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生物圈能阻止全球变暖吗?FFP Osifu Oasis  

2015-04-18 18:40:51|  分类: 【生态保护】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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生物圈能阻止全球变暖吗?FFP Osifu Oasis - FFP.OSIFU OASIS - 动植物保护FFP OSIFU OASIS

 

如果不是森林召唤来了云朵,世界升温的速度会更快。难道说,盖亚实际上并不是那么软弱无力?图片来源:deviantart.net

(文/Stephen Battersby)早晨觉得冷,就把暖气调大些,或是加件衣服;中午暖和了,就把窗户打开降降温。这样的事,你可能想也没想,今天就做了好几次。我们对于控制周边环境早已是轻车熟路。

那么,地球作为一个整体呢?生物圈能调节出适宜的环境,防止地球变得过冷或过热吗?这正是20世纪60年代詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)提出的盖亚假说的核心。气候学家对这个理论不以为然,他们指出,地球历史上曾经多次出现剧烈的气候波动,其中一些甚至正是由生物引起的。

现在看来,若不是植物释放出了一些气味芳香的混合物,全球变暖会比现在还要严重。研究证实,这些化学混合物确实可以改变天气,而日复一日年复一年地改变天气,也就改变了气候。尽管这种新机制还远远没有强大到足以成为全球气候变暖的救星,但是在过去,在空气还洁净的时候,它的作用或许要比现在强大。所以,莫非盖亚并非束手无策?

生命在气候系统中的重要作用毫无疑问。我们呼吸的空气中含有丰富的氧气,却只有微量的二氧化碳,这便是由植物创造出来的。大量原本会流回大海的雨水被树木吸收,又释放到了空气中。在亚马孙河流域,可能大部分降雨都来自树木自身释放的水气。

其他各种各样的影响还有很多。云层中也已经发现存在细菌,这些细菌也许可以作为凝结核,促进云朵的形成;大海中欣欣向荣的浮游生物,会吸收太阳的热量,使海水表面升温。如此种种,不胜枚举。

问题是,这些影响到底有多重要?确切地说,生命是完全听任太阳等外界作用的摆布,还是能够在一定程度上控制气候?洛夫洛克的主张是,生物作用与非生命过程协同调节环境。他指出,在过去40亿年里,太阳已经变得更加明亮,然而从长期上来看,地球依然保持着适合生命生存的温度。洛夫洛克说,生物可能起着行星恒温器的作用,还维持着海洋盐度平衡和其他化学平衡。

直至今日,洛夫洛克仍然认为,盖亚的存在是不证自明的。他说:“地球大气层的化学不平衡如此严重,要稳定在这个状态,必须有一个非常强大的系统随时随刻进行调节。”但是,即使生命确实有助于控制空气和海洋的成分,也并不能确定它具有调节温度的能力。

现在我们知道,地球气候曾经出现过一些剧烈波动,其中包括数个“冰雪地球”(Snowball Earth)阶段。当时,地球上的绝大多数区域都处于冰封之下,地球生命几乎毁于一旦。这种超级大冰期可能也是由生物引发的,生物从大气中吸收二氧化碳,由此造成地球变冷。

科学家认为,把地球从冰冷的厄运中解救出来的,是所谓的“地质恒温器”——当地球变热,岩石破碎就会加快,一些矿物会与二氧化碳发生反应,降低大气二氧化碳的含量;当地球变冷,风化过程减慢,火山排放的二氧化碳便又开始在空气中积聚。

盖亚复出

因为这种负反馈作用,地球温度保持在不冷不热的适宜范围内。然而,地质过程需要数百万年才能发挥作用,盖亚仍然有介入的余地。虽然有时候会出一点灾难性的失误,但是有没有可能在较短的时间尺度上,生物通常有助于避免气候波动呢?一个清晰的机制会让这种设想更有说服力。当温度开始变得过高或过低时,生物应该以某种方式做出反应,朝反方向努力,使温度回到令人愉快的中间值。

1987年,洛夫洛克等人提出了一个这样的机制。他们指出,海洋中的藻类会释放一种被称为二甲基硫醚(dimethyl sulphide)的气体,这种气体能与空气发生反应,形成硫酸蒸汽,再凝聚成小小的雾滴,也就是气溶胶。这样的气溶胶能够直接反射阳光,也能够增白云团间接增加阳光反射,从而为地球降温。

要形成云,只有冷却的湿润空气是不够的,还需要有合适的颗粒作为凝结核来吸附水汽,水滴才成形成和生长。这些颗粒的大小还必须要达到100纳米以上。来源于二甲基硫醚的硫酸气溶胶如果生长充分,恰好能够达到这个级别。这一理论的提出者推测:温度升高时,藻类蓬勃生长,释放出更多的二甲基硫醚,“播种”更多的云滴;更多的云滴会使云团颜色更白,反射更多阳光,从而使温度降低——至此,负反馈循环完成。

这个设想以4位作者的姓氏首字母命名,被称为CLAW假设。虽然这个假设为许多研究提供了灵感,但是这个过程本身,最多具有微乎其微的影响。观测结果显示,海洋上空高达60%以上的云,凝结核是盐雾,其余大部分也是直接从海洋表层飞溅上来的固体有机化合物。美国太平洋海洋环境实验室的帕特里夏·奎因(Patricia Quinn)和蒂莫西·贝茨(Timothy Bates)在2011年的一项年度回顾中指出,这几乎没给硫酸气溶胶留下参与的空间(参见《自然》杂志,480卷,第51页)。

这个假想的反馈循环的另一阶段也值得怀疑。奎因说:“人们乘船出海,培养藻类,观察藻类对温度或辐射增加的反应。”海水升温时,藻类确实散发出了更多的二甲基硫醚,但是增幅极小,完全达不到让天空增白的级别。

如此看来,CLAW假设似乎过于微弱,拉不动地球气候的杠杆。或许,这项工作可以由另一种绿色植物来完成。2004年,芬兰赫尔辛基大学的马库·库马拉(Markku Kulmala)提出了一个新的反馈循环。他和他的团队在芬兰南部的一片松林里,测量了一组叫做萜烯(terpene)的化学物质的浓度。许多植物都能产生萜烯,而且萜烯是挥发性的,极易进入空气。我们在松林里闻到的那股清香,就有一部分是萜烯的味道。萜烯还是从松脂中提炼出的纯松节油的主要成分。

萜烯分子和其他挥发性有机物在空气中会被氧化,挥发性降低。然后,它们凝结到已经存在于在空气中的微小气溶胶颗粒上,使得颗粒增大。这就意味着,更多的气溶胶颗粒增长到了足够的大小。过去几年里,库马拉所在的研究团队对芬兰一处欧洲赤松林上空的萜烯数量和大于3纳米的气溶胶颗粒数量进行了监测。他们发现两者之间存在着强烈的相关性,同时在夏季植物生长最旺盛的时期达到高峰。库马拉据此提出,如果气候变暖,植物可能会释放出更多的萜烯,从而制造出更多具有降温作用的气溶胶,这就形成了一个负反馈循环,将对气候变暖起到反作用。

不过,这只能算是一个相对靠谱的猜测。库马拉的研究既不能证明随着温度升高森林会释放出更多的挥发性有机物,也没有证明气溶胶颗粒能够成长到100纳米以上,足以成为云凝结核。数据来源只是一个地点,还不能作为全球性现象的证据。

与此同时,在远离芬兰森林的瑞士日内瓦附近,欧洲核子研究中心(CERN)粒子物理实验室的贾斯珀·柯克比(Jasper Kirkby)和他的团队正忙着在巨大的不锈钢房间里造云,其中的一些实验尝试重现了云形成的第一步,即气体如何凝结形成萌芽状态的气溶胶颗粒。柯克比说:“如果有一天,你在一场暴雨之后眺望远山,留心看的话,会发现清洗一新的大气中,已经又出现了一层蓝色薄雾。这是因为大气中一些含量很低的气体形成了新的气溶胶颗粒,这些颗粒把光线散射进了我们的眼睛。”新颗粒的形成需要硫酸蒸气,而硫酸蒸气来自海洋中藻类产生或人类工业附带产生的二氧化硫。

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 如果气候变暖,植物可能会释放出更多的萜烯,从而制造出更多具有降温作用的气溶胶,这就形成了一个负反馈循环,将对气候变暖起到反作用。图片来源:blogspot.com

粘在一起

人们曾经认为,硫酸蒸气自己就能凝结。然而,柯克比在2011年发布的研究结果证明,事实并非如此。少数分子可能会粘在一起,但这种萌芽状态的气溶胶是不稳定的,它们几乎总是分离开,而不是越长越大。

不过,当研究团队把微量的氨加入到空气中时,硫酸分子团得以稳定地生长,成功生长为气溶胶颗粒的分子团数量,比之前增加了1000倍。然而,这只有我们看到的大气硫酸气溶胶实际形成速率的千分之一。所以,一定还有别的什么东西起了作用。

“排除了氨之后,剩下的唯一可能就是有机化合物了,”柯克比说。“我们现在已经对数种有机物进行了一系列研究测试。”那些结果还在接受评议之中,因此柯克比不打算进一步发表评论,只是说这些结果“非常有趣”,会在今年晚些时候公布。

尽管如此,根据他所在团队发表的研究成果,我们已经可以看出,挥发性有机化合物对云有巨大影响,除了能使已经存在的气溶胶颗粒变大之外,它们还能帮助硫酸气溶胶形成。

此外,英国曼彻斯特大学戈登·麦克费格斯(Gordon McFiggans)的研究团队指出,挥发性有机化合物还能以第3种方式对云产生影响。当云凝结核收集水汽并逐步生长成小液滴时,挥发性有机化合物也和水一起被吸收进来,改变了液滴的化学性质,从而能够吸引更多的水分子。2013年5月,这个研究团队发表了一篇论文,证明这种影响可能会显著增加液滴数量(参见《自然·地球科学》,第6卷,443页)。每立方米的云中含有的液滴越多,云团就会越白越松软,能把更多的太阳热量从地球反射走。

麦克费格斯目前正在曼彻斯特展开实验,以期得到进一步的发现。“我们有一个新的光化学实验室,可以用于处理气体混合物。在这里,我们用弧光灯模拟太阳照射类似大气成分的混合气体,烹制出一批气溶胶,再喷射到云室,”他说,“然后,我们就可以看到,有机蒸气是否能让云团更加稠密。”

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 森林释放的挥发性有机化合物,会对局地的天气产生调控作用。图片来源:《新科学家》

几个方向的证据都表明,有机化合物可能会对云团产生重大影响,而决定性的证据来自一项涉及全球11个气象观测站的研究。这个研究团队同样出自芬兰的赫尔辛基大学,由保利·柏森恩(Pauli Paasonen)主持,库马拉也参与在其中。他们采集了上述气象站的气溶胶样品,计算其中足以形成云滴的颗粒浓度,还监测了一系列挥发性有机化合物的含量水平。

2013年4月,这个团队公布,他们发现了一个强烈的关联模式(参见《自然·地球科学》,第6卷,438页)。在空气洁净的地方,如芬兰和东西伯利亚,云凝结核的数量随温度升高而显著上升。柏森恩推算,在这些未受污染的地区,这种冷却效果强大到能够抵消当地温度上升量的1/3,可能足以保护一些林区免受严重气候波动的影响。

“但是,在空气污染较为严重的地区,反馈并不显著,”柏森恩说。这也是合理的,因为这些地区早已雾霾重重,挥发性有机物虽然会使颗粒稍稍变大,但是对总体数量影响甚微。

有趣的是,由于萜烯与温度的联系非常密切,人们认为萜烯是植物个体降温机制的一部分。这看起来是个相当奇怪的巧合,个体降温功能的集体发力可能具有让整个地区降温的作用。“就像我们能通过出汗让天气变凉爽似的,”柏森恩说,“那会大有用处!”

洛夫洛克认为,这可能是一个进化适应的过程,生物具有调节周边气候的能力,对提高生存几率大有裨益。他说:“如果方法成功有效,就会扩散开去。”

上升到全球范围,植物的制冷能力可能就没有那么强劲了。柏森恩估计,植物的气候反馈作用能抵消约1%的全球变暖量。然而这个数据仍存在着较大的不确定性。我们尚不了解生物气候反馈对于云层的全面作用,而且,要了解全球层面上的意义,我们还需要研究更多的观测点。实际上,这个数字可能高达5%或10%,也可能远小于1%。

“可以肯定的是,这救不了我们,”柏森恩说。而且,他的研究结果表明,在农田和原始森林上空,这种作用的效果是相同的。因此,想要采取一种简单的地球工程方法,通过种植某种特定植物来提高该作用的效力,也不太能行得通。然而在以前,人类污染还没有超出反馈作用负荷的时候,它的影响要强有力得多。“这些论文的作者并没有深入阐述久远的史前时期,”英国埃克塞特大学的蒂姆·莱顿(Tim Lenton)说,“当陆生植物最初演变出来的时候,冷却效果应该会非常显著。”

同一方向上可能还有其他反馈在起作用。洛夫洛克说:“这些作用叠加起来,效果就可观了。”例如,奎因说,在陆地上起了大作用的挥发性有机化合物,在海洋上空可能同样有效。盐雾依然是海洋上空云凝结核的主要来源,但是有机蒸气可以附着到小盐粒上,促使它们成长到足够大的尺寸。已经有几支队伍开始展开海上观测,不过柏森恩确认陆上反馈时使用了覆盖较长时期的观测数据,在海上想要获得这样的数据,难度很大。

总之,至少在小范围里,盖亚可以影响气温。遗憾的是,我们不仅毒害了她,削弱了她的力量,还释放出了她的邪恶的孪生姊妹。由于北极变暖,植被开始取代冰雪,深色的植被吸收了更多的太阳热量,形成了加速北极变暖的正反馈。2013年早些时候发表的一项研究指出,这种反馈比此前认为的要强烈得多(参见《自然气候变化》,doi.org/k27)。

目前尚不清楚这些作用的综合效果。也许正反馈的效力会压过负反馈一头,悄悄破坏着所谓生命为自己创造舒适环境的理念。但是,即使盖亚比我们认识到的更有力量,我们也不能依赖她伸出的援助之手,拯救我们的,仍然只能是我们自己。

 

编译自:《新科学家》,Gaia's comeback: How life shapes the weather

来源:果壳网


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