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对之进行了计算，这就是所谓的米兰科维奇”（Milankovitch）机制。最有趣、或许也是最令人困惑的是；人们发现大约在60一80万年前，极端寒冷期和温暖期的主要旋回周期，转变为各间冰川期高峰之间的10万年周期（尽管4万年的周期仍不太明显地存在着）。最后一次主要冰）l问大约在1万年以前结束。2万年前，北欧和北美的大部分地区覆盖着与其现代海拔高度相当的互．64千米问英里）厚的冰盖（图2．2）。冰川在全球各地的高原和山脉中扩大。热带雨林范围收缩，而沙漠则在扩展。大量的海水以冰的形式被限制在大陆上，使得当时的海平面与现代相比下降了100余米。巨大的冰原蚀刻着陆地，塑造着地形。全球范围内平均比现代低约了C一7℃的冰川期温度改变了地球的生态面貌。
为什么在大约80万年前，10万年级别的周期主宰着更短更弱的间冰川期旋回？为什么在数百万年前存在着气候的冷暖旋回？尽管目前已有一些令人鼓舞的观点和计算结果，但围绕上述问题的明确答复仍有待探寻。
远古的空气
地球科学在过去20年间所取得的最有趣的发现之一来自格陵兰和南极的冰芯。雪降落至这些冰冻的大陆上，当雪压实成冰时，雪颗粒之间的空气最终以气泡的形式被封闭在冰中，其中有些气泡已有20万年的年龄。
科学家们将数百个5米长的冰柱从2000一3000米深处带至地表，然后通过雪上飞机将这些冰柱运到岸上，从这里再长途运输到法国、瑞士、丹麦及美国的一些实验室中，用来进行冰芯及气泡的化学成分分析。这些冰芯为我们提供了地球大气圈历史的记录，其时代可以回溯至10一20万年前的祖先尼安德特人时代。
在实验室内，这些被切成条状的冰芯在密封的器皿内进行融化，气泡内释放出来的气体被一些灵敏的仪器所检测。通过这样的工作，我们可以知道，古埃及和阿纳沙兹印第安人（Anasazi丘山ans）所呼吸的空气的成分与现代人呼吸的空气的成分大致相似，只是现代人呼吸的空气中增加了过去一二百年间所带来的污染物。这些污染物主要有：过量的SO。、CO。及甲烷。前文我已指出，工业革命和滥伐森林已使大气的CO。含量增加了25％，而与农业、土地利用及能源利用有关的大量人类活动则使甲烷增加了15％。检测中还发现一些自然变化现象，如大规模火山喷发中的酸雪。
在我看来，来自冰芯的最引人注目的发现并不是在人类文明的过去1万年间温室气体和全球气候的相对稳定性，而是南、北极冰芯所揭示的这样一个事实：即平均来说，本次盛冰川期大气与我们生活的全新世的大部分时期相比，CO。含量要低30％一40％，甲烷含量低50％（事实上，这里的全新世指的是工业革命及其造成污染以前的全新世）。在极盛冰川期及此前的间冰川期（大约12一15万年以前）也发现了温室气体与温度之间类似的直接关系
这一显著的发现暗示：在C（）。、甲烷和气候之间可能存在一种正反馈（不稳定）机制（而不是负反馈机制）。这就是，当地球变冷时，上述温室气体减少，而这又造成被大气圈闭的热量减少，从而加剧地球的变冷。当地球变热时，O）；和甲烷含量增加，从而加快了变热的过程。盖亚假说指出，为了保护气候的稳定性，生命必须发挥作用以控制环境条件。但是，如果说生命在匕述温度一CO。一甲烷关系中起一定作用的话（这是可能的），那么，它对气候条件变化进程所起的作用将是加速，而不是延缓。这里，科学的故事仍旧是不完美的。不管怎样，大多数科学家同意这样一种观点，即生命在晚近的冰川期和间冰川期、气候变化和温室气体之间的正反馈关系中，曾经是一种主要因素。
对我们上面的讨论至关重要的，并不是我们还没有令人信服地找到能够解释生命在CO。一气候正反馈关系中的作用的特殊机制，而在于这种反馈呈现出正反馈特征这一事实。这与我们从大气自高CO。、低O。的太古代，演化至约5亿年前的生物大进化时代（经历10至20亿年的过渡时期）研究中所得的结论不同。如前所述，在这一长期的过渡时期中，生命或许是CO。消耗过程中的一种重要营力，这种消耗有助于气候的稳定，从而构成盖亚假说中隐喻的负反馈。
与此有关，地球化学家罗伯特·伯纳对其早先提出的地球化学模式进行了修改，他在新模式中增加了六种新的成果和因素，包括诸如海底扩张和长时期太阳光照度的增加等无机因素，以及大约3亿年前陆生维管植物的进化和分布所导致的一些有机作用过程。盖亚假说的支持者们曾经指出，后者还导致土壤中化学风化作用加剧进行。
针对大约3亿年之前二叠／三叠纪之交的已被广为承认的寒冷时期，伯纳指出：“在以丰富的煤为特征的二叠纪一石炭纪时期，沉积有机物的大量埋藏造成大气中CO。含量的降低，这一作用使得发生在古生代中期的CO。含量的显著下降，并在此时得到进一步的加剧。CO。含量的下降所造成的温室效应的降低可能对二叠纪一石炭纪的冰J；D作用产生重要影响，这次冰川作用是地球显生宙（过去5．7亿年间）整个历史中规模最大、历时最久的一次冰川作用。这些结果又进一步支持了这样的观点，即认为在地史时期，大气的温室效应是影响全球气候变化的一个重要因素。”
伯纳的研究结果，除了加深我们对温室效应的理解以外，还给气候学上的有机一无机之争带来启示。他明智地忠告思想开明者：“无论是用纯地质学的方法还是用纯生物学的方法来解释长周期的碳循环，均是过于简单化的。”
空前的全球变化吗
将热圈闭的温室效应理论编制成气候的数学模型，计算结果表明，当CO。（或如CH。那样的有相当遮热效应的其他温室气体）含量增加1信时（如果人口、经济、技术如人们所预计的那样继续发展下去，大约在下世纪中叶即可达到这一水平），到2100年，地球气温的增幅范围将是IC一SC。
即使是上述幅度的下限（l），也意味着每百年平均增加l，这一速度10信于从未次冰川期结束到现代间冰川期这段时间内，全球温度自然持续变化的平均速率。如果采用增幅范围的上限，我们将看到，未来百年气候变化的速率是自然持续的气候变化的50倍。以这一速美变化的全球气候，将毫无疑问地促使许多物种调整它们的活动范围，以适应快速变化着的气候条件，就像它们在1一1．5万年以前由冰川期向间冰）；潮过渡时所表现的那样。
史无前例的是人为因素所造成的变化将可能以一个极快的速率进行，与此同时，大自然则由于人类行为所造成的大量化学物质或异地物种的移植而受到改造。因此，理解CO。含量增加1倍后，地球的温度是上升至℃还是SC是相当重要的，这两种预测结果之差别，反映了全球变化是以相对可适应的还是以灾变性的速率发生。
由于与L述多重相互作用反馈机制有关的因素的不确定性，要估计下一世纪全球变热的速率仍是相当困难的。将用于预测未来气候的同样的气候模型应用到白尘纪中期或冰川期一全新世过渡时期，可以为我们提供一定的佐证作用。科学家们的确是这么做了，而且发现在进行地质时代的古气候变化模拟以及未来气候变化的预测过程中，这些气候模型相对来说有一致的表现。虽然这是一条有价值的证据，但它并不能对模型所作的地区性预测的细节加以证实或否定。
如果CO。含量在未来50年内翻一番，将会出现何种后果？纽约大学的马丁·霍弗特（Martin Hoffert）及劳伦斯·利弗莫尔（Lawrence Livermore）国家实验室的柯特·科维（Curt Covey）等科学家，对未次冰盛期与现代这两个时期的CO。及甲烷含量差别与气候之间的关系进行了研究。他们的结论是，如果增加了1倍的CO。使地球的温度升高ZC一2．5C（此值处在前述流行预测值范围的中间），则气候之间的差异正好可以据此来解释。
冰芯记录（见图2．3）表明在过去的大约1万年间（人类文明时代），气候、CO。及甲烷的含量保持相对的稳定。在过去的两个世纪（工业革命时代）以前，温室气体的化学成分也几乎不变。全新世时期，伴随从本次冰）；1期到现代间冰川期的5000年的过渡时期，全球温度平均升高SC和海平面上升100米，此后地球的生态系统和生物聚居地，即以我们今日所知的面貌出现。大自然化了大约5000一1 年的时间，才将北美洲和欧洲的大部分地区以及高纬度海区被冰所覆盖的地表景观，转变为目前的主要在两极陆地和海区以及高山地区才出现终年冰盖的地表景观。由于这一转变正好对应着SC左右的全球变暖，我们因此可以估算全球自然的、持续的稳定变化速率约为IC／千年（请记住这一数字，我们在后面还将多次提及这一数字）。
我已经指出过，这些变化足以使物种的聚居地和聚居的物种环境发生急剧变化。它们或许还导致了诸如猛局象和剑齿虎这类动物的灭绝。
盖亚假说还是共同进化
在某些方面及某些规模上，生命对保持稳定的气候变化起到了促进作用。然而，在从间冰川期到冰川期或从冰川期到间冰川期的过渡时期，生命所起的作用似乎是加速了（而不是减缓了）气候的变化。这种复杂性使我在20世纪80年代，将其与18年前生态学家保罗·埃利希和彼得·雷文（Peter Raven）所命名的一种生物过程相类比。两位学者的研究阐明了两种相互作用的物种的共存，是如何导致与它们相异的另外一些进化路径。他们称之为共同进化。
我觉得，气候与生物的共同进化是一个合适的类比。换言之，如果缺失其中任何一方，生物以及包括气象要素在内的无机环境，将会在地史时期遵循与它们所曾经历过的完全不同的进化路径。共同进化在正反馈或负反馈之间并没有特殊的倾向性要求，它需要的仅仅是相互作用，而地球的化石和沉积记录无疑成为这种相互作用的见证。
最后，如果允许人类将自己视作生命（即生活着的自然系统）的一部分，那么，我们可以说，人类对地球的集体作用，完全可以成为地球未来的一个重要的共同进化因素，这种集体作用被某些研究者称为“工业代谢作用”及新的工业生态学。（有关这种作用好坏与否是一个价值问题，对此我们将在本书的结束部分予以讨论。）
目前人口的持续增长趋势、对高质量生活水准的渴望以及为了达到这些以增长为导向的目标而采取的技术和组织方式，均促进了被经济学家称为残余物（residuals）（而我们大家称之为污染）的副产品的产生。
在这些地质时代内的全球规模的自然实验中，没有一个实验能够精确地与目前正在进行的由人类活动引起的全球变化实验相比较。因此，我们仍无法提供决定性的证据来证实我们的预测是对的。这些实验只是积累一些恰如其分的证据，使得我们目前的预测至少是合乎情理的。它们当然也证实了我的看法，即为了对地球未来的气候变化进行关键的预测，以认识地球生态系统及人类的命运，我们必须从陆地、海洋、冰盖中挖掘出尽可能多的地质、古气候和古生态记录。不幸的是，一些目光短浅的政治势力常急功近利，削减这些似乎深奥难懂的研究的费用。
上述记录是地球自然历史的图书馆。它们提供了一种背景，对照这种背景，我们可以调整目前仍显粗糙的手段来洞察模糊不清的未来，而这种未来正遭受着来自人类的日益增强的影响。
第三章 是什么引起气候变化
模拟是一种手段，它是我们用来预测未来变化或借以解释过去曾经发生过的事件的重要方面。为了检验模拟对于描述实际古气候事件的各种数据的适应性，了解过去曾经发生过的事件的某些重要方面是关键所在。这样的检验，将有助于科学家了解，如何使用来自这些模型的有关信息以及如何去证实他们的预测。我们因此也将能在进入新世纪之际，更好地对面；临的大量公共政策问题进行评价。遗憾的是，已知的气候模式可能未能包含所有的未来条件，而我们的各种模型尚未能针对迥异于已知气候模式的各种情形进行较好的调整。因此，我们仍需继续寻找进一步检验模式的各种途径。我们所拥有的用以进行这类检验的最好的物理实验室，并不是那种由玻璃和钢材构筑而成的实验室，而是地球本身，特别是我们所掌握的有关地球历史时期的知识。是上下涨落还是衡稳趋势
可以在各种不同的尺度上对气候进行模拟，这些时间尺度可以从数千万年（例如，白至纪的时间尺度）到10万年（如冰川期、间冰川期的交替变化），抑或数年。
为了了解并可靠地预测全球变化，需要进行许多不同时间尺度的模拟。与地球系统科学有关的全球变化问题，主要考虑的是人类引起的气候变化。根据全球气温记录，并进行适当平均，显示自19世纪中叶以来全球温度上升了大约0SC（图3．1）。有人仍坚持认为这一变热趋势，特别是20世纪80一90年代创记录的变热，仅仅是一种自然涨落。因此，对各种时间序列下可以识别的特征变化类型进行分析，或许会提供一些帮助。
其中一种变化是这样一种周期性变化：时间序列围绕某一均值上下摆动。
还有一种可能是在两个长期均值之间的跳跃性变化。例如，当一座火山喷发时，抛向平流层的硫酸烟雾将阻挡部分太阳光，并引起地表的快速冷却，这就是一种跳跃性变化。地表的变冷效应通常可以保持1年左右，然后温度在一个数年的变暖趋势中呈逐步升高趋势。1991年菲律宾的皮纳图博火山的喷发就是这一情形，其温度效应可以在图3．l中观察到。
在长期的上升趋势中也可以出现短期的下降趋势。在过去100年间，全球表面温度经历了一种整体的上升趋势。叠加在这一上升趋势之上的，是一些数年或数十年的温度“反弹”。这些反弹是一些自然的、随机的涨落过程，还是由一些可以确定的气候系统以外的外界营力（不管它们有多么小）引起的？如火山尘埃、太阳辐射变化及人类活动等。对此，研究人员和气候观测者们仍争吵不休。
一个有趣的假想例子是这样一种时间序列，在该序列中，虽然温度的长期平均值是恒定的，但随着时间的推移，序列内的变异增加了。例如，温度下降到OC以下仅仅几个小时，就足以使一棵玉米夭折。对这棵玉米来说，温度越过冰冻这个门槛就是一次大事件，不管这种温度仅仅是一种随机的涨落变化还是代表了一种真实变化的趋势。同样，一只鸟或一只昆虫死于30C以上的高温所预示的是一种变异程度不断增加的趋势，对这些动物来说，这是一件相当大的事件，但是，对一个只关注温度的长时期变化的气候学家来说，他并不会将此视作是一种气候变化。同样，对于那些老年人或流浪者来说，仅仅几天的酷暑即可置人于死地，有如1995年7月热浪袭击芝加哥时所发生的悲惨事件一样。
科学家们总是在寻找变异背后的种种原因，如果这些原因是可靠的，它们将有助于科学家们在涨落中区分出真正的变化。正如我曾经指出的那样，过去的气候是多变的：有冰川期、有延续数千万年的无冰时期、甚至还有一二十亿年大气中缺失或极少含有氧气的时期。与现代相比，各大陆曾处在不同的地理位置，来自太阳的能量也不一样，而大气的成分亦有差别。换言之，地史时期的一些天然“实验”曾见证了一些尺度极大的变化，在许多情形下，甚至比人类在未来几十年内通过改变大气化学成分所能施加的影响还要大。但是，与人类所可能施加的影响相比，这些巨大变化的自然速率通常（但不完全是）要缓慢得多。要预测气候，我们不应仅仅局限于寻找验证的手段，我们还需要识别、分析促使气候变化的各种因素，这些因素被称为“气候营力”。
循环
地球轨道形状控制某时某地抵达地球的阳光数量，它就是一种气候营力。比如，来自太阳的热量促使了季节的变换。基本的大气循环是由太阳营力来驱动的。当阳光照射进来时，其中一部分阳光立即被反射回太空，这种反射绝大部分是由云、沙漠和冰盖来完成的。地球的这种反射阳光的能力又被称为反照率，它决定了所吸收的太阳能的数量。人造卫星观测所得地球整体的反照率为30％左右。