動，這是因?yàn)樗鼈凅w積較小，內(nèi)核已經(jīng)冷卻下來，火山活動不再活躍。地球上的火山活動發(fā)生在幾種不同的地質(zhì)環(huán)境下，其中大多數(shù)都直接或間接地與板塊構(gòu)造有關(guān)（圖4-1）。在深入討論該問題之前，我們需要先大致了解一下地球上與板塊構(gòu)造和火山活動有關(guān)的部分。圖4-1在板塊構(gòu)造的框架下，火山活動的重要環(huán)境狀況注：該圖為橫截面圖，自上而下為地殼和地幔上部，深度約為400千米。地球的最上層是地殼，由脆性巖石構(gòu)成。在大陸上，地殼厚度為30～40千米，而在海底，則只有5～6千米。構(gòu)成陸殼的巖石顏色相對較淺，密度較小，整體成分與花崗巖相似。這種巖石含有大量的長石類礦物和石英（二氧化硅），因此也被稱為長英質(zhì)巖石。構(gòu)成洋殼的巖石顏色相對較深，密度較大，整體成分與玄武巖相似，由于這種巖石含有大量的鎂和鐵，因此也被稱為鎂鐵質(zhì)巖石。地殼和洋殼都漂浮在地幔上，構(gòu)成陸殼的長英質(zhì)巖石密度小于構(gòu)成洋殼的鎂鐵質(zhì)巖石，導(dǎo)致大陸比海底稍高，這也是海洋得以形成的原因。地幔上部由剛性巖石構(gòu)成，因此也被稱為巖石圈地?；蝾悗r石地幔，它與地殼共同構(gòu)成了巖石圈。巖石圈的厚度約為100千米，是構(gòu)造板塊的主體。再往下的地幔層溫度接近熔點(diǎn)，因此被稱為軟流層。地幔其余部分一直向下延伸至深為2900千米的地核邊界，該部分為堅(jiān)硬的塑性巖石，可以通過對流活動將熱量由地核傳遞至軟流層，但速度很慢（每年僅有幾厘米）。地幔柱由熱的地幔巖石構(gòu)成，而不是巖漿。它從地幔與地核的邊界附近開始上升，其速度比地幔對流快10倍?？瓷先サ蒯Ｖ⒉粫艿降蒯α鞯挠绊?，而且它們傾向于在一個地方停留數(shù)千萬年。驅(qū)動火山噴發(fā)巖漿的條件通常有A、B和C三種類型（圖4-1）。A類型位于軟流層內(nèi)，在俯沖的洋殼體上方不遠(yuǎn)處。洋殼的裂縫和孔隙中有水，因此它本身就是濕的，同時它還包含水合礦物。當(dāng)這種地殼被迫俯沖進(jìn)很熱的地幔中而升溫時，水合礦物失去水分，同時裂縫和孔隙中的水會上升至軟流層，成為一種降低該處巖石熔點(diǎn)的溶劑，這便是滲濾熔融作用。這使得部分已經(jīng)很熱的地幔巖石被熔融，從而產(chǎn)生巖漿。巖漿向地表上升，形成了俯沖火山。位于華盛頓州的圣海倫斯火山就是一座典型的俯沖火山。B類型位于擴(kuò)張中的洋中脊。來自深處的熾熱地幔巖石被地幔對流緩慢地帶到地表，由此產(chǎn)生的壓力下降導(dǎo)致該巖石部分被熔融，這便是所謂的減壓熔融。該過程產(chǎn)生的鎂鐵質(zhì)巖漿（富含鎂和鐵）從板塊離散的裂縫中上升到海底，并形成由玄武巖構(gòu)成的新洋殼。在大西洋中部及其他許多地區(qū)，這一過程一直都有發(fā)生。C類型發(fā)生在地幔柱上。隨著地幔柱中的巖石不斷向地表上升，也會發(fā)生減壓熔融，并形成鎂鐵質(zhì)巖漿。起初會在海底形成玄武巖，但如果這一過程持續(xù)時間足夠長，便會形成海島。夏威夷群島上的基拉韋厄火山就是一座典型的地幔柱火山。形成于擴(kuò)張中的洋中脊以及地幔柱（類型B和C）的巖漿，起初與玄武巖一樣，均由鎂鐵質(zhì)成分構(gòu)成，由于缺乏改變的條件，便會一直保持這種狀態(tài)。與之相反，形成于俯沖帶（類型A）的巖漿則不同，雖然起初也由鎂鐵質(zhì)成分構(gòu)成，但是由于它在地殼中穿過了較長的路徑，且常常被儲存在地殼的巖漿房中，因此它很有可能在沿途發(fā)生變化（圖4-2）。首先，巖漿的熱量導(dǎo)致其周圍部分地殼巖石被熔化，一些二氧化硅熔化進(jìn)巖漿，使得巖漿里鎂鐵質(zhì)成分減少，長英質(zhì)增多。其次，巖漿房中有可能形成富含鐵和鎂而缺乏二氧化硅的晶體礦物質(zhì)。當(dāng)這些晶體沉降在巖漿房底部，便會形成巖漿房分層現(xiàn)象。由于巖漿房底部溫度較高，這些晶體會重新熔化，從而使上部的巖漿更加富含長英質(zhì)礦物，底部的巖漿更加富含鎂鐵質(zhì)成分。圖4-2俯沖帶火山噴發(fā)的環(huán)境注：插圖展示了巖漿中二氧化硅增加的過程。重要的是，相比在擴(kuò)張中的洋中脊或地幔柱噴發(fā)的鎂鐵質(zhì)巖漿，俯沖火山所噴發(fā)的偏長英質(zhì)巖漿通常更為黏稠（流動性較差）。較大的黏度導(dǎo)致俯沖火山噴發(fā)頻率較低，但噴發(fā)時更具爆發(fā)性，能夠?qū)⒋罅康幕鹕交液蜌怏w送入高層大氣?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)物火山噴發(fā)的產(chǎn)物包括流動的熔巖（巖漿）、火山灰（微小的玻質(zhì)碎片）、巖屑（統(tǒng)稱火山碎屑）和氣體。不同類型的火山噴發(fā)，各產(chǎn)物所占的比例差異較大。一次爆發(fā)式火山噴發(fā)（通常位于俯沖帶，尤其是巖漿由長英質(zhì)礦物構(gòu)成）會釋放大量的火山灰，而且，如果噴發(fā)規(guī)模較大，這些火山灰會被送入平流層。1980年圣海倫斯火山的噴發(fā)較為溫和，但規(guī)模較大。在其噴發(fā)期間，火山灰柱伸展高度為24千米（圖4-3），然而其間并沒有熔巖流出。圖4-31980年5月18日圣海倫斯火山噴發(fā)形成的火山灰柱（部分）噴發(fā)的巖漿如果含有鎂鐵質(zhì)成分，流動性會比較好，很可能以相對溫和的方式從火山口流出來，形成熔巖。這種噴發(fā)方式基本不會噴出火山灰，被稱為溢流式火山噴發(fā)?；鹕交翌w粒很小，但也沒小到可以長久地停留在空中。較大的顆粒會在數(shù)小時到數(shù)天內(nèi)降落，較小的顆粒會在數(shù)天到數(shù)周內(nèi)降落。所以，盡管由火山灰構(gòu)成的厚云會在一段時間內(nèi)遮蔽陽光，并產(chǎn)生降溫效應(yīng)，但它持續(xù)的時間還沒有長到可以影響地球氣候。而且，如果火山灰沉降在冰雪表面，會降低反照率，產(chǎn)生增溫效應(yīng)，從而抵消部分降溫效應(yīng)。但是，火山噴發(fā)的氣體確實(shí)會產(chǎn)生顯著的氣候影響。無論是爆發(fā)式噴發(fā)、溢流式噴發(fā)，抑或兩種方式相結(jié)合的火山噴發(fā)，均會將大量的氣體釋放進(jìn)大氣層?；鹕綒怏w中最為充足的是水汽，但火山噴發(fā)釋放出的水汽與大氣中已經(jīng)存在的水汽相比，體量很小，所以并不具備影響氣候的能力。對于氣候變化而言，二氧化碳與二氧化硫才是最重要的火山氣體。二氧化碳是一種溫室氣體，所以火山活動自然會導(dǎo)致全球變暖。二氧化硫也是一種溫室氣體，可以吸收紅外輻射，但因?yàn)樵诖髿庵型Ａ魰r間較短，所以它最主要的作用并不是產(chǎn)生溫室效應(yīng)。火山噴發(fā)后數(shù)小時到數(shù)天內(nèi)，二氧化硫可與水汽結(jié)合產(chǎn)生硫酸液滴，或與鈣、氧結(jié)合形成微小的硫酸鈣晶體，這些微小顆粒物被稱為硫酸鹽氣溶膠。這些氣溶膠顆粒體積非常小，可以在大氣中持續(xù)幾個月，甚至幾年的時間。正如里徹魯斯所觀察到的那樣，火山噴發(fā)產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠遮蔽陽光，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的降溫效應(yīng)。為了理解火山氣體的重要性，我們需要將一次典型的火山噴發(fā)釋放的氣體量與大氣中存在的氣體量進(jìn)行比較（表4-1）。以1991年皮納圖博火山的噴發(fā)為例，不難看出，一場中等規(guī)模的大型火山噴發(fā)所釋放的水汽與大氣中已經(jīng)存在的水汽量相比是微不足道的。另外，值得注意的是，水汽在大氣中的生命史較短（大概9天），所以皮納圖博火山向大氣排放的4億噸水汽在1到2周的時間內(nèi)，便會降落成雨，也就不會造成任何氣候影響。表4-1目前大氣中部分火山氣體的儲量，以及一次典型的大型火山噴發(fā)所釋放的量注：H2O和CO2的總量值是通過它們在大氣中的濃度進(jìn)行推算。SO4和SO2的儲量來自P.曼特羅(Manktelow,P.)等人，《自20世紀(jì)80年代開始硫酸鹽的區(qū)域性和全球性趨勢》，《地球物理研究通訊》，第34卷，L14803，2007年。1991年皮納圖博火山噴發(fā)的數(shù)據(jù)來自塞爾夫(S.Self)等人，《1991年皮納圖博火山噴發(fā)的大氣影響》，1997年，/pinatubo/prelim.html?；鹕絿姲l(fā)所釋放的二氧化碳與大氣中二氧化碳的總量相比也是非常小的，但是二氧化碳可以在大氣中滯留很長時間（數(shù)百到數(shù)千年）。所以對于一次偏強(qiáng)的火山活動來說，如果能持續(xù)噴發(fā)幾個世紀(jì)甚至更長時間，則有可能導(dǎo)致大氣增溫。另外，火山噴發(fā)的硫是大氣中已有硫總量的10倍（表4-1）。這便解釋了為什么一次大型的火山噴發(fā)活動可以產(chǎn)生急劇且顯著的氣候效應(yīng)（冷卻效應(yīng)，原因是硫酸鹽氣溶膠阻擋了入射的太陽光）。正如前文提到的，在大多數(shù)情況下，硫酸鹽氣溶膠在大氣中停留的時間最長也不過幾年，所以這一氣候效應(yīng)往往是非常短暫的。歷史上火山噴發(fā)的氣候效應(yīng)這一部分將會描述一些造成了明顯氣候影響的著名火山活動。在各個案例中，將會給出巖漿噴發(fā)量的估計值，包括流動的熔巖和火山碎屑（火山灰和浮石）的總量。以著名的1980年圣海倫斯火山噴發(fā)為例，這座火山位于華盛頓州，噴發(fā)活動持續(xù)了9小時。其間，約0.21立方千米的火山灰被噴射到對流層上層和平流層下層。基拉韋厄火山，夏威夷位于夏威夷的基拉韋厄火山是一座地幔柱火山，盡管該地幔柱已有8000萬年的歷史，但基拉韋厄火山在30萬年前才開始噴發(fā)。在這30萬年間的大部分時間里，基拉韋厄火山一直都很活躍。歷史上，基拉韋厄火山噴發(fā)的時間多于平靜的時間。最近一個噴發(fā)周期開始于1983年，延續(xù)至2018年，中間幾乎沒有中斷。在這35年里，它噴發(fā)的巖漿接近4.4立方千米，絕大部分是熔巖，只在早期噴發(fā)了少量火山灰。沒有證據(jù)表明基拉韋厄火山最近一個噴發(fā)周期對全球氣候產(chǎn)生了可衡量的影響。在這35年里，巖漿平均的噴出量非常低（約為0.01立方千米/月），盡管噴發(fā)了不少氣體（圖4-4），但整體來說并不足以對大氣造成顯著影響。圖4-4位于基拉韋厄火山底部的氣體監(jiān)測器注：白霧是火山噴出的水汽，同時伴有濃烈的二氧化硫氣味。皮納圖博火山，菲律賓正如表4-1所列，1991年6月，菲律賓呂宋島上的皮納圖博火山噴發(fā)，使大氣中硫酸鹽的含量顯著增加。與1984年圣海倫斯火山噴發(fā)一樣，皮納圖博火山這次噴發(fā)也持續(xù)了大約9小時。但在這9小時里，皮納圖博火山噴發(fā)的火山灰達(dá)到了5立方千米，是圣海倫斯火山噴發(fā)量的25倍。相應(yīng)地，皮納圖博火山釋放的氣體量也更多。圖4-51960—2020年，火山噴發(fā)的大氣輻射效應(yīng)注：大氣中硫酸鹽氣溶膠含量與主要的火山噴發(fā)活動有關(guān)，數(shù)據(jù)基于太陽輻射的減弱變化。圖中的小圖更為詳細(xì)地展示了與1991年皮納圖博火山噴發(fā)有關(guān)的輻射減弱事件。相關(guān)數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室全球監(jiān)測部門，/gmd/grad/mloapt.html。圖4-5展示了從1960—2020年火山噴發(fā)的大氣輻射效應(yīng)。圖中曲線表示太陽輻射被大氣阻擋的程度，太陽光線變暗與幾次火山噴發(fā)所釋放的硫酸鹽氣溶膠有關(guān)。1963—1964年，印度尼西亞巴厘島的阿貢火山在15個月里多次噴發(fā)，造成了明顯的入射太陽輻射減弱。1982年，位于墨西哥南部恰帕斯州的埃爾奇瓊火山噴發(fā)了超過2立方千米的火山灰，1991年皮納圖博火山爆發(fā)，均造成了顯著的入射太陽輻射減弱。值得注意的是，圖4-5中1980年的圣海倫斯火山噴發(fā)造成的影響并不明顯。盡管埃爾奇瓊火山噴發(fā)造成的入射太陽輻射減弱更嚴(yán)重，但皮納圖博火山噴發(fā)造成的入射太陽輻射減弱持續(xù)時間更長，大約維持了兩年，18個月后才有所緩解（見圖4-5中的小圖），這種入射太陽輻射減少致使全球溫度最多降低了約0.5℃，導(dǎo)致1991—1993年間出現(xiàn)明顯的降溫。拉基火山，冰島冰島的火山活動同時與大西洋中部的離散板塊邊界和地幔柱有關(guān)。冰島本身就是火山活動的產(chǎn)物，不過這里的火山巖漿由鎂鐵質(zhì)成分構(gòu)成，火山噴發(fā)形式為溢流式（熔巖流動）噴發(fā)。相比爆發(fā)式噴發(fā)，這種噴發(fā)方式危險較小。拉基火山位于冰島中南部，是冰島歷史上噴發(fā)規(guī)模最大的火山。它從1783年6月開始噴發(fā)，一直持續(xù)到了1784年2月。在8個月的時間里，拉基火山總共噴發(fā)了14立方千米的熔巖，其流量大約是基拉韋厄火山從1983年到2018年間噴發(fā)量的175倍。拉基火山的噴發(fā)形式主要為溢流式噴發(fā)，但其間也頻繁地發(fā)生爆發(fā)式噴發(fā)，尤其是在最初幾個月。拉基火山所釋放的二氧化硫的量比1991年皮納圖博火山噴發(fā)多了大概6倍，部分原因是噴發(fā)量較大，但主要原因還是鎂鐵質(zhì)巖漿的硫含量高于長英質(zhì)巖漿。大部分的硫（約80%）來源于爆發(fā)式噴發(fā)。拉基火山噴發(fā)對冰島造成了災(zāi)難性的影響。硫酸鹽氣溶膠帶來了強(qiáng)烈的降溫效應(yīng)，更嚴(yán)重的是，大量氫氟酸隨著其他氣體一起被釋放到大氣中，并擴(kuò)散到了冰島各地。約60%的家畜因攝入氫氟酸致死。大約9000名冰島人死于由此及其他一些原因引發(fā)的饑荒，占總?cè)丝诘?0%。拉基火山噴發(fā)對冰島以外的北半球大部分地區(qū)亦有顯著的氣候影響。如圖4-6所示，在亞洲和北美洲，有些地區(qū)降溫達(dá)到了1℃以上，且持續(xù)時間長達(dá)2年，也有一些地區(qū)降溫幅度至少為0.5℃，并持續(xù)近4年時間。據(jù)報道，密西西比河位于新奧爾良的河段均發(fā)生了結(jié)冰。降溫改變了季風(fēng)環(huán)流，并造成了非洲和亞洲許多地區(qū)的干旱和饑荒。歐洲的饑荒則有可能是1789年法國大革命爆發(fā)的因素之一。圖4-61768—1798年歐洲和北美地區(qū)的年平均溫度相比正常值的偏離狀況薩馬拉斯火山，印度尼西亞印度尼西亞的薩馬拉斯火山與板塊的俯沖作用有關(guān)。因此，火山的巖漿通常是長英質(zhì)的，而且一般是爆發(fā)式噴發(fā)?？梢源_定的是，薩馬拉斯火山在1257年的噴發(fā)就有這種特點(diǎn)，這次噴發(fā)活動是公元紀(jì)年以來噴發(fā)火山氣體最多的一次。據(jù)估計，這次火山活動大約噴發(fā)和釋放了10立方千米的巖漿和1.6億噸的二氧化硫（相比之下，拉基火山釋放了約1.2億噸，皮納圖博火山釋放了0.2億噸）。影響短期氣候的一個關(guān)鍵因素是火山持續(xù)釋放氣體的時間。薩馬拉斯火山可能只釋放了大約一天的時間，而拉基火山則持續(xù)釋放了幾個月。正如我們從里徹魯斯的描述中了解到的，北半球在1258年以及之后的幾年里出現(xiàn)了強(qiáng)烈的降溫，但我們沒有太多當(dāng)時世界其他地區(qū)的信息，也沒有足夠多的全球溫度數(shù)據(jù)，因此無法評估薩馬拉斯火山噴發(fā)對全球氣候的影響。多巴火山，印度尼西亞盡管在過去的幾萬年中發(fā)生過多次大型火山噴發(fā)，但有關(guān)1257年之前的歷史記錄是非常缺乏或極其稀少的。對于大多數(shù)較久遠(yuǎn)的火山噴發(fā)，我們必須依靠地質(zhì)、考古和古生物記錄，而這些記錄往往不像基于直接觀察的書面記錄那么明確直觀。多巴火山是一座死火山，位于印度尼西亞的蘇門答臘島，與2004年12月發(fā)生的那次毀滅性地震和海嘯處于同一俯沖帶上。有地質(zhì)證據(jù)明確表明，大約7.4萬年前，多巴火山發(fā)生了一次大規(guī)模噴發(fā)。這些證據(jù)包括一個巨大的火山口（圖4-7）以及遍布南亞大部分地區(qū)的火山灰層，這些火山灰層面積廣闊，而且非常厚。多巴火山噴出了巨量的物質(zhì)，達(dá)3000立方千米左右（約為薩馬拉斯火山噴發(fā)量的300倍）；釋放了約60億噸的二氧化硫（約為薩馬拉斯火山釋放量的50倍）。圖4-7印度尼西亞蘇門答臘島的多巴湖位于一個長約90千米、寬約40千米的火山口內(nèi)注：來源于美國國家航空航天局(NASA)，公共版權(quán)圖片。毫無疑問，多巴火山爆發(fā)對氣候產(chǎn)生了重大影響，但是想要確定這種影響具體有多大卻沒那么容易。有項(xiàng)研究分析了格陵蘭島和南極洲不同地點(diǎn)的冰芯，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽氣溶膠濃度普遍升高，至少維持了10年，而且基于同位素證據(jù)，也表明多巴火山的噴發(fā)曾造成溫度下降?；诙喟突鹕絿姲l(fā)所排放的二氧化硫的量，對其氣候效應(yīng)進(jìn)行氣候模擬分析，結(jié)果如圖4-8所示。據(jù)估計，火山噴發(fā)后不久，全球降溫超過10℃。噴發(fā)后4年內(nèi)，全球溫度比正常值低4℃；約10年內(nèi)，比正常值低2℃。全球溫度比正常值低1℃的情況持續(xù)了大概30年。但是在該模擬和前面提到的冰芯記錄中，并沒有證據(jù)表明多巴火山噴發(fā)將地球帶入了冰期。圖4-8模擬的7.4萬年前多巴火山爆發(fā)對全球氣溫的影響注：引自羅伯克(Robock)等人：《7.4萬年前多巴火山爆發(fā)是否引起廣泛的冰川作用？》，《地球物理學(xué)研究》，2009，第114卷第10期：10107。有一個與多巴火山噴發(fā)相關(guān)的理論，該理論認(rèn)為多巴火山的噴發(fā)對早期的人類種群構(gòu)成了巨大威脅，致使智人瀕臨滅絕。盡管這個理論很有趣，但目前并沒有證據(jù)表明當(dāng)時的降溫導(dǎo)致了人口大幅度下降。黃石火山，美國懷俄明州長期以來，美國黃石公園地區(qū)的火山活動一直被認(rèn)為是地幔柱的產(chǎn)物。該地幔柱曾位于俄勒岡州南部，后來移動到了愛達(dá)荷州南部，現(xiàn)在位于懷俄明州西北部。有假設(shè)認(rèn)為并不是因?yàn)榈蒯Ｖl(fā)生了移動，而是地幔柱之上的北美板塊在緩慢地向西南方向漂移。關(guān)于這一假設(shè)，目前還存在一些疑問，我們在這里暫不討論。即使黃石公園的火山活動來源于地幔柱，這一過程與夏威夷、冰島或加拉帕戈斯等地的地幔柱火山噴發(fā)也有所不同。原因在于夏威夷等地火山噴發(fā)的一直是鎂鐵質(zhì)巖漿，而黃石公園火山噴發(fā)的巖漿通常是長英質(zhì)的，而且大多為爆發(fā)式噴發(fā)。幾乎可以確定的是，黃石公園火山的巖漿在一開始是鎂鐵質(zhì)的，因?yàn)榘l(fā)生了一些顯著的分化才變成了長英質(zhì)巖漿。原因可能是地殼中有一部分巖石發(fā)生了熔化，從而向巖漿中添加了更多的二氧化硅。黃石火山最近一次大爆發(fā)發(fā)生在63.9萬年前。這次爆發(fā)非常劇烈，噴發(fā)了大約1000立方千米的火山灰?；鹕交腋采w了北美洲的大部分地區(qū)，東至密西西比州，西至太平洋，北至加拿大南部，南至墨西哥北部。最近，一項(xiàng)關(guān)于加利福尼亞南部近海圣巴巴拉盆地海洋沉積物的研究揭示了自從63.9萬年前那次噴發(fā)以來，沉積物中還有兩層黃石火山的火山灰，表明有兩次單獨(dú)的火山噴發(fā)活動。在火山灰沉積層里，發(fā)現(xiàn)了海洋浮游生物的外殼，這些外殼可用來估計水溫。結(jié)果表明，兩次噴發(fā)都導(dǎo)致該地區(qū)海表水溫下降約3℃，每次都持續(xù)了幾十年。考慮到這種情況下陸地區(qū)域降溫幅度通常是海水的好幾倍，可以推斷這次降溫幅度非常大。德干地盾，印度德干地盾玄武巖熔巖流覆蓋了印度中西部超過50萬平方千米（幾乎與得克薩斯州一樣大）的區(qū)域，其厚度可達(dá)2千米。其熔巖沉積保留至今（即在過去6600萬年間沒有侵蝕完），約為100萬立方千米，但最初的熔巖量至少是這一數(shù)值的兩倍。大部分的熔巖噴發(fā)發(fā)生在距今6600萬年前的約3.5萬年里。與其他火山噴發(fā)相比，德干地盾在這一時期的噴發(fā)速率約為噴發(fā)了8個月的拉基火山的14倍，或是基拉韋厄火山（噴發(fā)了近35年）噴發(fā)速率的2500倍。德干是世界上幾個被稱為大火成巖省(LIP)的超級火山沉積區(qū)域之一。另外一個大火成巖省的例子是哥倫比亞溢流玄武巖，它覆蓋了華盛頓、俄勒岡和愛達(dá)荷州約16萬平方千米的區(qū)域，在距今1700萬年到1550萬年間，積累了高達(dá)3500米的熔巖。所有的大火成巖省均被認(rèn)為與地幔柱有關(guān)，雖然拉基火山與基拉韋厄火山也是地幔柱的產(chǎn)物，但與它們相比，大火成巖省可謂加強(qiáng)版的地幔柱火山。在德干火山活躍期，它的噴發(fā)活動會使大氣因硫酸鹽氣溶膠濃度增加而發(fā)生強(qiáng)烈降溫。但是它在數(shù)千年里排放的大量二氧化碳（估計為70萬億噸）又會嚴(yán)重影響大氣中二氧化碳的濃度，從而導(dǎo)致升溫，且持續(xù)的時間比降溫的時間更長。有研究對升溫程度進(jìn)行了模擬（圖4-9）。據(jù)該研究的作者們估計，地球溫度在幾萬年間升高了4℃左右，在此后40萬年的時間里，升溫幅度至少為2℃。但在120萬年后，玄武巖風(fēng)化會大量消耗大氣中的二氧化碳（見第三章），從而導(dǎo)致降溫，因此與噴發(fā)前相比，地球溫度降低了0.5℃左右。圖4-96600萬年前德干地盾火山噴發(fā)造成全球溫度變化的模擬情況注：數(shù)據(jù)引自德塞爾(Dessert)等人，2001。研究人員沒有考慮德干火山噴發(fā)所釋放的SO2的冷卻效應(yīng)，但實(shí)際上，德干火山每次主要的巖漿脈沖噴發(fā)都有可能造成了顯著的降溫，不過，這些降溫持續(xù)時間較短（幾十年到幾個世紀(jì)）。在6600萬年前的白堊紀(jì)末期，包括恐龍?jiān)趦?nèi)的近75%的物種滅絕。幾十年來，人們普遍認(rèn)為德干火山噴發(fā)是這次大規(guī)模滅絕的主要原因。但在20世紀(jì)80年代初，隨著著名的撞擊理論被用來解釋白堊紀(jì)末期的大滅絕（詳見第八章），人們的觀點(diǎn)也發(fā)生了變化?，F(xiàn)在大多