地球到底需不需要人类保护?
2020-04-22 18:44

地球到底需不需要人类保护?

本文经微信公众号“星球科学评论”授权转载,作者:云舞空城,设计:陈随、郑伯容,编辑:谢禹涵。星球科学评论,星球研究所旗下品牌,科学、探索、好奇。头图来自:IC photo


1992年,已故美国喜剧演员乔治·卡林在一场长达8分钟的脱口秀中,说出了至今仍余音绕梁的宣言:地球已经有45亿年的历史…地球好着呢…要完蛋的只是人类。


已故美国喜剧演员乔治·卡林和他关于“保护地球”的著名论调 | 底图来源@mintpressnews.com


最近几年,由于对美国退出《巴黎协定》等一系列动作的不满,很多环保人士发出了颇为尖锐的批评声,有些甚至完全没有实际操作价值,仅仅是作秀的口号。但是来而不往非礼也,很多记忆力超群的网友便找出了28年前的那段脱口秀,作为反击一些较偏激环保主义者的利器。


登上《时代》杂志首页的Greta Thunberg | 瑞典少年环保活动家格雷塔·通贝里是当代比较偏激的环保人士之一。图源@Greta Thunberg的社交媒体主页截图


乔治·卡林的论断看似经典,但实际上混淆了不少科学概念,作为段子换取一乐确实不错,并不能够作为科学原则。


今天是第51个世界地球日,在这样一个日子里,不妨把职业喜剧演员的脱口秀先抛之脑后,随我们从科学的角度,看一看保护地球到底在保护什么——保护地球,不仅是保护人类自己,因为要完蛋的并非只有我们。


地球是什么?


很少会有人提出这样一个看似无聊的问题:地球是什么?俗话说,大音希声,大象无形。正是因为人们的一切生老病死和红尘故事都发生在地球上,反而“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,很少去思考类似“地球是什么”这样的宏大问题。


但是,这个看似“哲学”、人人都懂的小问题,背后却也有着很多不为人知的科学内涵。


岩石地球


地球是一颗巨大的岩石吗?如果回到地球诞生之初的岁月,或许可以这么说。形成之初的地球没有生命,没有海洋,甚至没有土壤——土壤与岩石风化物的区别,是包含丰富的有机质和活体生物。此时的地球,还是刚刚聚集起来的星尘,是无数的岩石与尘土,是细小的冰块与金属颗粒



太阳系内的小行星和彗星 | 自上而下,分别是直径900米的小行星龙宫(Ryugu),拍摄高度6km,它曾经被撞得粉碎,随后碎块又重新聚集成星体;最长处达4.1km的丘留莫夫—格拉西缅科彗星(67P),拍摄高度285km,由岩石、尘埃和水冰组成。当代太阳系内的一些小星体的影像,或许可以让人们对形成地球的那些微小星体产生视觉印象。图源@JAXA、NASA


但后来的岁月里,地球变得不再仅仅只有岩石。万有引力让星尘收缩、摩擦、放热,放射性元素在地球内部释放能量,原行星忒亚(Theia)的迎头撞击更让地表熔化成岩浆海。


原始地球和原行星忒亚(Theia)撞击假想图 | 原行星Theia的大小可能类似现代火星,“Theia撞击说”指是原始地球与Theia相撞后的碎片汇聚形成月球,已经成为当代解释月球成因的主流观点。图源@Giphy.com


在炙热的环境中,地球渐渐分出了地壳、地幔和地核。那些禁锢在岩石里的挥发性成分也释放出来,聚集成浓密的大气。当岩浆海开始冷却,大气也随之降温,第一次有雨滴落到这颗干枯的大岩石上。


降雨的形成,仿佛按下了一个开关,一个大千世界就永不回头地开始流淌下去。


流淌地球


最早大约是44亿年前,海洋出现了[1~4],地球的表面开始有了不一样的色彩。从那以后,纵然沧海桑田、板块聚散,海洋却永远是那个不断新陈代谢的海洋。


冥古宙地球假想图 | 冥古宙(距今46亿~40亿年)末期,海洋可能已经出现在地球上。图源@Simone Marchi/swri.org


海洋不仅造就了水循环,它还是地球表面最大的热量调节器,深刻影响着水与大气的流动。它们在岩石地球上不断流淌,成为塑造地表岩石的重要力量。


冰川与江河在大地上流淌,百川归海,碎石为砂。


冰川与江河 | 图源@VCG


风沙与浮尘在天空“流淌”,磨砺岩石,遮天蔽日。


风沙与浮尘 | 图源@VCG


这些流动的景致在温度和湿度的左右下变化无常,把岩石地球变成了一个流淌地球,处处都有凝固着的流动景致:沉积岩。


古代沉积岩与现代的冲沟沉积物相得益彰 | 它们都是地球上流动的景致。图源@VCG


但在水里,更大的变革正在酝酿:伟大的生命。


活地球


生命确切的诞生时间和诞生位置仍没有答案,但这并不影响人们寻找生命与地球之间的关系。南非的Witwatersrand盆地拥有全世界最大的金矿床,人们在这里发现了距今27亿年的黄铁矿砾石堆积物[5~8]


金黄色的黄铁矿砾石 | 圆润的砾石俗称卵石,它是河流破碎、打磨岩石的产物。图中金黄色成分是被流水破碎、磨圆的黄铁矿。图源@321gold.com,见文献[6]


这些金色的卵石是河流从山里带出来的破碎黄铁矿,常年的冲刷磨圆了它的棱角[7~8]。在现代,黄铁矿(成分FeS2)在湿润和富氧的河道里,很快就会被氧化成黑色或者红色的产物,无法原模原样保存下来。但在27亿年前,地球的氧气含量极低,河水里根本没有氧气,这才使这类极为特殊的“黄铁矿卵石”穿越时光,为人们揭开那个遥远时代的一点面纱。


也许有过一个时代,金色的黄铁矿曾经布满陆地各处。它们要么堆积在河道里,要么散布在荒凉的土地上,要么在海边被浪花轻抚。


夏威夷的Papakolea绿色海滩 | 周围新鲜的玄武岩和凝灰岩含有大量呈绿色的橄榄石晶体,它们被海浪冲刷成浑圆的砂粒,堆积呈绿色海滩。但是,橄榄石在氧化环境中不稳定,它们很快(地质意义的)就会转变为其他的产物,与黄铁矿类似。图源@VCG


但是生物改变了地球环境,终结了这一抹金黄。


一批偶然间开始光合作用的浮游植物,在距今约24亿年前开始改变历史。它们及其后代吸收二氧化碳释放氧气,这样的生物活动成就了一个富含氧气的地球,永久性地改变了大气圈和水圈——史称“大氧化事件[1]


大氧化事件时间线示意图 | 大氧化事件发生于约24亿年前,永久改变了地球的大气和海洋。图源@uwaterloo.ca


生物活动制造出氧气,地球环境发生改变,进而“反馈”到生物圈甚至岩石圈,杀灭了一大批无法忍受氧气的早期生物,终结了金色黄铁矿卵石在陆地上随处可见的场景,也促使大量亚铁离子被氧化沉淀,形成地球有史以来最重要的铁矿床——条带状铁矿[1],改变了地球岩石圈的样貌。


条带状含铁建造(BIF) |  这是生物和地球共同创作的一种铁矿石,红色条带是红色碧玉岩,黑色条带是氧化铁夹层。图源@Prof. Dr. Michael Bau/Jacobs University Bremen


类似的例子充斥在地球的演化历史里,生物改变环境,最后又被环境改变的故事比比皆是。经过数十亿年的漫长演变,生物和地球早已浑然一体,彼此影响。我们已经很难想象,假如光合作用这种突变在一开始不曾出现,今日的地球会是怎样的局面。


温泉池里的微生物 | 在美国黄石国家公园的温泉池里,生活着很多耐高温的极端微生物,它们以水中的硫作为能量来源,不发生光合作用。这些微生物聚集在岩壁上,形成一层粘腻的“微生物席/microbial mat”——水中岩石滑腻的手感,相信很多人都有过体会,这可能就是无氧地球里大部分的生命形态了。图源@VCG


我们生活的世界,开始变得像是一个活物——尽管它不存在自由意识。每一个物种的呼吸吐纳、生存繁衍,都在影响着这个星球的一片小环境。而无数个小环境累加起来,便构成了这个星球的整体大环境,继而反作用于生物本身,为生物的演化提供制造自然选择压力,使生物继续发生改变。


从荒芜的岩石地球,到水与大气不断变幻的流淌地球,再到太阳系中唯一孕育生命的活地球,演化的车轮滚滚向前,无人知晓它将驶到哪里,特别是在活地球自身的演化之外,又叠加上了人类活动。


人类世地球


活地球的理念,即“生物与地球相互影响”的理念,在上世纪70年代深深地影响到一些科学家,催生出一个“看上去很美”的盖亚地球假说(Gaia Hypothsis)。这是一个特别注重生物与地球相互影响的假说体系,很多观念已经融入了当代的地球系统科学,但它将生物+地球描述成一种“超级生物体”和“生物趋于将环境调节至稳定状态以适应自身生存”的设想广遭诟病,于是始终游走在主流学术思想之外[9~13]


盖亚地球假说的提出者James Lovelock | 尽管“盖亚地球假说”在科学上很有争议,但在流行文化中却广受欢迎,而它蕴含的一些科学内涵也得到人们承认。图源@截图自aeon.co,文献[14]


可是,当代的地球被一种无比庞大的超级意识控制,那就是人类的意识。当我们将人类意识注入到活地球的设想里时,事情似乎变得有趣起来:每个人类个体都在有意无意的消费环境,当个人的有意无意乘以78亿人口时,就像是一种巨大的无形意识,操纵着地球向着某个方向不断前进。


是的,时代已经变了大人们,欢迎来到人类世地球。


人类世地球


人类对于这颗星球的影响是如此巨大,以至于很多不同领域的学者开始主张将我们生活的时代定义成一个新的地质年代纪元:新生代—第四纪—人类世,以取代现在正在使用的全新世(1.17万年前至今)


2015年3月12日自然杂志封面 | “人类世”是近年来颇受热议的话题,受到多学科研究者的关注。它的起始年代被定为20世纪50年代,但还没有成为受国际地层委员会正式认可的地质年代术语。图源@Nature杂志


熊熊燃烧了两百多年的工业之火,让人类第一次有足够的能力按照自己的设想大规模改变地球,或者由自身活动引发的各种“反馈”改变地球。作为主宰人类世星球的力量,这些活动甚至已经写进了地质记录,成为这颗星球历史的一部分[15~16]


1945年7月16日,第一颗原子弹在美国新墨西哥州爆炸,不仅产生了恐怖的蘑菇云,更使得放射性尘埃随风而去,渐渐沉降在世界各地。从那时起一直到2016年,一共有2000多颗核弹头在地表或近地表引爆,大量的放射性尘埃累积在世界各地的地层中,变成一条放射性明显偏高的“细细红线”——这是人类留给这颗星球的最“雄伟”印记,至少将在岩层里留存数十亿年。


核爆炸 | 1970年7月3日在法属波利尼西亚群岛进行的Licorne核试验。图源@planetdeadly.com


除此以外,我们生产的混凝土、玻璃、塑料等难以降解的物质,也会成为埋藏在沉积物里的“技术化石”,彰显人类的工业制造能力。


长满藤壶的塑料瓶 | 即使漂浮在高温高盐的海洋里,塑料片也能长久不坏,甚至成为藤壶动物附着的基床。而当它们最终沉入海底时,则洒遍了整个大海,成为海床上的人造垃圾。图源@VCG


化肥、农药、有机污染物、富集的金属元素会保留在土壤、湖底或海底的泥沙中,成为“地球化学化石”,彰显着人类的技术能力。


至于那些构建在地下的建筑、矿井、石油钻井、矿场、尾矿坑等破坏了天然地层的地方,则保留着工业改造的痕迹,成为“信息化石”,凝结着人类对岩石地球的改造行为。


堆积有序的矿渣 | 矿渣常会被填埋起来,它们保留下被人为破碎的痕迹,与周遭的岩石和天然泥砂截然不同,将“这里采过矿”的信息保存下来。图源@VCG


除了这些有形的改变,还有一种无形的人类遗产,那便是向水和大气中排放的污染物和温室气体。


最好的时代vs最坏的时代


从人类生存的角度,拥有对自然的巨大改造能力,有助于获取更多资源,开拓人类生存的边疆,似乎对于人类来说,“这是最好的时代”。


但就对自然的影响能力而言,“这也是最坏的时代”。岩石地球是46亿年来星际物质的累积,人类在它的面前何其渺小,至今也只完成了最大垂直深度12262米的钻井,对于平均厚度35km的陆地地壳来说,完全谈不上破坏。


科拉超深钻井 | 垂直深度达到12262米的科拉超深钻井SG-3,至今仍是人类最深的钻井。该项目于1970年启动,1995年停止,2005年后井场被废弃。图源@wikipedia


但对于大气圈和水圈构成的流淌地球而言,各类污染物和温室气体的排放让大气和水不堪重负,人类造成的改变早已经大到不容忽视。


以温室气体为例,在乔治·卡林进行那场脱口秀的1992年,全球大气的主要温室气体二氧化碳含量是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区相关环境数据 | 大气二氧化碳、海水二氧化碳分压和海水酸性都在逐渐增大。图源@NOAA


从物理机制上,二氧化碳这样的温室气体能够截留大量地表热量辐射,由此产生的辐射强迫是当代全球变暖的主要原因[18]。短短28年,我们在一代人的时间里,制造出许多新问题。这些环境的改变已经开始明显影响着生态系统和人类社会[18~19]


对于自然,动植物的栖息环境发生快速的变化(升温、干旱、水淹、大火、海水酸化、海水缺氧等),其中一些难以及时迁徙的生物难逃灭顶之灾[18~19]。以无法迁徙的珊瑚为例,海水不断升温使珊瑚逐渐排出体内共生的藻类,失去颜色的同时也并失去藻类生产的养料,很快就会因饥饿而死亡,这种现象被称作珊瑚白化


珊瑚白化现象 | 珊瑚失去共生藻类,变成白色,随后很快就会死于饥饿。图源@USGS


据统计,仅2016年至2017年,在澳大利亚东部的大堡礁,有大约93%的珊瑚都发生不同程度的白化。而在2014年至2017年,全球有70%的珊瑚都受到白化威胁。如果放任海水保持当代的增温速度不变,到本世纪末时,海洋中的浅水珊瑚可能都会消亡[20~24]


澳大利亚大堡礁近年来发生严重的珊瑚白化 | 2016年3月至11月间,澳大利亚大堡礁遭遇强大热浪袭击,在升温最高的北部(南纬9.5°至14.5°)有大约一半的珊瑚最终死亡。南部受损情况较小。图b是DHW(Degree Heating Weeks,一周内水温比当地夏季平均最高水温超出几度)。目前,这些地方的珊瑚仍未恢复。据估算,完全恢复到之前状态可能需要10-15年。来源@文献[20]


对于人类,加快迁徙步伐的动物和昆虫对人类栖息地产生冲击,甚至加速疾病传播,例如近年来中国南方登革热的发病率就因蚊子数量增多而出现提升[25];自然灾害的频发和海平面的进一步上升,也增加了出现气候难民和社会动荡的风险;对农林牧渔行业的不利影响远远大于有利影响[19,26~27],从更隐秘的角度影响人类社会,甚至可能因饥饿引发战争;冰川消融会加剧区域性水资源紧张,造成社会不稳定因素。


写给Ok冰川的墓志铭 | 2019年8月,冰岛Ok冰川因消融严重被取消冰川资格。这是冰岛人为Ok冰川撰写的墓志铭,留在了它曾经矗立过的地方。制图@陈随/星球科学评论


“这是最好的时代,也是最坏的时代”。


如果我们继续怀着“征服自然”的传统观念,现在无疑是最好的时代。但如果从“可持续发展”的视角出发,这也是“最坏的时代”。


凭借着工业能力,人类已经成为当下主宰着流淌地球和活地球的力量,也只有人类自己,才拥有在当下做出改变的能力。


保护与你我有关的地球



这样一个时代到底有多坏?我们需要选择一个合适的时间尺度来科学看待。


地球有46亿年的历史,各种变化持续的时间长短不一。正如板块运动引发地球气候冷暖转变的时间尺度为亿年至数千万年,但四季变化带来冷暖交替的尺度则是一年,使用不同的尺度看待世界时,引起环境变化的控制因素显然各不相同。


过长的观察尺度,无助于人们正确认识当代环境问题的严峻性。


恐龙时代比当代温暖许多,但这与你我无关。因为在亿年的观察尺度上,引起气候变化的原因是板块漂移、海洋闭合等超宏观因素,它们早已融进了我们这个时代的底色——我们正处于一个长达5500多万年的变冷趋势中,这与印度板块和欧亚板块的碰撞有关。



不同观察尺度下越来越冷的新生代|以千万年和百万年的尺度来看,新生代的全球温度长期变冷;但以十万年的尺度看时,却可以发现明显的周期性,图源@文献[28](上图),NASA(下图)


人类祖先诞生的300多万年前比现代要温暖一些,但这也与你我无关。因为在百万年的观察尺度上,高原的抬升、山脉的隆起是更显著的气候控制因素,而青藏高原在距今约350万年启动新一轮快速隆升,至今以隆升4000米左右,显著影响了全球季风[29~30]



最近15万年和最近1.1万年的气温变化 | 在15万年的尺度上,当代是一个快速升温之后的稳定高位期;在1.1万年的尺度上,当代处于总体稳定、缓慢降温(不考虑当代全球变暖)状态下。图源@NCDC(上图)、文献[31](下图)


大约8000年前的诺森格瑞比期(距今8200~4200年前)比今天温暖3~4摄氏度,长江的入海口还在镇江附近,东海海平面比当代高2~3米[32~34]。但这也与我们无关,因为当时正处在一个十万年气候旋回结束后的高温期。在万年至十万年的观察尺度上,地球自转轴的变化会引起接受太阳辐射强度的改变,从而改变地球的气候,这被称作米兰科维奇旋回,它们同样融进了我们这个时代的底色。


不同周期的米兰科维奇旋回与冰川期的对应图 | 米兰科维奇旋回拥有若干种不同级别的周期,周期大概为9.5万-12.5万年的偏心率旋回对最近几十万年的气候控制因素最为明显,其他的周期则叠加在一起。图源@wikipedia


这些不同时间尺度的概念,就像俄罗斯套娃一样,大周期内套着小周期,小周期内套着更小的周期,叠加成一个错综复杂的体系,这也是地球系统的最大特点[1]


俄罗斯套娃 | 地球系统具有多种不同时间尺度的周期,它们就像俄罗斯套娃一样一层层叠加在一起。图源@VCG


当我们在讨论“气候变暖”时,是指自工业革命以来的百年时间尺度上,世界的温度正在快速升高;假如站在的十万年尺度上时,当代地球正处在上一次十万年周期结束后,快速升温已经结束、即将启动长达数万年降温期的阶段;假如站在5000万年的时间尺度上,地球新生代以来长期变冷的趋势十分明显,再持续个千万年似乎也不成问题。


基于不同观察尺度的地质历史时期温度变化曲线 | 本图中不同时代的观察尺度大小不同,从亿年尺度到千年尺度,我们可以得出截然不同的结论。图源@VCG


更何况,冷暖的状态从来不是重点,冷暖变化的快慢才是。无论对于人还是万物生灵,过快的环境变化会造成极大的生存压力。然而,工业革命以来的全球变暖速度之快,不仅在人类历史上是空前的,甚至放眼到地质历史时期,也是十分罕见的。即便是5600万年前的古新世—始新世极热事件(PETM)事件,升温速度也仅仅是每千年1.0摄氏度左右[35]


但在当代,人们正在面临的是比PETM时期快十倍、甚至数十倍的升温速率和温室气体累积速率[35~38],是如何在未来80年将温度升高控制在2摄氏度以内的问题。而如果不加控制,则完全可能在2100年升温5.5摄氏度左右(或更高),在140年后面临PETM时期的全球生态圈改变[38]


在PETM的时代,部分海洋浮游生物和底栖生物发生灭绝。如果类似情形在人类世地球再次发生,将会对海洋和人类社会造成怎样的冲击,这还是一个未知数。


古近纪“古新世-始新世极热事件”示意图 | 该事件发生于距今0.55-0.56亿年前的古近纪早期,大气和海洋温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。图源@文献[37]


当代地球的环境变化速率,超过了地质记录能够提供的想象力。恐怕,只有超级火山爆发和大型小行星撞击这样的大灾变事件,才能与人类正在对地球造成的影响相提并论。


无迹可循,是为烦恼。


而放眼一两百年为尺度的近未来,假如人们不真的拿出壮士断腕的勇气做点什么,任当代无需增长的碳排局面继续发展,不仅人类的生活会在未来变得一团糟,万物生灵的处境也会发生剧烈的改变——某种意义上,是变得更糟。


人类会选择哪一种未来?|RCP路径是根据不同碳排放量模拟的未来升温场景,大力减排实现负排放的RCP2.6路径是最理想的预期,本世纪末的全球升温不超过2.3℃;而无所作为的RCP8.5路径是最糟糕的预期,本世纪末的全球平均温度或升高3.2-5.4℃。水泥在生产和正常使用中,也会产生二氧化碳排放,是化石燃料之外比较重要的碳排放源。图源@文献[39]。


过去的45亿年,地球经历过许多环境的变化,但这与你我无关。此后的亿万年,任它天翻地覆海枯石烂,那些过于遥远的变化同样与你我无关。自然会抹去它能够抹去的一切,在起起落落中找到一个自己存续的位置。


只有当下和未来,只有今后的100年、200年,与你我有关,与后代有关,与生长在同一片蓝天下的万物生灵有关。


在人类活动引起的短期环境冲击面前,它们与我们都是受害者,现下的活地球是最大的受害者。


所以,地球到底需不需要人类保护?


当然需要,而且人类也有这个能力,缺少的只是行动的勇气,发达国家与不发达国家之间的团结与公正,和循序渐进、行之有效的科学方法。


保护地球,不仅是保护我们自己 | 还有江山,还有生灵。制图@郑伯容/星球科学评论


保护当下的地球,不仅是保护人类自己的未来,因为要完蛋的并非只有我们,还有那些正在受到快速环境变化影响的动植物。


保护当下的地球,不是保护这颗宇宙里的巨大岩石球,而是保护水圈、大气圈、生物圈(及其他的表面圈层)


保护当下的地球,既是保护与我们一起活在地球上的芸芸众生,也是保护当下可以感知到的人类世地球,是保护每一条溪流,每一口呼吸,每一朵盛放的花儿,和每一只远方的生灵。


是要“我死后哪怕洪水滔天”,还是要为子孙后代的福祉、万物生灵的生存做出更加科学、理性、负责的抉择,这个选择题,你有答案了吗?


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