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“地球呼吸”和“气候暖化”

“地球呼吸”和“氣候暖化”


(香港《前哨》月刊2009-1)


嚴家祺


   十九世紀末,瑞典化學家阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius)最早發現大氣中的二氧化碳濃度增高會造成地球氣溫上升。近幾十年來,特別是近二十年來,在聯合國IPCC (即“政府間氣候變化專門委員會”,Intergovernmental Panel on Climate Change)和許多國家的
   

   (圖1)瑞典化學家阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius)
   科學家的共同努力下,已經證實,大量燃燒“化石燃料”(石油、煤炭、天然氣)是近百年來全球暖化的主要因素。如果象今天這樣繼續大量燃燒“化石燃料”,大氣中的二氧化碳含量會愈來愈高,氣候會更加暖化,會加速南北極冰棚縮小、海平面升高,使全球大部分地區熱浪、火災、水旱災和惡劣氣候更加普遍,并加速企鹅、海狮、北极熊等频危动物绝种。
   在工業革命前,大氣中的二氧化碳的主要來源是人類和動植物的呼吸,工業革命以來,人類大量燃燒“化石燃料”使大氣中的二氧化碳含量急劇增多。
   

什么是“地球呼吸”?


   我們都知道,人的呼吸系統由鼻腔、咽、喉、氣管、支氣管和肺組成。呼吸就是供給人體細胞氧氣并排除產生的大部分二氧化碳的過程。魚生活在水中,魚用鰓呼吸。有些動物沒有專門的呼吸器官,氧和二氧化碳就通過細胞膜表面進行交換。無論是人,還是動植物,呼吸作用是生命活動消耗生物體內有機物中的化學能的過程,這是生物氧化過程。就是植物不僅進行光合作用,而且也要進行呼吸。
   除了一般呼吸這種“有氧呼吸”外,發酵則是“厭氧呼吸”。
   燃燒與呼吸可以看作為同一類現象。呼吸是生物的體內氧化過程,燃燒則是生物體外的氧化過程。這兩類過程,除了“發酵”外,都要消耗氧,產生二氧化碳和水。石油、天然氣、煤炭是埋藏在地下的古代生物的遺體變成的,所以,也叫做“化石燃料”。我們開汽車,燃燒汽油,火力發電,都可以看作為古代生物的“體外氧化”,這種“呼吸”,稱為“燃燒呼吸”。森林大火也是“燃燒呼吸”。
   20世纪70年代,英国地球物理学家洛维洛克(James Lovelock)提出,地球是一个活的生命体。洛維洛克用希腊神话中的大地之神“盖雅”(Gaia)来命名地球生物和环境、有机系统和无机系统相互作用所形成的自调节过程。整个地球,作为一个生命体,也需要呼吸。“地球呼吸”就是人類、所有生物的呼吸,加上各種各樣的有機物的燃燒過程——從森林大火、火力發電到人類利用石油、天然氣、煤炭中的能量過程的總和,或者說,“地球呼吸”是地球上“生物呼吸”、“燃燒呼吸”的總稱。
   

地球上的“碳循環”


   從太空中看地球,地球最外層是“大氣圈”,“大氣圈”下有“水圈”、“生物圈”、“人類圈”、“巖石圈”。亞洲、非洲、歐洲、南北美洲、澳大利亞、南極洲和各大洋洋底構成“巖石圈”。“巖石圈”則漂浮在“軟流圈”上。由于“巖石圈”分成若干“板塊”,“板塊”運動造成了火山爆發和地震。
   
   
   (圖2)生物圈•水圈•大氣圈•巖石圈示意圖
   
   地球上物質處于不斷的循環之中。全球物質循環可以分為三種類型:水循環、氣體型循環和沉積型循環。氣體型循環有氧循環和二氧化碳循環等。屬于沉積型循環的主要物質有磷、鈣、鉀、鈉等。地球上生態系統中的物質循環又稱為“生物地化循環”。
   
   (圖3)全球碳循環示意圖
   地球上有五大“碳庫”,最大的“碳庫”是“巖石圈”。碳以碳酸鹽的形式存在于大理石、石灰石、白堊等巖石中,占地球上碳含量的99%。其他“碳庫”是大氣、海洋、生物體(包括森林)和“化石燃料”。在“化石燃料”中,僅石油、煤炭中的含碳量就相當于全球生物含碳量的50倍。全球森林的含碳量相當于現在大氣含碳量的三分之二。海洋含碳量則是大氣含碳量的50倍。
   二氧化碳可由大氣進入海水,也可以由海水進入大氣。巖石的風化也使碳進入河水和海水中。自從地球上產生生命以來,二氧化碳循環(或碳循環)有了一個新“管道”——“生物管道”,這就是生物的肺、鰓、葉子和細胞膜。事實上,正是肺、鰓、葉子和細胞膜使地球上的氧氣、二氧化碳不停交換,形成大氣、海洋、森林和森林外的生物體“四大碳庫”的“碳的全球循環”。
   在狩獵時代和農業時代,碳循環的“生物管道”也會破裂,主要是火山爆發、巖石風化和森林大火。在森林大火時,二氧化碳不通過植物“葉子”的“管道”直接進入大氣中。從十八世紀英國工業革命以來,由于大量燃燒煤炭、石油和天然氣,大量二氧化碳不再通過生物的肺、鰓、葉子和細胞膜的“生物呼吸”這些“傳統管道”而直接進入大氣圈,造成了地球碳循環的“生物管道”的大破裂。
   在地球碳循環的“生物管道”沒有發生破裂的情況下,植物通過“光合作用”從大氣中攝取碳的速率與所有生物通過“呼吸作用”把碳釋放到大氣的速率大體相等。“燃燒呼吸”是數億年前埋藏在地下的古代生物的“呼吸”,這使地球上的“第四碳庫”——“化石燃料”加入到“碳的全球循環”中去了,工業革命大量使用“化石燃料”,活的生物和數億年前的“死的生物”一起“呼吸”,使大氣中的碳含量急劇增高。
   

天體運行的三個周期


    現在正在發生的“氣候暖化”,與人類大量使用石油、煤炭、天然氣有關,但是不是還有其他原因呢?這是需要研究的問題。即使今天全人類都回到新石器時代,完全不用石油、煤炭、天然氣,能不能改變“氣候暖化”的大趨勢呢?
    地球上氣候的變化有多種周期,這些周期與地球、太陽以及其他天體運行的周期有關。天體運行的周期性非常復雜,尚有許多問題有待探索。其中,天體運行的三個周期與氣候變化有明顯的關系。這三個周期是:
   第一種是一年一次的周期,這就是地球繞太陽公轉而形成的周期,它使地球上的氣候出現春夏秋冬。
   第二種是大約以8-10萬年“時間尺度”出現一次的、長短不一的周期。這種長短不一的“周期”變化的規律和形成的原因不完全清楚,在地球近6億年的歷史上并不都存在這樣的周期。現在知道這種周期的產生與太陽在銀河系中運動有關,與太陽的光度周期變化以及地球受行星攝動影響有關。第四紀(從248萬年前至今)是靈長類動物以及人類逐漸形成的時期。在第四紀中,出現過多次“冰期”。每兩次“冰期”之間的時期稱為“間冰期”。這一次次“冰期”和“間冰期”交替大致歷時8-10萬年。
   第三種周期大約二億年,這是由于太陽圍繞銀河系的銀心公轉形成的周期。自從太陽誕生以來,太陽已经围绕银心转了二十三圈。在
   
   (圖4)銀河系
   這一“银河年”开始的时候,地球上還沒有人類,那時恐龍主宰著大地。現在,在這一“银河年”的末尾,恐龍已經滅絕,人類已經主宰著大地。地球上更大的氣候變化是以二億年或更長時間為周期的。在地球46億年歷史上,據現在了解,發生過五次“大冰期”。
   

氣候變化的長周期


   在第四紀中,曾經有過24個“氣候旋回”,出現過多次“冰期”和“間冰期”,“間冰期”就是氣候暖化時期。距今18000年前,是最近一次冰期的最盛期,這時,海平面下降達130米,沒有英吉利海峽和白令海峽。北半球的冰島、斯堪的納維亞北部、西伯利亞北部、格陵蘭、整個加拿大以致紐約都為冰體覆蓋。大約8000年至10000年前,全球普遍轉暖,大量冰川、冰蓋消失、收縮,地球進入“冰後期”,這時,海平面逐漸回升。距今6000年,達到今天的海平面位置。這6000年正是人類從新石器時代、農業時代過渡到工業時代、信息時代的時期,而這6000年中,氣候總的趨勢是暖化,其中有幾次“冷事件”。在16世紀到19世紀中期,有一小規模的冰川推進,接著,氣候又開始回升。人類在工業時代開始大規模利用“化石燃料”,加速了氣候暖化的速度。在未來數百、千年中,地球氣候還會有“冷事件”,但暖化是一大趨勢,海平面必將上升,全球許多沿海土地和城市必將淹沒。今天,人們還沒有確切地了解到人類大規模利用“化石燃料”在這18000年以來對地球氣候暖化究竟有多大比重。
   地球暖化和冷化也與二億年的周期有關。第一次“大冰期”稱為“前寒武紀中期大冰期”(注1),距今27億年至23.5億年,歷時4000多萬年。第二次是“前寒武紀晚期大冰期”,距今9.5億年至6.15億年。第三次是“早古生代大冰期”,距今4.6至4.4億年前(又一說為距今4.6至3.6億年)。第四次是“晚古生代大冰期”,出現在石炭紀中期至二疊紀中期,持續了8000萬年。第五次就是最近一次“大冰期”,即“晚新生代大冰期”。大冰期內又有多次大幅度的氣候冷暖交替和冰蓋規模變動時期。當冰蓋規模擴展時,出現“冰期”,當冰蓋規模退縮時,出現“間冰期”。前面提到的“第四紀冰期”和比較暖和的“間冰期”都是“晚新生代大冰期”的組成部分。在前四次大冰期出現時,不是我們今天所說的“惡劣氣候”和海平面上升問題,而是海平面的大升降、地球面貌翻天覆地的大變化和物種的大滅絕。“早古生代大冰期”的出現,消滅了地球上80—85%的物種。“晚古生代大冰期”的出現,導致了90%的海洋生物和70%的陸地動物的滅絕。這些“大滅絕”把大量生物體埋到地下,歷時數億年形成了石油、煤炭等“化石燃料”。今天人類大規模燃燒“化石燃料”,是讓遠古時代的生物與現代地球上的生物一起“呼吸”。地球上人類文明的發展,陸地海洋的開發利用,使大量的野生動物不斷消失、物種數量急劇減少,地球上的生物進入了另一次“大滅絕”時期——“荒生代”。不管怎樣保護“野生動物”,“荒生代”的出現也是一種“大趨勢”。
   按照聯合國IPCC在2007年全球氣候變化的評估報告,如果人類采取“二氧化碳低排放量”(注2),到2100年,全球平均表面溫度的總升幅為攝氏1.8度。如果人類采取“二氧化碳高排放量”,則為3.4度。對比近一萬年“冰後期”低量級冷暖波動、十萬年“冰期”、“間冰期”氣候變化以及二億年周期“大冰期”氣候大變化,可以知道,人類活動雖然是最近幾十年來氣候變化的重要因素,但不是“末次冰期”以來的“冰後期”以及近幾百年來全球氣候暖化的主要原因。
   

“氣候暖化”要靠人類智慧來解決


   第二次世界大戰後對美國外交政策頗有影響的思想家萊因霍爾德•尼布爾(Reinhold•Niebuhr,1892-1971)曾經說,對于一個人所不能改變的事物,應當“寧靜地”去接受它,對于一個人能夠改變

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