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迁徙是它们的一个典型的反应。大约1万年前末次冰川期消退时，云杉就是这么做的。但从那以后，地貌景观发生了巨大的变化，那些在末次冰川期期间通过迁徙而幸存下来的物种能够逾越21世纪的高速公路、农业区、工业园区、军事基地以及大城市的威胁吗？如何以经济上最合算或政治上最可行的方式来实施我们的生物保护计划，这需要某种科学的指导。全球变化研究就是涉及这类问题的科学。要回答这类问题，我们必须依靠各有关学科并自问：我们拥有什么样的知识？要向各位专家（不管他们是医生还是地球系统科学家）提出的最重要的两个问题是：地球会发生什么？发生的可能性又有多大？
地球系统科学家试图将来自各门学科的信息进行创造性综合，以回答各种尺度上的实际问题。
我们已经遇到了敌人
人们很少会故意制造环境问题。这种做法倾倒有毒废物以及点燃油田只是一些例外情况），然而，大多数的环境问题是全球各地无数小规模和看似微不足道的环境污染行为的总体表现。不管是偶然的还是故意的，其结果同样是有害的，如局部范围的鱼类中毒和全球范围的气候变化。对环境影响来说，动机是无所谓的。只是在处理这种影响带来的恶果时，动机才起作用。无论我们是有意还是无意，我们针对环境采取的大部分行为也是针对地球的一种实验。虽然视而不见或拒绝解决是政治上简单得多的“解决办法”，但我们每个人都有责任对我们无意识行为的潜在后果保持清醒的认识。正如斯坦福大学人口生物学家保罗·埃利希（Paul Ehrlich）曾经巧妙地指出的那样：“对自然规律的无知绝不是一种借口。”人类因素
全球环境恶化的原因常常被归结为越来越多的人为了谋求更高的生活水平而使用了导致土地污染或分割的技术或行为。1971年，保罗·埃利希及当时的加州大学伯克莱分校能源分析学家约翰·侯德伦（John Holdren）X4此提出了如下的公式：I一PAT。即：环境影响（I）是人口（P）、单位人口的财富（A）及所使用的拉术（T”）三者之乘积。
假如观察者撇开大的或全球范围的环境问题而只关注局部的环境问题时，上述三个因素的作用可能不容易观察到。观察范围的不同，可以识别出的影响因素也不同。从局部来看，可以认为贪官污吏或工业污染是当地环境问题的主要根源。从大局来看，日益增加的土地或能源利用以及人口的增长或许会成为主要因素。
我曾经说过，要使我们的分析有用，我们就不能忽略全球变化中人类活动的因素。某些国家的经济状况要优于其他一些国家。在发展中国家中，追求更多的经济利益是其经济计划的一个驱动力。而一旦那些计划被认为将对全球环境构成威胁时，发达国家与发展中国家之间的关系也就随之出现紧张。就局部而言，对引发污染的燃料实行征税是鼓励环境保护、开发或使用洁净替代燃料的一种积极措施。但征税会引起能源价格的上升，后者对穷人的影响远较富人为大。面临经济困难的人们通常优先考虑经济增长，而不是环境保护。我们的新闻媒体上已经出现了这类环境与发展、利益与效率相平衡问题的报道，这类问题在未来的几十年内将引发更大的争论。另一个被称为“代际平衡”的问题也面临同样情况：我们今天对经济增长的渴望，以及明天想让后代过更富裕的生活的愿望，将使我们自食其果，并给后代遗留下一大堆环境问题，而他们却是无法参与今天的决策的。
今天世界的人口大约在55亿到60亿之间，其中10亿人生活在营养缺乏的边缘，每年有数百万人死于与营养不良有关的、原本可以避免的一些疾病。这些人要求提高生活水准，我们也理应帮助他们提高生活水准，但如果由此采取的措施没有考虑到对地球的影响，那么这些措施就不能说是合理的，甚至连这些论争的理论依据也是值得讨论的。社会学家罗宾·坎特（Robin Cantor）和史蒂夫·雷纳（Sieve Rayner）曾注意到，如同其他人类价值观的冲突一样，“环境论争可以理解为人们各自援引木同的有关大自然行为的迷误来支持不同的政治和道德信仰的结果”。因此，要全面阐明环境与发展这～两难矛盾的价值观问题，必须在自然科学和社会科学中揉进人文研究的成果。随着我们不断增加对控制地球环境的各个系统的了解，系统之间错综复杂的相互关系以及上述问题的解决办法将会明朗化。
在本书中，我会讨论局部环境问题及其对全球环境的影响，也会讨论全球环境问题，后者事实上也影响着局部环境。在我们称为地球的这个系统中，所有事物都是相互联系的，因此，研究环境是非常迷人的。而且，虽然各个变量之间的关系可能捉摸不定，但其总体效果却显而易见。显然，我们尚不知道所有答案，甚至连所有的重要问题都还没有弄清！要对全球变化的科学和管理问题进行充分评价，尚需要一些跨学科研究队伍数十年的努力。但我们已经取得了相当多的认识，而且可以做很多事来降低风险。具有科学知识和政治变革的决心的公众，能够应付我们面临的许多困难。我撰写本书正是基于这样一种愿望。
在我们展望气候和生命都充满阴影的未来之前，有必要回溯一下我们的生物地理学上的起源：年轻的地球开始孕育生命的久远的太古代。
第一章 有机的与非生命的地球，一种动态的结合
如果有机会乘坐时间机器“作一次旅行，去对远古时代地球上自然发生的各种变化进行测年和测量，我想，大概没有一位活着的地球科学家会不马上抓住这一机会的。地球科学家可以超越数千年时间，观察地球表面大陆的漂移，这种移动不仅改变了大陆的位置及大气成分，而且使它们携带的生命也发生了变化。地球科学家还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化。只要适当注意，他们还能检测到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的。有机物与无机物是互相联系的，具体表现在地球化学与生物学、地质学与气候学的关系上。在时间机器中，一切都在运动着，在不停地变化着，就如一张由生命和无生命单元的动态结合所构成的巨大、错综复杂并且变化着的网。如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会轻易理解这一图案的，除非他或她是一种怀着对地球的好奇的群体的一员，这一群体的人们使用一些精致的方法，来揭示远古以来曾出现过的大量的各种图案。这一群体以及他们所采用的方法，当然就是我们今天所称之地球系统科学的主要构成部分。
这种动态过程发生在地质时代。地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在这里，1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（H G．Wells）《时间机器》中的人物可以看到几个世纪以来文明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里旅行的生物学家或地质学家或气候学家，可以观察到有机体的进化过程，以及它们与地球之间的相互关系。
一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期。在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案，这一谜案不仅包含了地球系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球的一些无意识实验的危害这一现代科学论争的中心。我们会在那里看到什么？
我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木，也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、～米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度高达38C，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦，这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太阳要比今天的太阳小。
原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作用的研究中来时，我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也随着把氢转变为氮的热核反应而变得越来越大，其亮度也不断增加。大多数科学家相信，自地球诞生以来的大约45亿年间，太阳的发光度增加了约30％，其中有5％是在过去到乙年间增加的。就是在这6亿年间，生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无法洗去的化石印记。
超级温室效应
如果将进入地球的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这将使我们陷入严寒之中。但是，在太古代，气候明显温热，而且没有冰冻天气——请记住，我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问题就是众所周知的“弱早期太阳佯谬（early faint sun Paradox）”。在1970年，康奈尔大学的卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（GeorgeMullen）提出了一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应。他们认为，甲烷和氨这两种气体能够在地球大气层的下部非常有效地俘获红外辐射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足，从而保持一种温热的气候。批评者认为上述观点是怪诞的。他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的寿命较短，因此要取得上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定是生物对之进行补充入果真如此，太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷和氨以使地球保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知，而这也是为什么时间机器对那些热衷于探究地球奥秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一。
虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物过程还是由与生物体无关的其他过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是，但萨根和马伦的基本思想已被大多数学者接受。然而，当代研究表明主要的超级温室气体是CO。，而不是CH或NH3。但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们。如果太古代确实出现过萨根他们所推测的那种现象，那么这种现象会否再现？
要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程。
在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加，至少在一个假说的早期是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题。这里的问题是：为使太古代保持温和的气温，如果当时的CO。含量数百倍于现代，那么，在此后的30亿年间，随着太阳发光度增加了大约25％，又是什么作用使得地球气候没有相应出现急剧过热的情形？
这一疑难问题