地球系统：一物牵全身

地球科学在20世纪中经历了根本性的变化。世纪初，地球科学的主体只是陆地的地质找矿，罗盘加锤子。至今这还是地质工作的“基本功”，国际地球科学联合会会标上写的还是“Mente et Malleo”（思维和锤子），但是一个世纪下来，地球科学的面貌已经完全改观。从宏观上看，地球物理的手段使我们不仅能研究地球的表面，而且深入地球的核心，如通过地震波发现地球内核旋转比其他部分更快^[1]；在微观方面，地球化学的同位素示踪法可以追踪从前的地质过程，如用化石牙齿中的碳同位素，可以判断古动物当时的食物类型。^[2]如今的地球科学，不仅研究地球的固态圈层（岩石圈），而且研究液态（水圈）和气态圈层（气圈）；不仅是寻找和开发矿产资源，而且研究环境的变化和保护。^[3]最大的进展在于把地球作为整体来研究，认识到地球是一个整体，牵一发而动全身。

板块学说是地球科学20世纪最大的发现。世界海底的地形中，最令人注目的是6万千米长的洋中脊体系，把大洋分成不同的板块。通过深海钻探，发现在洋中脊两侧的地壳年龄越远越老，这就证明海底扩张的事实^[4]。由此得出的概念就是“全球构造”：海洋和陆地合在一起划分为若干个板块在相对移动，每个板块的地壳从大洋中脊产生，然后逐渐向外推移，在俯冲带消亡（如图1所示）。所以，地球的岩石圈实际上是一个整体，每个板块有它的开始，也有它的终结。

图1　地球的板块运动

A.板块分布：全球的地壳分为若干相对移动的板块
B.板块从大洋中脊产生，到俯冲带消亡

不仅岩石圈是这样的，海水也是这样的。4 000米深的海底照片上还可以看出许多波痕，证明大洋深部水底的海水还在运动，快的一秒钟走40厘米，被称为“深海风暴”。^[5]而这些洋底深处的海流并非杂乱无章，而同样是一个整体。两极附近海水结冰，海冰附近的海水既咸又冷，密度最大，于是沉入洋底并扩散到各大洋的海底。这种深层水的形成今天在北大西洋最为强烈，用海水中溶解的CO2测定其中放射性碳（14C）的比例，就可以得出海水下沉以来的年龄。从全世界大洋3 000米深处海水的年龄分布看，从北大西洋的250岁到南大洋500岁，而到北太平洋已经1 750岁，年纪最老。^[6]这就表明世界大洋的海水流动也在三维空间中构成一个整体，有人把它比喻为“大洋传送带”（如图2所示）^[7]，底层水从北大西洋经过南大洋流向北太平洋，表层水从北太平洋流向北大西洋。如果进一步把各大洋的垂向水流也表示出来，就像一个复杂的管道系统或者“血液循环系统”^[8]。正因为这样，我们说地球上每个圈层都是一个系统，北大西洋的冰盖融解，就会通过这个系统影响太平洋，“牵一发而动全身”。如果这条“大洋传送带”一旦停运或倒转（冰期时很可能出现），那么全世界的热量输送系统就会被打乱，地球上的气候就会发生巨大的变化。^[9]

图2　世界大洋的水圈是一个整体：“大洋传送带”假说

不仅各个圈层是一个系统，地球上各个圈层之间又发生相互作用，地球表面的气圈、水圈、岩石圈和生物圈联结起来构成一个整体。把地球各圈层作为一个完整的系统来研究，才能够理解地球上种种变化的机理，从而取得预测地球环境变化的能力。例如，我们能预报三天的天气，但不能预报几个月后的天气，原因在于海洋对大气的控制。厄尔尼诺就是最好的例子，东太平洋气候反常，根子原来在西太平洋的热带海水，近年来发现西太平洋次表层水温变化是厄尔尼诺的前兆，掌握了海、气相互作用的规律，就可能提前半年预报厄尔尼诺，这是大气科学的重要进步。^[10]同样可以举地震预报为例，地震灾害发生在日本、我国台湾地区，而震中分布在西太平洋板块俯冲带。最近大洋钻探船在日本以东深海海底钻孔，将传感器深埋在海底以下2 000米深的井底，随时监测太平洋板块微细的运动，有望为陆上地震预报提供重要线索。^[11]

正式把地球各圈层联结起来作为系统研究的国际计划，就是“全球变化”。由于工业化以来大量消耗化石燃烧，把地质时期光合作用固定在地层中的有机碳，经过燃烧变成CO2重新排放到大气圈中，造成大家所熟悉的“温室效应”。然而从工业化到现在大气中增加的CO2，远少于人类活动排放出来的CO2。那么，“失踪”的CO2到哪里去了？现在有种种说法，但主要是到海洋里去了。海水中CO2约是大气中CO2的60倍，因此海水中微小的变化足以对大气造成重大影响。大气中CO2增多，海水表层溶解的CO2也相应增加，并被浮游生物制造成有机质（碳水化合物等）和碳酸钙质的骨骼，生物死亡后沉到海底进入海洋沉积，退出海洋和大气的碳循环。^[12]这种通过海洋生物把大气中的碳输送到海底岩石圈中的作用称为“生物泵”。然而，碳酸盐骨骼到了深海底部还会溶解，因为海水越深压强越大、温度越低，碳酸盐越容易溶解：

到一定深度时由上而下沉降下来的碳酸盐骨骼，和深海溶解作用消失的碳酸盐相互抵销，这就是“碳酸盐补偿面（CCD）”，此面以下碳酸盐基本上不能堆积（如图3B所示）。早在1912年，在英国“挑战者”号考察船环球航行基础上绘出的沉积分布图（如图3C所示）表明：以水深四五千米为界，较浅的海底沉积物中富含碳酸盐而呈灰白色（钙质软泥），较深的海底沉积物因缺乏碳酸盐而呈红色（深海红黏土），这条界线（即CCD）称为“海底雪线”。地质资料表明，无论是表层海水的生产力或者深层海水的“海底雪线”都在随着冰期旋回发生变化，这种变化呈万年尺度的周期性。^[13]这比生物光合作用将大气CO2输入生物圈，生物腐解作用又将CO2输回大气圈的时间尺度（季节或百年以下）长得多；而更长的周期则是岩石圈与大气之间的碳循环。

图3　海洋中的碳循环

岩石圈的主要成分是硅酸盐，而硅酸盐风化作用要消耗大气中的CO2：

所以当造山作用使岩石圈抬升遭受剥蚀时，就会减少大气中CO2的含量；相反，当岩石圈随板块俯冲到深处，在高温高压下就会发生“脱钙”作用或变质作用：(www.xing528.com)

通过火山活动CO2又回到大气圈中。这种岩石圈和大气圈之间的碳循环时间尺度长达千万年以上。^[14]

由此可见，地球上的碳循环至少有三个层次：只看陆地与浅海，生物圈与大气圈间的CO2循环是季节到百年尺度的周期；涉及深海的碳酸盐沉积与溶解，碳循环的时间尺度长达万年等级；而板块运动中岩石圈的碳循环则长达千万年以上（如图4A所示）。认识到地球系统中多层次碳循环的复杂性，就很容易理解人类活动排放的CO2会“失踪”。应当指出，各圈层碳循环的时间尺度不一样，其碳储库的大小也不一样。上述四大圈层中大气圈含碳最少，但大气环流的运动最快（一般＜100年）；大洋的碳储库是大气的60倍，但全球海水循环的周期属千年等级（＜103年）；岩石圈的碳储库最大，但运动周期也最长（107—108年）（如图4B所示）。^[15]总之，从大气、大洋到岩石圈，密度越来越大，含碳量越来越大，但循环的时间尺度越来越长。如果只从大气圈和生物圈的相互作用来讨论CO2浓度变化，肯定是不够的。但是研究地球系统内多圈层的相互作用，其难度正在不同圈层间进行不同尺度的耦合。

图4　地球表层系统中碳和碳循环

A.地球上的碳循环（数字示碳循环的时间尺度）
B.地球上不同圈层的碳储库

研究地球系统变化最成功的实例是冰期、间冰期的旋回。大约两万年前，地球陆地有1/3被冰盖覆盖，不仅南极是冰盖，北美、西欧，包括整个加拿大和美国北部和西欧的北部全被冰盖覆盖，厚达两三千米，甚至四千米，世界海平面下降120米，大气中CO2浓度只有180ppm，相当于现在的1/2。这是怎么知道的？古代大气中的化学成分来自极地冰芯，从冰芯气泡中抽出气体进行测定，可以得出CO2含量。而古代海平面和海水温度来自浮游有孔虫壳体的稳定同位素分析。有孔虫是一种单细胞动物，壳体由方解石（CaCO3）组成，其中18O与16O的比值与海水保持平衡，能够反映全球冰盖大小和海平面下降的幅度以及海水的温度。有趣的是：深海沉积中有孔虫的氧同位素曲线与冰芯气泡中CO2含量曲线相互平行，而CO2含量又与温度曲线相互平行（如图5A所示），反映地球上冰期与间冰期的旋回。^[16]我国黄土高原黄土—古土壤剖面的磁化率曲线，也与深海沉积中两百万年来浮游有孔虫氧同位素曲线一致。^[17]这又一次表明地球是一个整体，由于地球旋转轨道参数的周期性变化，造成地球表面接受太阳辐射量的增减^[18]，反映在海洋、大气和陆地各个方面。地球表面从大气圈到深海海底，各种界线都会随之发生升降变化，只是反应的时间尺度与变化幅度不同，而且通过地球系统内部的反馈，相互间呈现复杂的关系，至于这种万年尺度的轨道周期是一直存在的，现在大洋钻探已经取得一千多万年来有规律的周期现象。^[19]

图5　地球上气候变化的冰期旋回

A.南极冰芯40万年的记录：a.冰芯气泡中的CO2含量，b.冰芯同位素记录的温度曲线
B.有孔虫氧同位素的锯齿状曲线

仔细观察冰期/间冰期的气候曲线（如深海沉积中浮游有孔虫的氧同位素曲线），十分显著的特点是曲线呈锯齿状。也就是说曲线只在一定范围内摆动而并不“出格”，而且变冷与变暖并不对称，变冷慢而变热快（如图5B所示）。^[20]前者的原因在于地球气候系统的内反馈机制：气候变冷到一定程度，地球上过多的水分冻结在冰盖中，就会大大减弱水汽循环，不能再继续变冷。后者的原因比较复杂，但答案看来又在深海海底。在海洋上陆坡底下数百米处，有像冰一样的物质保存在地层中，称为天然气水合物（gas hydrate）。这里甲烷（CH4）分子被锁在冰的晶格中，外形像冰（如图6A所示），但里面含天然气，在海底地层中（低温、高压）呈固态，一旦取出来就会熔化并释放出CH4，因而称为“可燃冰”。大洋钻探曾在美国以东大西洋海底专门钻探天然气水合物，取得了标本。而天然气水合物在各海洋中广泛分布，据估算其总储量是已知化石燃料的两倍，有可能成为新世纪的新能源（如图6B所示），正引起各国政府的高度重视。^{[21] [22]}而甲烷又是一种温室气体，其温室效应是相同质量CO2的十倍。只要由于中层水的海温发生变化或者其他原因引起海底温度、压强的变化，就会大量释放出来，突然增加温室效应，造成全球迅速转暖^[23]，因此在冰期旋回中转冷是渐变的，增暖是突变的。虽然这种新的气候变迁理论还有待实际资料的检验，但至少又一次表明地球系统是一个整体，气候变化的原因有时很可能来自深海海底的某种不稳定成分，只需要海水中某种不显著变化的触发，就可能给气候系统带来重大影响。

图6　天然气水合物

A.外形和分子结构；B.全球有机碳储量的分布（单位：Gt）