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地球到底需不需要人們保護?
2020/4/24 7:45:49    新聞來源:中國科學探索中心
原創 星球科學評論

1992年,已故美國喜劇演員喬治·卡林在一場長達8分鐘的脫口秀中,說出了至今仍余音繞梁的宣言:地球已經有45億年的歷史…地球好著呢…要完蛋的只是人類。
已故美國喜劇演員喬治·卡林和他關于“保護地球”的著名論調 | 底圖來源@mintpressnews.com
最近幾年,由于對美國退出《巴黎協定》等一系列動作的不滿,很多環保人士發出了頗為尖銳的批評聲,有些甚至完全沒有實際操作價值,僅僅是作秀的口號。但是來而不往非禮也,很多記憶力超群的網友便找出了28年前的那段脫口秀,作為反擊一些較偏激環保主義者的利器。
登上《時代》雜志首頁的Greta Thunberg | 瑞典少年環?;顒蛹腋窭姿ねㄘ惱锸钱敶容^偏激的環保人士之一。圖源@Greta Thunberg的社交媒體主頁截圖
喬治·卡林的論斷看似經典,但實際上混淆了不少科學概念,作為段子換取一樂確實不錯,并不能夠作為科學原則。
今天是第51個世界地球日,在這樣一個日子里,不妨把職業喜劇演員的脫口秀先拋之腦后,隨我們從科學的角度,看一看保護地球到底在保護什么——保護地球,不僅是保護人類自己,因為要完蛋的并非只有我們。
01
地球是什么?

很少會有人提出這樣一個看似無聊的問題:地球是什么?俗話說,大音希聲,大象無形。正是因為人們的一切生老病死和紅塵故事都發生在地球上,反而“不識廬山真面目,只緣身在此山中”,很少去思考類似“地球是什么”這樣的宏大問題。
但是,這個看似“哲學”、人人都懂的小問題,背后卻也有著很多不為人知的科學內涵。
(1)巖石地球
地球是一顆巨大的巖石嗎?如果回到地球誕生之初的歲月,或許可以這么說。形成之初的地球沒有生命,沒有海洋,甚至沒有土壤——土壤與巖石風化物的區別,是包含豐富的有機質和活體生物。此時的地球,還是剛剛聚集起來的星塵,是無數的巖石與塵土,是細小的冰塊與金屬顆粒。
太陽系內的小行星和彗星 | 自上而下,分別是直徑900米的小行星龍宮(Ryugu),拍攝高度6km,它曾經被撞得粉碎,隨后碎塊又重新聚集成星體;最長處達4.1km的丘留莫夫-格拉西緬科彗星(67P),拍攝高度285km,由巖石、塵埃和水冰組成。當代太陽系內的一些小星體的影像,或許可以讓人們對形成地球的那些微小星體產生視覺印象。圖源@JAXA、NASA
但后來的歲月里,地球變得不再僅僅只有巖石。萬有引力讓來自星塵收縮、摩擦、放熱,放射性元素在地球內部釋放能量,原行星忒亞(Theia)的迎頭撞擊更讓地表熔化成巖漿海。
原始地球和原行星忒亞(Theia)撞擊假想圖 | 原行星Theia的大小可能類似現代火星,“Theia撞擊說”指是原始地球與Theia相撞后的碎片匯聚形成月球,已經成為當代解釋月球成因的主流觀點。圖源@Giphy.com
在炙熱的環境中,地球漸漸分出了地殼、地幔和地核。那些禁錮在巖石里的揮發性成分也釋放出來,聚集成濃密的大氣。當巖漿海開始冷卻,大氣也隨之降溫,第一次有雨滴落到這顆干枯的大巖石上。
降雨的形成,仿佛按下了一個開關,一個大千世界就永不回頭地開始流淌下去。
(2)流淌地球
最早大約是44億年前,海洋出現了[1-4],地球的表面開始有了不一樣的色彩。從那以后,縱然滄海桑田、板塊聚散,海洋卻永遠是那個不斷新陳代謝的海洋。
冥古宙地球假想圖 | 冥古宙(距今46億~40億年)末期,海洋可能已經出現在地球上。圖源@Simone Marchi/swri.org
海洋不僅造就了水循環,它還是地球表面最大的熱量調節器,深刻影響著水與大氣的流動。它們在巖石地球上不斷流淌,成為塑造地表巖石的重要力量。
冰川與江河在大地上流淌,百川歸海,碎石為砂。
冰川與江河 | 圖源@VCG
風沙與浮塵在天空“流淌”,磨礪巖石,遮天蔽日。
風沙與浮塵 | 圖源@VCG
這些流動的景致在溫度和濕度的左右下變化無常,把巖石地球變成了一個流淌地球,處處都有凝固著的流動景致:沉積巖。
古代沉積巖與現代的沖溝沉積物相得益彰 | 它們都是地球上流動的景致。圖源@VCG
但在水里,更大的變革正在醞釀:偉大的生命。
(3)活地球
生命確切的誕生時間和誕生位置仍沒有答案,但這并不影響人們尋找生命與地球之間的關系。南非的Witwatersrand盆地擁有全世界最大的金礦床,人們在這里發現了距今27億年的黃鐵礦礫石堆積物[5-8]。
金黃色的黃鐵礦礫石 | 圓潤的礫石也被俗稱卵石,它是河流破碎、打磨巖石的產物。圖中金黃色成分是被流水破碎、磨圓的黃鐵礦。圖源@321gold.com,見文獻[6]
這些金色的卵石是河流從山里帶出來的破碎黃鐵礦,常年的沖刷磨圓了它的棱角[7-8]。在現代,黃鐵礦(成分FeS2)在濕潤和富氧的河道里,很快就會被氧化成黑色或者紅色的產物,無法原模原樣保存下來。但在27億年前,地球的氧氣含量極低,河水里根本沒有氧氣,這才使這類極為特殊的“黃鐵礦卵石”穿越時光,為人們揭開那個遙遠時代的一點面紗。
也許有過一個時代,金色的黃鐵礦曾經布滿陸地各處。它們要么堆積在河道里,要么散布在荒涼的土地上,要么在海邊被浪花輕撫。
夏威夷的Papakolea綠色海灘 | 周圍新鮮的玄武巖和凝灰巖含有大量呈綠色的橄欖石晶體,它們被海浪沖刷成渾圓的砂粒,堆積呈綠色海灘。但是,橄欖石在氧化環境中不穩定,它們很快(地質意義的)就會轉變為其他的產物,與黃鐵礦類似。圖源@VCG
但是生物改變了地球環境,終結了這一抹金黃。
一批偶然間開始光合作用的浮游植物,在距今約24億年前開始改變歷史。它們及其后代吸收二氧化碳釋放氧氣,這樣的生物活動成就了一個富含氧氣的地球,永久性地改變了大氣圈和水圈——史稱“大氧化事件”[1]。
大氧化事件時間線示意圖 | 大氧化事件發生于約24億年前,永久改變了地球的大氣和海洋。圖源@uwaterloo.ca
生物活動制造出氧氣,地球環境發生改變,進而“反饋”到生物圈甚至巖石圈,殺滅了一大批無法忍受氧氣的早期生物,終結了金色黃鐵礦卵石在陸地上隨處可見的場景,也促使大量亞鐵離子被氧化沉淀,形成地球有史以來最重要的鐵礦床——條帶狀鐵礦[1],改變了地球巖石圈的樣貌。
條帶狀含鐵建造(BIF) | 這是生物和地球共同創作的一種鐵礦石,紅色條帶是紅色碧玉巖,黑色條帶是氧化鐵夾層。圖源@Prof. Dr. Michael Bau/Jacobs University Bremen
類似的例子充斥在地球的演化歷史里,生物改變環境,最后又被環境改變的故事比比皆是。經過數十億年的漫長演變,生物和地球早已渾然一體,彼此影響。我們已經很難想象,假如光合作用這種突變在一開始不曾出現,今日的地球會是怎樣的局面。
溫泉池里的微生物 | 在美國黃石國家公園的溫泉池里,生活著很多耐高溫的極端微生物,它們以水中的硫作為能量來源,不發生光合作用。這些微生物聚集在巖壁上,形成一層粘膩的“微生物席/microbial mat”——水中巖石滑膩的手感,相信很多人都有過體會,這可能就是無氧地球里大部分的生命形態了。圖源@VCG
我們生活的世界,開始變得像是一個活物——盡管它不存在自由意識。每一個物種的呼吸吐納、生存繁衍,都在影響著這個星球的一片小環境。而無數個小環境累加起來,便構成了這個星球的整體大環境,繼而反作用于生物本身,為生物的演化提供制造自然選擇壓力,使生物繼續發生改變。
從荒蕪的巖石地球,到水與大氣不斷變幻的流淌地球,再到太陽系中唯一孕育生命的活地球,演化的車輪滾滾向前,無人知曉它將駛到哪里,特別是在活地球自身的演化之外,又疊加上了人類活動。
02
人類世地球

活地球的理念,即“生物與地球相互影響”的理念,在上世紀70年代深深地影響到一些科學家,催生出一個“看上去很美”的蓋亞地球假說(Gaia Hypothsis)。這是一個特別注重生物與地球相互影響的假說體系,很多觀念已經融入了當代的地球系統科學,但它將生物+地球描述成一種“超級生物體”和“生物趨于將環境調節至穩定狀態以適應自身生存”的設想廣遭詬病,于是始終游走在主流學術思想之外[9-13]。
蓋亞地球假說的提出者James Lovelock | 盡管“蓋亞地球假說”在科學上很有爭議,但在流行文化中卻廣受歡迎,而它蘊含的一些科學內涵也得到人們承認。圖源@截圖自aeon.co,文獻[14]
可是,當代的地球被一種無比龐大的超級意識控制,那就是人類的意識。當我們將人類意識注入到活地球的設想里時,事情似乎變得有趣起來:每個人類個體都在有意無意的消費環境,當個人的有意無意乘以78億人口時,就像是一種巨大的無形意識,操縱著地球向著某個方向不斷前進。
是的,時代已經變了大人們,歡迎來到人類世地球。
(1)人類世地球
人類對于這顆星球的影響是如此巨大,以至于很多不同領域的學者開始主張將我們生活的時代定義成一個的地質年代紀元:新生代-第四紀-人類世,以取代現在正在使用的全新世(1.17萬年前至今)。
2015年3月12日自然雜志封面 | “人類世”是近年來頗受熱議的話題,受到多學科研究者的關注。但它的起始年代仍眾說紛紜,并且也沒有成為受國際地層委員會正式認可的地質年代術語。圖源@Nature雜志
熊熊燃燒了兩百多年的工業之火,讓人類第一次有足夠的能力按照自己的設想大規模改變地球,或者由自身活動引發的各種“反饋”改變地球。作為主宰人類世星球的力量,這些活動甚至已經寫進了地質記錄,成為這顆星球歷史的一部分[15-16]。
1945年7月16日,第一顆原子彈在美國新墨西哥州爆炸,不僅產生了恐怖的蘑菇云,更使得放射性塵埃隨風而去,漸漸沉降在世界各地。從那時起一直到2016年,一共有2000多顆核彈頭在地表或近地表引爆,大量的放射性塵埃累積在世界各地的地層中,變成一條放射性明顯偏高的“細細紅線”——這是人類留給這顆星球的最“雄偉”印記,至少將在巖層里留存數十億年。
核爆炸 | 1970年7月3日在法屬波利尼西亞群島進行的Licorne核試驗。圖源@planetdeadly.com
除此以外,我們生產的混凝土、玻璃、塑料等難以降解的物質,也會成為埋藏在沉積物里的“技術化石”,彰顯人類的工業制造能力。
長滿藤壺的塑料瓶 | 即使漂浮在高溫高鹽的海洋里,塑料片也能長久不壞,甚至成為藤壺動物附著的基床。而當它們最終沉入海底時,則灑遍了整個大海,成為海床上的人造垃圾。圖源@VCG
化肥、農藥、有機污染物、富集的金屬元素會保留在土壤、湖底或海底的泥沙中,成為“地球化學化石”,彰顯著人類的技術能力。
至于那些構建在地下的建筑、礦井、石油鉆井、礦場、尾礦坑等破壞了天然地層的地方,則保留著工業改造的痕跡,成為“信息化石”,凝結著人類對巖石地球的改造行為。
堆積有序的礦渣 | 礦渣常會被填埋起來,它們保留下被人為破碎的痕跡,與周遭的巖石和天然泥砂截然不同,將“這里采過礦”的信息保存下來。圖源@VCG
除了這些有形的改變,還有一種無形的人類遺產,那便是向水和大氣中排放的污染物和溫室氣體。
(2)最好的時代vs最壞的時代
從人類生存的角度,擁有對自然的巨大改造能力,有助于獲取更多資源,開拓人類生存的邊疆,似乎對于人類來說,“這是最好的時代”。
但就對自然的影響能力而言,“這也是最壞的時代”。巖石地球是46億年來星際物質的累積,人類在它的面前何其渺小,至今也只完成了最大垂直深度12262米的鉆井,對于平均厚度35km的陸地地殼來說,完全談不上破壞。
科拉超深鉆井 | 垂直深度達到12262米的科拉超深鉆井SG-3,至今仍是人類最深的鉆井。該項目于1970年啟動,1995年停止,2005年后井場被廢棄。圖源@wikipedia
但對于大氣圈和水圈構成的流淌地球而言,各類污染物和溫室氣體的排放讓大氣和水不堪重負,人類造成的改變早已經大到不容忽視。
以溫室氣體為例,在喬治·卡林進行那場脫口秀的1992年,全球大氣的主要溫室氣體二氧化碳含量是356ppm,如今已升至416ppm,升高了16.8%;甲烷含量是1735.4ppb,如今已升至1874.7ppb,增幅8%[17]。
截至2018年的北太平洋夏威夷地區相關環境數據 | 大氣二氧化碳、海水二氧化碳分壓和海水酸性都在逐漸增大。圖源@NOAA
從物理機制上,二氧化碳這樣的溫室氣體能夠截留大量地表熱量輻射,由此產生的輻射強迫是當代全球變暖的主要原因[18]。短短28年,我們在一代人的時間里,制造出許多新問題。這些環境的改變已經開始明顯影響著生態系統和人類社會[18-19]。
對于自然,動植物的棲息環境發生快速的變化(升溫、干旱、水淹、大火、海水酸化、海水缺氧等),其中一些難以及時遷徙的生物難逃滅頂之災[18-19]。以無法遷徙的珊瑚為例,海水不斷升溫使珊瑚逐漸排出體內共生的藻類,失去顏色的同時也并失去藻類生產的養料,很快就會因饑餓而死亡,這種現象被稱作珊瑚白化。
珊瑚白化現象 | 珊瑚失去共生藻類,變成白色,隨后很快就會死于饑餓。圖源@USGS
據統計,僅2016年至2017年,在澳大利亞東部的大堡礁,有大約93%的珊瑚都發生不同程度的白化。而在2014年至2017年,全球有70%的珊瑚都受到白化威脅。如果放任海水保持當代的增溫速度不變,到本世紀末時,海洋中的淺水珊瑚可能都會消亡[20-24]。
澳大利亞大堡礁近年來發生嚴重的珊瑚白化 | 2016年3月至11月間,澳大利亞大堡礁遭遇強大熱浪襲擊,在升溫最高的北部(南緯9.5°至14.5°)有大約一半的珊瑚最終死亡。南部受損情況較小。圖b是DHW(Degree Heating Weeks,一周內水溫比當地夏季平均最高水溫超出幾度)。目前,這些地方的珊瑚仍未恢復。據估算,完全恢復到之前狀態可能需要10-15年。來源@文獻[20]
對于人類,加快遷徙步伐的動物和昆蟲對人類棲息地產生沖擊,甚至加速疾病傳播,例如近年來中國南方登革熱的發病率就因蚊子數量增多而出現提升[25];自然災害的頻發和海平面的進一步上升,也增加了出現氣候難民和社會動蕩的風險;對農林牧漁行業的不利影響遠遠大于有利影響[19,26-27],從更隱秘的角度影響人類社會,甚至可能因饑餓引發戰爭;冰川消融會加劇區域性水資源緊張,造成社會不穩定因素。
寫給Ok冰川的墓志銘 | 2019年8月,冰島Ok冰川因消融嚴重被取消冰川資格。這是冰島人為Ok冰川撰寫的墓志銘,留在了它曾經矗立過的地方。制圖@陳隨/星球科學評論
“這是最好的時代,也是最壞的時代”。
如果我們繼續懷著“征服自然”的傳統觀念,現在無疑是最好的時代。但如果從“可持續發展”的視角出發,這也是“最壞的時代”。
憑借著工業能力,人類已經成為當下主宰著流淌地球和活地球的力量,也只有人類自己,才擁有在當下做出改變的能力。
03
保護與你我有關的地球

這樣一個時代到底有多壞?我們需要選擇一個合適的時間尺度來科學看待。
地球有46億年的歷史,各種變化持續的時間長短不一。正如板塊運動引發地球氣候冷暖轉變的時間尺度為億年至數千萬年,但四季變化帶來冷暖交替的尺度則是一年,使用不同的尺度看待世界時,引起環境變化的控制因素顯然各不相同。
過長的觀察尺度,無助于人們正確認識當代環境問題的嚴峻性。
恐龍時代比當代溫暖許多,但這與你我無關。因為在億年的觀察尺度上,引起氣候變化的原因是板塊漂移、海洋閉合等超宏觀因素,它們早已融進了我們這個時代的底色——我們正處于一個長達5500多萬年的變冷趨勢中,這與印度板塊和歐亞板塊的碰撞有關。
不同觀察尺度下越來越冷的新生代|以千萬年和百萬年的尺度來看,新生代的全球溫度長期變冷;但以十萬年的尺度看時,卻可以發現明顯的周期性,圖源@文獻[28](上圖),NASA(下圖)
人類祖先誕生的300多萬年前比現代要溫暖一些,但這也與你我無關。因為在百萬年的觀察尺度上,高原的抬升、山脈的隆起是更顯著的氣候控制因素,而青藏高原在距今約350萬年啟動新一輪快速隆升,至今以隆升4000米左右,顯著影響了全球季風[29-30]。
最近15萬年和最近1.1萬年的氣溫變化 | 在15萬年的尺度上,當代是一個快速升溫之后的穩定高位期;在1.1萬年的尺度上,當代處于總體穩定、緩慢降溫(不考慮當代全球變暖)狀態下。圖源@NCDC(上圖)、文獻[31](下圖)
大約8000年前的諾森格瑞比期(距今8200~4200年前)比今天溫暖3~4攝氏度,長江的入??谶€在鎮江附近,東海海平面比當代高2~3米[32-34]。但這也與我們無關,因為當時正處在一個十萬年氣候旋回結束后的高溫期。在萬年至十萬年的觀察尺度上,地球自轉軸的變化會引起接受太陽輻射強度的改變,從而改變地球的氣候,這被稱作米蘭科維奇旋回,它們同樣融進了我們這個時代的底色。
不同周期的米蘭科維奇旋回與冰川期的對應圖 | 米蘭科維奇旋回擁有若干種不同級別的周期,周期大概為9.5萬-12.5萬年的偏心率旋回對最近幾十萬年的氣候控制因素最為明顯,其他的周期則疊加在一起。圖源@wikipedia
這些不同時間尺度的概念,就像俄羅斯套娃一樣,大周期內套著小周期,小周期內套著更小的周期,疊加成一個錯綜復雜的體系,這也是地球系統的最大特點[1]。
俄羅斯套娃 | 地球系統具有多種不同時間尺度的周期,它們就像俄羅斯套娃一樣一層層疊加在一起。圖源@VCG
當我們在討論“氣候變暖”時,是指自工業革命以來的百年時間尺度上,世界的溫度正在快速升高;假如站在的十萬年尺度上時,當代地球正處在上一次十萬年周期結束后,快速升溫已經結束、即將啟動長達數萬年降溫期的階段;假如站在5000萬年的時間尺度上,地球新生代以來長期變冷的趨勢十分明顯,再持續個千萬年似乎也不成問題。
基于不同觀察尺度的地質歷史時期溫度變化曲線 | 本圖中不同時代的觀察尺度大小不同,從億年尺度到千年尺度,我們可以得出截然不同的結論。圖源@VCG
更何況,冷暖的狀態從來不是重點,冷暖變化的快慢才是。無論對于人還是萬物生靈,過快的環境變化會造成極大的生存壓力。然而,工業革命以來的全球變暖速度之快,不僅在人類歷史上是空前的,甚至放眼到地質歷史時期,也是十分罕見的。即便是5600萬年前的古新世-始新世極熱事件(PETM)事件,升溫速度也僅僅是每千年1.0攝氏度左右[35]。
但在當代,人們正在面臨的是比PETM時期快十倍、甚至數十倍的升溫速率和溫室氣體累積速率[35-38],是如何在未來80年將溫度升高控制在2攝氏度以內的問題。而如果不加控制,則完全可能在2100年升溫5.5攝氏度左右(或更高),在140年后面臨PETM時期的全球生態圈改變[38]。
在PETM的時代,部分海洋浮游生物和底棲生物發生滅絕。如果類似情形在人類世地球再次發生,將會對海洋和人類社會造成怎樣的沖擊,這還是一個未知數。
古近紀“古新世-始新世極熱事件”示意圖 | 該事件發生于距今0.55-0.56億年前的古近紀早期,大氣和海洋溫度快速升高然后回落,其中可燃冰快速分解是可能的原因之一。圖源@文獻[37]
當代地球的環境變化速率,超過了地質記錄能夠提供的想象力??峙?,只有超級火山爆發和大型小行星撞擊這樣的大災變事件,才能與人類正在對地球造成的影響相提并論。
無跡可循,是為煩惱。
而放眼一兩百年為尺度的近未來,假如人們不真的拿出壯士斷腕的勇氣做點什么,任當代無需增長的碳排局面繼續發展,不僅人類的生活會在未來變得一團糟,萬物生靈的處境也會發生劇烈的改變——某種意義上,是變得更糟。
人類會選擇哪一種未來?|RCP路徑是根據不同碳排放量模擬的未來升溫場景,大力減排實現負排放的RCP2.6路徑是最理想的預期,本世紀末的全球升溫不超過2.3℃;而無所作為的RCP8.5路徑是最糟糕的預期,本世紀末的全球平均溫度或升高3.2-5.4℃。水泥在生產和正常使用中,也會產生二氧化碳排放,是化石燃料之外比較重要的碳排放源。圖源@文獻[39]。
過去的45億年,地球經歷過許多環境的變化,但這與你我無關。此后的億萬年,任它天翻地覆??菔癄€,那些過于遙遠的變化同樣與你我無關。自然會抹去它能夠抹去的一切,在起起落落中找到一個自己存續的位置。
只有當下和未來,只有今后的100年、200年,與你我有關,與后代有關,與生長在同一片藍天下的萬物生靈有關。
在人類活動引起的短期環境沖擊面前,它們與我們都是受害者,現下的活地球是最大的受害者。
所以,地球到底需不需要人類保護?
當然需要,而且人類也有這個能力,缺少的只是行動的勇氣,發達國家與不發達國家之間的團結與公正,和循序漸進、行之有效的科學方法。
保護地球,不僅是保護我們自己 | 還有江山,還有生靈。制圖@鄭伯容/星球科學評論
保護當下的地球,不僅是保護人類自己的未來,因為要完蛋的并非只有我們,還有那些正在受到快速環境變化影響的動植物。
保護當下的地球,不是保護這顆宇宙里的巨大巖石球,而是保護水圈、大氣圈、生物圈(及其他的表面圈層);
保護當下的地球,既是保護與我們一起活在地球上的蕓蕓眾生,也是保護當下可以感知到的人類世地球,是保護每一條溪流,每一口呼吸,每一朵盛放的花兒,和每一只遠方的生靈。
是要“我死后哪怕洪水滔天”,還是要為子孫后代的福祉、萬物生靈的生存做出更加科學、理性、負責的抉擇,這個選擇題,你有答案了嗎?
| END |
策劃撰稿 | 云舞空城
視覺設計 |陳隨、鄭伯容
圖片編輯 | 謝禹涵
內容審校 | 陳景逸
封面來源 | 底片人物為George Carlin,來源于mintpressnews.com
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原標題:《地球到底需不需要人們保護》

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