與山火共生的未來，我們該如何應對？

2019-2020對我們來說似乎非常不友好，先是8月份的亞馬遜森林大火，接下來是持續4個月的澳大利亞山火，似乎讓半個澳大利亞都陷入火海之中，剛剛過完年熬過疫情的我們又面臨一次雲南的山火。

澳大利亞山火地圖 圖/BBC

這絕不是偶然，而是氣候變化下的必然。在過去的兩百年中人類快速將過去數億年間封存在地下的碳釋放出來，這些碳在燃燒過程中形成的二氧化碳正在快速改變整個地球的環境，山火肆虐只是微不足道的影響之一。我們的未來會怎樣？這個問題我們或許能夠從地質學家們哪裡得到部分答案。不過在講地質學家們的答案之前，我得先給可能的非專業人士簡單科普一下基礎的知識。

一、地球系統

從45.5億年前地球剛剛形成開始，地球上所有的運動的能量來源都來自於內外兩個方面。

來自於地球內部的能量主要是熱能，地球的溫度隨著深度增加而增加，到了地核處，溫度可能高達6000℃，這麼高的溫度，讓地殼之下的部分物質融化形成了巖漿，我們可以簡單的把地球內部的模型看作是一個燒水壺，地心處不斷加熱液態的巖漿（我們簡單把巖漿理解為液態就行，實際上很複雜，我們有機會講），在初中我們就學過熱的氣體會上升冷的氣體會下降，巖漿也類似，被加熱後的巖漿向上翻湧，而「漂浮」在這些巖漿之上的地殼也隨之運動，這就是我們在地球上板塊運動和火山地震等的動力來源。

在這個過程中，火山噴發出巖漿和大量氣體，巖漿冷卻形成了固體的巖石圈；而噴發出來的氣體則包含水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等等各種各樣的氣體，在到達地表以後，水蒸氣冷凝成地表的各種水體，這就是水圈的來歷；其他的氣體則漂浮在空中形成了大氣圈，大氣中的二氧化碳就是這麼來的。到這裡，巖石圈、水圈、大氣圈就形成了。

地球的巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈 圖/網絡

當地球的各個圈層形成之後，來自地球之外的能量開始改造地球，這種能量就是陽光。陽光在到達地面後，加熱巖石、水、大氣，水和大氣也開始玩熱的上升冷的下降這一套，這就形成了風霜雨雪的地表氣候。

陽光是形成地表氣候的主要動力 圖/網絡

但是陽光照射的過程中，不管是巖石、水還是大氣，一方面會吸收陽光的能量，一方面會反射陽光的能量。其中氣體對於陽光能量的吸收比較強，它們不光自己吸收太陽直射的能量，還會吸收來自巖石和水體反射到空中的陽光能量，在吸收完這些能量之後，這些氣體會把這些能量再次釋放到地表，讓地表增溫。我們把這種氣體稱為溫室氣體，二氧化碳就是其中非常重要的一種溫室氣體。

溫室效應示意圖

正因為二氧化碳氣體是一種非常重要的溫室氣體，而且在過去的數十億年間，地表的溫度也隨著二氧化碳氣體濃度變化而上下波動，所以在面臨如今的氣候大變局下，科學家們對於地球系統中的碳循環非常重視

二、碳循環

地球上的二氧化碳主要的來源其實是火山，火山噴髮帶來的大量二氧化碳會迅速增加地球表面的溫度，所以可以想見在地球剛誕生的前幾億年中，地表的溫度可能是非常高的。

不過好在地球迅速演化出兩種主要的降低二氧化碳的方法：

第一種方法是非生物的方法。陽光能量驅動的氣候變化會讓巖石破碎，在破碎的過程中與二氧化碳反應形成新的巖石，從而將二氧化碳固定到固體巖石中。

第二種方法是生物的方法。大約38億年前，生物出現了，它們迅速演化出一項非常特殊的能力：光合作用。光合作用能夠利用陽光將氣態的二氧化碳轉換為固態的有機物。在正常情況下，光合作用固定的碳和生物呼吸作用釋放的碳是平衡的，但是自然界就是存在許多不正常的情況，一旦這些生物被迅速掩埋，那麼它們將會形成化石（煤炭、石油等），這些化石將會以固態保存下來，這樣，大氣中的二氧化碳就降低了。

生物固碳作用

不過這並不是全部，在地球內部能量的作用下，地殼是在不斷運動的，不斷運動的地殼之間相互碰撞，形成俯衝帶。俯衝帶就好像一個傳送帶，它會把已經形成的巖石送到地下深處溫度高的地方再次融化成巖漿，這些巖漿經過複雜的運動後噴出地表，又會讓二氧化碳以氣體形式釋放到空氣中。

以上就是碳循環的大致過程，這個過程控制了地球上的二氧化碳含量。

不過，自從人類進入工業社會以來，成為了一個額外的碳循環控制者（破壞者？），在過去兩百年間，人類大肆開採煤礦和石油，在毫無節制的燃燒利用之後，這些煤礦和石油中的碳迅速釋放進入大氣中，讓地球上的二氧化碳含量快速增加，這就導致地球升溫和氣候的迅速變化，所以在現在，研究地球上的碳循環就成了一個非常重要的課題。

好了，到此為止，我們的基礎科普終於講完了，開始進入正文，講講目前的氣候變化和我們的應對措施。

四、全球變暖

最近200年來，人類以一個前所未有的速度開採利用煤炭和石油，並大規模砍伐森林，這讓大量二氧化碳釋放到地球大氣中，二氧化碳的增加讓地球正在面臨一個快速的氣溫升高過程，這就是傳說中的全球變暖。

很多人可能對於全球變暖的理解僅僅是海平面上升，極端天氣增加這個層面，我在此對全球變暖的影響進行簡要的說明。

首先，最直觀的影響就是我們上面說的兩條，海平面上升，極端天氣增加。科學家們估計，當全球冰川全部融化，全球的海平面將會上升60-70米，後果就是目前大部分的人口密集區將會淹沒在水下；而極端天氣的增加相較於這一後果，則就真的只是個弟弟了。

全球冰層融化後的結果 圖/National Geographic

其次，全球變暖可能會影響到全球的大氣和大洋環流，這些環流多是由溫差驅動，將溫暖的空氣或者是海水送到寒冷的地方，將冷的空氣或是海水送到熱的地方，這使得地球表面溫度趨近於均衡，但是全球變暖可能破壞原有的環流，比如加利福利亞冬暖夏涼，這是因為它受到北大西洋環流的影響，如果這個環流消失了呢？這可能會導致當地氣溫驟降，美國著名的災難片《後天》就是一個以這個為背景的故事。所以，全球變暖可能會導致全球的局部小氣候發生劇烈變化，很多原本宜居的地方都不在宜居。

在《後天》中，因為氣候變化，美國被冰封

再次，全球變暖的速度過快，將很可能讓生物們無法適應快速變化的環境，導致生物大滅絕，已經有科學家提出來，現在的生物滅絕速度已經很快了，如果持續下去，達到5次生物大滅絕的水平只需要240-540年，所以我們現在正在面對的很可能是第6次生物大滅絕。生物大滅絕後會怎樣呢？舉一個簡單的例子，我們人類目前大規模種植的水稻、小麥，它們在生長過程中其實都需要蜜蜂的傳粉，沒有傳粉我們就沒有主食可以食用，而現在全球都在面臨蜜蜂大規模死亡的狀態。

整個地球如同一個精密運行的系統，只要一點出了問題，其他我們很可能想都想不到的地方會隨之停轉，我們無法完全預知未來的發展，為了儘量對我們的未來做一個全面的了解，科學家們正在試圖通過了解地球的過去來預測未來的發展。

三、深時古氣候：以史為鑑

在高中的語文課外讀物上，我記得有這麼一句話「以古為鑑，可知興替」，這句話的原本的意思是將歷史上各個王朝的興衰故事作為鏡子，可以幫助帝王更好的治理國家。這句話放在氣候變化的研究中也沒毛病，我們要預測未來的情況，可以先看看在地質歷史時期發生過的類似事件，從這些事件中我們也許能夠得到有意義的參考。

只不過，在這裡的歷史是非常非常遙遠的遠古，遙遠到我們極度難以探測，因此，我們將這種非常遙遠的遠古時期成為深時。就好像我們說遙遠的太空為深空，說極深的海洋為深海一樣，我們用深時來代指遙遠的遠古時代。從科學的定義上講，深時古氣候，實際上研究的是從地球形成以來一直到260萬年前的第四紀早期，這四十多億年的地球氣候變遷歷史。

那麼，這麼遙遠的過去，我們靠什麼研究它的氣候變化呢？畢竟正兒八經的人類歷史有文字或者是文物的記錄，而遠古的氣候變化有什麼東西能夠記錄呢？

巖石！地質學家們是一群研究地球演化歷史和演化規律的人，在他們眼中地球上所有發生過的事件其實都已經被記錄在了巖石之中，破解了巖石中的信息，我們就能讀懂地球的故事。比如，黑色的有機質頁巖往往指示了當時海洋中的缺氧環境，而紅色沉積則往往代表海洋中的富氧環境（紅色大多是鐵元素被氧化造成）；巖石中的氧同位素含量差異，也會指示氣古溫度的差異；植物化石中的葉片氣孔數，能夠指示當時二氧化碳濃度，等等。

植物葉片化石中保存的植物氣孔數也能間接反應二氧化碳含量 圖/wikimedia

為了研究地球深時的古氣候變化，全球的地質學家們聯合起來進行了大規模的大陸和大洋科學鑽探計劃，這些科學鑽探取回來的超長巖芯柱，就好像地球寫下的一本書，不同深度的巖芯代表了不同年代的氣候變化數據。（一般來講，古老的巖石更深一些，年輕的巖石更淺一些）

五、冰室氣候與溫室氣候

深時古氣候的研究成果之一就是告訴我們，地球的溫度並不是一直恆定的，而是在一個大範圍內來回波動。那些比較熱的時代中，兩極都沒有冰蓋，海平面也比現在要高的氣候，我們稱之為溫室氣候；而如我們現在這樣，在兩極都覆蓋有厚厚的冰層的氣候，我們稱之為冰室氣候。

至少從5.4億年前的寒武紀開始，地球絕大部分的時候都處於溫室氣候狀態，那時候的溫度比現在高很多，只有極少數（17%）的時候地球是處於冰室氣候中的，而我們現在，就正處於冰室地球氣候中。

這就是我們幸運的一點，我們可以從豐富的地球溫室氣候歷史中獲取對未來情況的答案。

六、未來會怎樣？

研究深時古氣候的一個重要手段就是大洋鑽探，科學家們從ODP 690鑽孔中識別出來一次存在於大約5600萬年前的一次極熱事件，這次事件是一次發生在極端時間內的二氧化碳增加、氣溫快速上升的事件，這次事件總共持續的時間大約是12-15萬年，在這期間經歷了多次二氧化碳的釋放和吸收過程，整個地球升溫5-6℃，同時伴隨有大規模的氣候變化、生物滅絕、演替和遷徙現象（正是在此過程中哺乳動物迅速崛起起來），這一事件中釋放出來的二氧化碳總量與預期中的人類過去與未來釋放出來的二氧化碳的總量可以對比，因此這一事件能夠作為未來變化的重要基礎。

PETM事件的起源目前眾說紛紜，不過有一種看法認為是事件之前不明原因的快速增溫，使得海底的天然氣水合物達到分解的閾值，導致甲烷快速釋放（可能是在200年內），甲烷的釋放以及快速氧化形成大量二氧化碳導致進一步快速增溫。這一假說對我們的重要啟示就是，如果我們如今不節制地排碳，全球增溫會不會導致埋藏在海底的巨量天然氣水合物分解釋放出來？一旦釋放，將會是徹底的浩劫。

從海底取出來的天然氣水合物

PETM事件全球增溫導致全球年平均降雨量得以增加，其中中高緯度地區變得潮溼溫熱，而赤道附近則變得尤為乾旱燥熱。如果我們現在的情況繼續發展，則也可能出現這種情況。

PETM事件除了導致氣候的變化之外，還導致了生態環境發生劇烈變化。在陸地上最顯眼的變化就是哺乳動物中新物種的「爆發」，這些物種包括奇蹄類、偶蹄類、嚙齒類和靈長動物的快速演化，可以說，人類的出現、人類文明的發展都與這次事件關係密切（人類是靈長類，奇/偶蹄動物為人類文明的發展提供了畜力來源）。

哺乳動物的崛起 圖/Jessica M. Theodor

在這些哺乳動物大發展的同時，還發生了一個普遍現象：個體矮化現象，據估計在這一事件中個體重量減少了50-60%。但是，這一影響對我們現在的啟示可能不那麼重要，因為動物的演化至少是在千年—萬年尺度的，我們如今最直觀的感受可能是生物的大滅絕，畢竟現在的環境變化太快了，許多生物會因為無法適應環境的快速變化而滅絕。至於快速演化出新物種或者是未來物種個體進一步減少，我實在是懷疑我們人類能不能看得到，畢竟我們人類文明的長度也就1萬年，再過1萬年會怎樣？鬼知道。。

PETM事件造成的另外一個影響就是海洋的酸化和海洋生物的大規模滅絕現象，其中最典型的就是珊瑚的大規模滅絕現象。作為對應的是，我們現在的海洋中，珊瑚也正在經歷滅絕過程，目前全球大約三分之一的珊瑚已經面臨滅絕，其中澳大利亞大堡礁珊瑚白化的新聞應該是最著名的，珊瑚作為25%的海洋物種的家園，珊瑚滅絕後會怎樣結果不言而喻。

現在的珊瑚正在大面積滅絕 圖/imgur

七、我們怎樣應對？

PETM事件發生後，地球大約經歷了15萬年的時間來恢復到事件之前的水平。在這15萬年間，地球上巨量的二氧化碳是怎麼消失的呢？首先是二氧化碳的增加實質上造成了一種類似施肥的效應，讓陸地上的植物和海洋中的藻類大規模繁殖，它們的光合作用消耗掉了大量的碳；其次是全球升溫導致氣候更加溼潤，風化作用加強，巖石在風化過程中吸收掉了大量的二氧化碳。

這對於我們應對全球氣候變化也許有一定的啟示。首先自然是控制全球二氧化碳的排放，這一點《巴黎氣候協定》之類的全球性合作行動正在持續，但是效果如何很存疑；其次就是增加生物固碳量了，減少砍伐，增加植被面積，增加海洋生物光合作用，但是說實話，我對於這一條也存疑，不是所有國家都能像我們中國這麼團結且有執行力的；那麼，可行的似乎是最後一條了，模擬巖石風化過程中的化學反應，通過化學反應固碳，這可能就是需要化學家們的考慮的問題了，我們人類最終的救世主可能是化工俠們？

八、後記

氣候變化是一個非常複雜的問題，本文是我在聽了王成善院士的講座《深時古氣候》的心得。王成善院士還講了通過松遼盆地深時古氣候研究還原白堊紀氣候的話題，對此我很感興趣，後面有機會再寫一篇白堊紀遊記吧~