極簡地理學（從自然世界到人類社會）

極簡地理學從自然世界到人類社會目錄\h自然\h河流\h海岸\h構造學\h氣候和天氣\h全球性問題\h社會\h世界人口\h聚落\h產(chǎn)業(yè)和能源\h旅游業(yè)\h發(fā)展自然河流/海岸/構造學/氣候和天氣/全球性問題河流河流為全世界人口提供了豐富的資源，也因水患奪走了許多生命，我們大概能夠以河流為起點開始追溯我們對周遭地理環(huán)境的記憶?！昂恿鳌边@個詞很容易理解——水在溝渠中向低處流，歡愉的山澗，震撼的瀑布，綿延的水路，洪水泛濫時河流的巨大水流裹挾一切阻礙……你也許學過河流在哪兒，它們有多長（表1），或許你還蹚過水測量河中的卵石和其他東西。遺憾的是，類似前者的知識大多有關埃及這樣的異域，而后者的實踐通常在任何當?shù)氐乃谰湍苓M行。表1最長的河流*世界上最長的河是尼羅河，但這個頭銜還能歸它多久？2007年，亞馬孫河位于秘魯南部冰川的一個新源頭被發(fā)現(xiàn)，即安第斯山脈的密斯米雪山（名字很好聽）。如果這個新源頭被認可，亞馬孫河長度將增加至6800千米，從而成為世界最長的河。①1英里≈1.609千米?！幷咦⒑恿骺v剖面“河流縱剖面”指的是河流的“組成”，即它從發(fā)源地到入?？谛螒B(tài)的改變。河流通常被劃分為三個部分——上游、中游和下游（圖1）。河流可能形成于泉水、沼澤或者陡峭山崖上的多余雨水，常常通過足夠的降水來補充和維持水流。從發(fā)源地到入?？冢蠖鄶?shù)河流的特征都因以下三個因素的相互作用而產(chǎn)生顯著變化：圖1河流從上游至下游的形態(tài)特點河道坡降——河床高度隨距離降低的速率。河道形態(tài)——河床和河岸的摩擦表面與河道的橫截面之間的關系。床面粗糙度——河床的小尺度特征及其對河水流動、起伏、翻滾方式的影響。當然，水流對地面的侵蝕只是故事的一半，地下的基巖同樣是河流作畫的畫板。河流在哪里流動得最快？你可能認為河流在上游發(fā)源地附近流得最快，畢竟那里比較陡峭。這可以理解，大多數(shù)瀑布確實在上游，它們的水流速度很快。但答案比這更復雜。在主要河段，水速最快的區(qū)域都出現(xiàn)在河道坡降的影響能夠克服摩擦力的地方。因此，一般是河道的摩擦力相對較小的下游地區(qū)流速最高。如何測算河流中的水量？河流中水的體積是它的流量，即橫截面積與平均流速的乘積。流量的單位是“立方米/秒”（cumecs），其通用的符號是Q。塑造地形河流很好地為我們展示了那些“高量低頻事件”對塑造地形的重要性。一年中的大多數(shù)時間中，河流能輕松運送其中的水，不會剩下太多能量用于侵蝕。也許每年有四到五次，河流的流量能大到溢滿河道（即“平灘流量”）。這時，河流的能量將達到它能承受的且尚不改變河道形狀的最大值。但如果水位更高，河水就會泛濫，流速隨時開始減緩。因此，河流能夠通過增減河道的被侵蝕程度來改變其形狀和縱剖面，從而控制洪水發(fā)生的次數(shù)。不過，這一切只有當河流不再能運送現(xiàn)有河道內的流量時才會發(fā)生。所以，只有當河流達到它能承載的最高能量的臨界點，它才會開始塑造新的地形。河流如何塑造地形我們可以用這個詞來幫助記憶河流侵蝕（海岸侵蝕也一樣）——CASH。磨蝕（corrasion）——水流中的石塊同河床與河岸碰擦，改變河道的形狀。更確切地說，這個過程應該被叫作“abrasion”，但這樣首字母記憶法就不好用了。磨耗（attrition）——水流中的石塊相互碰撞，產(chǎn)生更圓、更小的顆粒。溶蝕（solution）——水中的顆粒在河中漸漸溶解。在水略偏酸的石灰?guī)r地區(qū)，這一過程參與創(chuàng)造了地球地貌最美的曲線。雨水從高處降落時與空氣里的二氧化碳產(chǎn)生反應，產(chǎn)生弱酸性的碳酸。即使沒有任何大氣污染，雨水在降落的過程中也會變成酸性的。沖蝕（hydraulicaction）——河道中的水對河岸或河床的作用力會使水中的空氣無法釋出，繼而造成壓力，逐漸弱化河岸，使河岸或河床日益磨損。河流如何移動物體這里的“物體”指的是河流自然流動時所搬運的一切東西，包括礫石、卵石、巖石等。由于河流在流動，它具有動能，并可使用這種能量做以下事情：流動——即字面意思，使水流向前運動。除了沿途會產(chǎn)生溶解，這部分能量不會被用于做太多別的事。搬運——如果能量足夠，水流會攜帶一些物質并將它們運到下游。侵蝕——除了溶解一些微粒之外，河流幾乎不會發(fā)生侵蝕，除非河水處于高能量狀態(tài)。這種高能量的狀態(tài)只會在水流急速的地方出現(xiàn)，比如湍流；或者在一年之中流量很大的時候出現(xiàn)。搬運方式根據(jù)顆粒的大小和水流的速度，河流可通過以下不同方式搬運物體：溶解——正如你想的那樣，可溶物質溶于河水中，隨水移動，這是最易理解的一種方式。懸移——微小的顆粒懸浮于水流中，被攜帶向前，諸如泥或粉砂之類。躍移——水流的能量增大時，其中挾帶的物體會以反復懸浮和沉積的形式移動。推移——當漂礫太大而無法被水流挪動或者水速過慢時，漂礫能夠以推移的方式移動，即在河床上滾動或者滑行?，F(xiàn)實中，順流而下的物體會通過多種方式移動。例如，被推移的物體，可能會加速，同河床上的其他東西碰撞，被短暫提起，轉變?yōu)閼腋∥铩．斎?，大部分物體在一年的大多數(shù)時候都不會有太多變化。對于地理學家來說，尤爾斯特隆曲線（Hjulstr?m’scurve）是最了不起的曲線圖之一（圖2）。從本質上講，它告訴我們，顆粒粒徑和水速的關系不像我們想的那么簡單。該圖由瑞典地理學家菲利普·尤爾斯特?。‵ilipHjulstr?m）于20世紀中期繪制，根據(jù)在一種名為“渡槽”的人工河流中所做研究得出。有了渡槽，尤爾斯特隆可以精細地調節(jié)水速，并測量水速對顆粒大小不同的推移質\h[1]的影響。圖中有兩條線，高的那一條表示移動特定尺寸的顆粒所需的水速大小，而低的那一條表示能使顆粒保持懸浮狀態(tài)的最低水速。于是，如果流速低于沉積速度，顆粒便會沉積，如果流速達到侵蝕速度，該顆粒又會被卷起。我們都知道，大石塊需要高速的水流才能被挾帶走，如果石塊周圍的水流減慢或者出現(xiàn)紊流，石塊也會沉下去。但是，為什么最細小的黏土顆粒也需要如此高的能量才能被挾帶呢？畢竟，一塊比沙粒還小的顆粒幾乎沒什么重量。圖2尤爾斯特隆曲線答案既復雜又簡單。簡單的是，河床上的微小顆粒排列得很緊，水不一定可以穿透壓緊的表層來提起物質。復雜的是，黏土具有一種名為“膠束”的層狀結構。黏土顆粒帶負電，這種電荷會使顆粒附著在河床上，從而更加提高了使其移動所需的水速。這種顆粒極細小的物質一旦開始移動，理論上就永遠不會沉積，因為它們的質量太小，幾乎不需要什么能量就能使它們保持在懸浮狀態(tài)。正是這種細小的物質賦予了冰川河的渾濁外表，同樣是這種物質使得在“黑水河”——內格羅河與索里芒斯河匯合處的亞馬孫河變成了帶狀。當然，細小的物質不會永遠懸浮在河水中，它們最終還是會沉積下來。正是這種物質創(chuàng)造了河口的地形。曼寧公式19世紀下半葉，愛爾蘭工程師羅伯特·曼寧（RobertManning）想進一步拓展現(xiàn)有估測水流速度的數(shù)學方法。他得出了以下這個以他名字命名的公式。隨著土木工程的項目變得規(guī)模更大、風險更高，找到一種能用于計算水流速度的方法十分重要。曼寧的公式結合了三個影響水速的因素：速度=（橫截面積/濕周）2/3×河道坡降1/2/曼寧系數(shù)這個理論模型把影響水速的變量統(tǒng)一在一起。橫截面積和濕周表示河道形狀的效率，河道坡降與沿縱剖面施加的力有關，曼寧系數(shù)（n）則反映物質顆粒大小的影響（河床粗糙度）。n的值可以通過取樣并測量推移質的顆粒大小得出。大致而言，推移質的顆粒越大，n越大。所以在斯諾登尼亞冰冷的源頭處，n大約是0.10，而到了河口附近n大約為0.02。這也能解釋為什么河水流動最快的地方不是上游?？拷吹氐牡胤?，河道坡降很大，但推移質的顆粒也很大，同時淺灘和深槽的出現(xiàn)都會減緩水速。河流搬運能力與搬運量河流做功的能力差別很大，有兩個詞組用于描述河流搬運物質的能力：河流搬運能力——某一時刻河流可挾卷的最大物質顆粒大小。河流搬運量——任一時刻河流能夠搬運的全部物質的體積。河流地貌從瀑布到三角洲，從牛軛湖到曲流，我們總能記得一些典型的河流地貌。瀑布的形成當河道坡降發(fā)生變化，水的動能會首先讓河水泛起漣漪，有趣的現(xiàn)象由此開始。如果你意識到，1立方米的水即使在不運輸其他物質的情況下也有1噸重，你就能理解它為何會對河床和河岸造成一些嚴重的損害。再加上不同類型的巖石內部以及之間存在著較脆弱部分，這些因素都導致水流開始它的侵蝕工作。在瀑布底部的CASH過程會導致掏蝕，從而產(chǎn)生跌水潭（圖3）。跌水潭的出現(xiàn)使得垂直支撐消失，這會引發(fā)偶發(fā)的災難性崩塌和河岸后退，通常也使這里的水更深。圖3跌水潭的產(chǎn)生如果你有一個由軟質巖石（特別是沉積巖）和較硬的巖石組成的“三明治式”河岸，形成的峽谷就能十分壯觀。世界上不同峽谷被上述過程切割的速率差異很大，在英國每年侵蝕1厘米，而如尼亞加拉這種北美瀑布每年侵蝕可達將近1米。由此可見，侵蝕和風化的力量是多么千變萬化。另外還有兩種形成瀑布的方式，包括冰川切割后留下的懸谷，以及隆起。在后一種情況下，如果地面在構造運動（比如地震）中被抬起的速度比巖石侵蝕的速度要快，地面上就會出現(xiàn)一個階梯，河流會從這個臺階上“掉”下去。在這類瀑布中，最壯麗的那些大多數(shù)來自冰川水源的補給，許多分布于冰島的南部海岸，比如具有100米落差的塞里雅蘭瀑布。世界十大瀑布我們不必對這個名單太較真。有時瀑布測量的是一系列階梯，有時則是整個的垂直落差。在調研以下這些瀑布的過程中，我才意識到圍繞這個話題有多少細節(jié)。于是，我決定選取一個大多數(shù)人同意的名單（表2）。表2世界十大瀑布湍流獨木舟選手和木筏愛好者鐘愛的湍流其實是沒有明顯落差的瀑布。不同的是，布滿碎石的河道中出現(xiàn)一個小的坡度斷層，由此產(chǎn)生帶著泡沫的湍流。在澳大利亞昆士蘭的塔利河漂流一次，你就能充分體驗到湍流的魅力。淺灘和深槽在河流上游，水道通常較窄，從山谷兩側滾下來的推移質也都比較大。因此，常形成一系列碎屑壩，把水圈在深槽中，隨后水從碎屑上流過，傾瀉而下，形成淺灘。在大段河道內，這兩種地貌的水流平均速度十分緩慢。河漫灘河流中的水量大多都低于水道的容量，但我們之前也看到，有時河流流量會達到“平灘”狀態(tài)，即溢滿河道。如果河流運輸過多的水，它就會溢出并且造成洪水泛濫。由河流流量的季節(jié)性變化而自然形成的河漫灘，有一層層的細沙堆積其上。當河水溢出河岸時，水速因摩擦而減慢。結果，粗粒物質先落了下來，這是堤壩形成的第一步。這使得洪水被困在河漫灘上無法流回河里。這一自然現(xiàn)象的影響會被很高的人造堤壩擴大，導致洪水時間更長。河漫灘的邊界是“陡岸線”，這一圈高地不會被洪水淹沒。辮狀河彼得·杰克遜（PeterJackson）的《指環(huán)王》三部曲里到處都是這種地貌的典型。當一條裹挾著大量物質的河突然坡度減緩，水流速度降低時，其中的物質迅速沉積。由此形成的巖石遍布的山谷使得河流必須分岔才能抵達下游平坦的地區(qū)。這種分岔創(chuàng)造出多條新的河道，并得名“辮狀河”。尤其在受到歷史冰川作用影響的地方，許多沉積物質無法被更近代的河流移動，創(chuàng)造出的辮狀河蔚為壯觀。在新西蘭的《指環(huán)王》電影拍攝地以及南阿爾卑斯山這樣的高山環(huán)境，都能看到這樣的景觀。曲流曲流是河流中游及下游地貌中的經(jīng)典。它的形成需要兩個基本條件——水流的加速與減速，再配上螺旋流動（即水流在河道內流動的同時產(chǎn)生像軟木塞開瓶器那樣的運動）。當水進入更窄或者更淺的河道內被迫加速時，確實會出現(xiàn)這樣的情況（圖4）。圖4曲流的發(fā)展水流在河道各處的速度并不一樣，在螺旋狀水流的外側流得最快。河道內流速最快的那一股水的核心，由于向河岸一側的加速而產(chǎn)生偏轉。當這股快速流動的水被外側河岸阻礙時，它便開始侵蝕這側河岸，使得外河道加深，水流通過更加高效，從而使水流的動能也增大了（圖5）。與此同時，曲流內側的水正在河道內低效地流動，也就是說水的動能漸漸丟失，速度減慢，物質堆積下來。河岸一側被侵蝕，另一側則有物質堆積。根據(jù)不同的河流能量和基巖的相對強度，曲流整體會緩緩向下游移動。圖5曲流的橫截面牛軛湖以一條十分蜿蜒曲折的河為例，如果時間足夠長，一次偶發(fā)的高能量事件將創(chuàng)造出一個牛軛湖。河流彎曲到極致會形成“U”形的曲流，當頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)，“U”形的兩個末端漸漸接近，最終兩頭會連在一起，形成新的河道。有了這條更筆直的路徑，河流的速度通常也更快，這條新河道會不斷加深，使得曲流環(huán)狀的入口和出口成了高地，并慢慢干涸。再加上堆積物的阻擋，月牙形的牛軛湖就形成了。時間久了，可能連湖都不復存在，只剩地貌遺跡提醒人們這里曾有一條河。河口兩條河相遇會出現(xiàn)匯流現(xiàn)象。但當河流遇到大海，則會有很多東西形成。法語中用“fleuve”一詞來形容河流傾入海洋。海岸與河流界面的形態(tài)很大程度上受周圍地質環(huán)境和能量的影響。三角洲三角洲是一種出現(xiàn)在河流入海口的低洼地貌，主要由粉砂和淤泥組成。三角洲的英文名“delta”取自希臘字母“Δ”，因為該字母的形狀與三角洲類似。有三種不同類型的三角洲：扇形三角洲——如埃及尼羅河上的三角洲，這種三角洲典型的三角形形狀使得它最容易辨認。尖形三角洲——通常有幾個分流（和支流類似，但流向相反）分叉，更像海岸邊的河漫灘。如底格里斯河入海口處的三角洲。鳥足形三角洲——如新奧爾良的三角洲，具有枝狀結構，每個分流的天然堤使得這種三角洲的延伸范圍能夠超過扇形三角洲。雖然這些地貌各異，它們有一些共同的基本要素。盡管理論上，河流運輸?shù)募氼w粒的沉積物應該永遠不會堆積沉淀（參見尤爾斯特隆曲線），但是在海岸附近它們還是會堆積。在淡水中，這些帶電微?；ハ嗯懦猓S持微小的顆粒形態(tài)。而海水中的鹽會吸引這些顆粒，從而形成更大的聚合物。河流流入大海（或湖泊）之后，速度大大降低，水中的顆粒便在這里堆積了。一年之中，無論是冰川孕育的羅訥河，還是雨水滋養(yǎng)的塞文河，或是融雪補給的科羅拉多河，河流的水量都會隨時間變化，它們都會經(jīng)歷水位或低或高的時期。這意味著一年之中的河水運輸?shù)奈镔|量會有所不同。這也使得三角洲的土壤出現(xiàn)分層，每一層都是河流一整年流動情況的記錄。只要潮汐和海岸活動帶走的沉積物少于河流堆積下來的，三角洲就會不斷擴大。河口灣與明顯的三角洲景觀相比，河口灣比較容易被忽視。這有些奇怪，因為大多數(shù)河流其實是在河口灣和海洋交匯的。在河口灣地段，河流在海水低潮時能夠從一條小河道流入海洋。而在海水高潮時，河流不再能流入海洋，因為海水堵住了它的去路。因此來自河流的淡水和來自海洋的咸水在河口灣混在一起，物質在此堆積。這里的淤泥富含營養(yǎng)，成為涉禽的絕佳覓食地。這樣的環(huán)境同樣適合貝類生存，但對于那些不小心被漲潮困住的生物就沒那么好了。溺谷溺谷也被稱為沉溺河谷，其英文名稱“ria”來自西班牙語，是“河口”的意思。海水上升時，先前位于海平面的河谷被淹沒，即形成溺谷?！皽婧ＩＬ铩笔堑乩韺W的偉大主題之一，溺谷也不例外，歷史上的一系列地理活動創(chuàng)造出了這些寬闊的河口。在末次冰期中海平面較低，所以當時仍在流動的河流水位都很低（當然太靠北方的河都被埋在冰蓋之下）。當冰融化，海平面上升時，河谷常常泛濫，造就了如今河流入?？趯掗煹暮拥馈Ｃ绹笪餮蠛０兜那兴_皮克灣是世界上最大的溺谷型河口灣之一，它是薩斯奎漢納河的溺谷。水文學圖6幫助我們了解流域中的水的命運，尤其是和流量過程線結合，可以解釋洪水的形成。坡面流是誘發(fā)暴洪的關鍵。如果降水速率大于入滲速率，水就會由地表流過。這是水進入河道的最快途徑，從而導致河水流量迅速上漲，暴洪發(fā)生的風險上升。因此，如果流域內的變化導致入滲減慢或者降水增多，那么就很有可能發(fā)生暴洪。比如結凍或漬水的地面，或是夏季炎熱導致地表出現(xiàn)的硬質地層，或者陡峭的地形，這些狀況都可能造成洪水災害。圖6流域系統(tǒng)如果暴洪是由大量坡面流引起的，其他類型的洪水又是何種原因引發(fā)的？所謂“其他洪水”的關鍵特征是，它們多發(fā)生在冬季并且時間上更加持久。在冬季，地下水貯存和土壤水分貯存都是滿載狀態(tài)。你或許還不太清楚，地下水的頂部（土壤飽和且不含半點兒空氣）被叫作地下水位。晚冬時節(jié)，壤中流為河道輸送大量的水，導致河水基流上漲。遇到暴風雨等情況會使河水上漲得更厲害，因為更多水會以坡面流的形式進入流域。這時，河流內的水的體積可能會超出河道的容量，洪水災害就這么發(fā)生了（表3）。與來勢突然且猛烈的暴洪不同，持續(xù)時間較長的洪水需要更長的時間來恢復，因為洪水較長時間保持高位（甚至淹到你家房子里）。不必再詳述，但當你看到電視上人們抱著他們的鸚鵡和寶寶被洪水逼上樓時，別忘了他們客廳里的水可不是干凈的河水。許多國家自19世紀起就開始改造人口密集地區(qū)的水道，使其能更快地匯入河流（最好是河流下游）。這意味著，洪水總是從城市的下水道系統(tǒng)漫上來。好了，我們點到即止。表3最致命的洪水*數(shù)值的范圍顯示了在中國農(nóng)村地區(qū)估量災難影響的困難程度。然而，毋庸置疑，1931年的洪水是人類歷史上最大的自然災害之一。當排除掉海岸地區(qū)風暴潮因素時，表3告訴我們東亞和東南亞地區(qū)在洪水面前極其脆弱。特別是中國，有流量很大的河流穿流過非常松散的砂土堆積的區(qū)域。就好像被丟在花園草坪上的壓力噴水軟管，河流快速地改道，并造成嚴重的后果。也許，人類在歷史上始終想要控制河流，歸根結底，是想通過征服自然證明我們自己。\h[1]推移質指沿河底以滾動、滑動或跳躍的方式隨水流向前移動的泥沙。——編者注海岸海岸的地質過程和之前一樣，讓我們大聲喊出：“CASH！”它解釋了海岸侵蝕，但其他地質過程呢？如果你已經(jīng)知道了CASH，現(xiàn)在是時候來點兒“LSD”了。沿濱泥沙流（圖7）是指沉積物沿海岸線移動。如果海岸線有主導的盛行風向，海浪就會如圖所示運動。不過，后退的波浪依舊會沿海灘的坡度退回。于是，任何可以被這樣沖走和帶回的海灘物質都會沿著海岸線移動。圖7沿濱泥沙流堆積作用形成的海岸地貌侵蝕的力量可以塑造出讓人難忘的宏偉地貌，堆積作用同樣可以。沙嘴因海岸線形狀的不連續(xù)，沿濱泥沙流得以把物質帶離海岸，沙嘴便會在這里自然形成（圖8）。沙嘴界的“老大哥”是美國華盛頓州的鄧杰內斯角和新西蘭的費爾韋爾角。但是，沒有任何一個沙嘴能和烏克蘭的阿拉巴特沙嘴相比。作為世界上最長的沙嘴，它長達110千米。圖8沙嘴的形成連島壩如果沙嘴延伸接上了一個海島，把它和大陸連在一起，那么連島壩的地貌就出現(xiàn)了。典型的例子包括法國的勒蒙–圣米歇爾灣，以及英國的切西爾海灘。沙壩灘當沿濱泥沙流造成海灘與兩個岬角相連時，一道沙壩就形成了。和許多地貌學術語一樣，沙壩有許多同義詞。無論是澳大利亞還是美國的科學家，“攔灣壩”是他們最常用的術語。侵蝕作用形成的海岸地貌最宏偉的海岸景觀大多都具有侵蝕的力量與巖石耐蝕性共同作用而成的特征（圖9，表4）。海岸侵蝕的“五步曲”岬角——波浪折射在巖石側面形成裂紋。海蝕穴——在CASH作用下裂紋變得更大。海穹——當裂紋相交時，便形成了海穹，持續(xù)的CASH作用使海穹越來越大，最終坍塌。海蝕柱——不斷侵蝕可能會使海蝕柱倒下，只留下……海蝕樁——確切地說，是一小截只能在退潮時才看得見的石頭。圖9海岸侵蝕表4各大洲陸地最低的地點海岸管理管理海岸的一切事物都離不開硬質工程和軟質工程。這是兩種相反的方法論。這些年來，全球各地的政府逐漸意識到硬質工程不是全部的答案，有時，放手讓自然按其自身的軌跡運轉，反而比控制結構更好。軟質工程有組織地撤退——我特別喜歡這種說法，特別是它傳達出的人與環(huán)境之間的平靜之感。盡管它實際上應該被稱為：“快跑，沒希望了?！焙冒?，這么說有點兒太刻薄，但在很多情況下，讓海洋回到它曾經(jīng)所在的地方，對環(huán)境來說并不是一件壞事。硬質工程海堤——你花了一大筆錢建造一個海堤，結果它還是被沖走了，正如2009年10月發(fā)生在洛斯托夫特附近的科頓的事情一樣。就算海堤再好，它們反射海浪能量的同時有時也會制造新的麻煩。早期的設計常常使得海堤實際上把海浪直接轉化成摧毀它們自己的力量。你以為只有河流才會為自己“著想”，其實大海也會。護岸——它沒有平滑的水泥墻那么強硬，也是一個稍便宜一些的選項。護岸的目的不是反彈波浪的能量，而是使它消散。護岸的主體是石塊，由一格一格的木頭固定。這些木格間的縫隙使水和能量都能穿過，從而消散掉能量。它最被人詬病的是不好看。石籠——這是一種大型的金屬籠子，裝滿石塊，用于消散CASH作用的巨大能量。石籠相對便宜，當工程的會計做過成本收益分析之后，這經(jīng)常是更受歡迎的選項。防波堤——這種結構向海中延伸，限制沿濱泥沙流物質的移動，保持海灘在原來的位置。這聽起來可能很簡單，不過一片海灘被“偷”的沙子或許能使另一片海灘更易被侵蝕。畢竟，海灘是一個海岸沉積物輸送帶中的小系統(tǒng)。軟質與硬質工程兼施人工育灘——有這么一個好主意，把離岸的沙子挖出來，放在指定的海灘上以保護土地。這是既便宜又不會太影響美觀的辦法之一。然而，如果海灘是為了吸引游客，人工育灘也許就是最后的手段之一了。濱外壩——濱外壩是海濱線外沒在水底的一道沙堆，用于減少強烈的CASH活動的影響。這種地貌特征能夠自然形成，尤其有利于阻止那些沖浪者最愛的離岸流。構造學地球的結構跟著我學習一段“咒語”：“固態(tài)–液態(tài)–塑性–剛性”。和儒勒·凡爾納（JulesVerne）的小說中描寫的不同，我們的星球并不是一個中空的裝著恐龍的球體。地震學家目前認為地球的內部構造可參見圖10。為了得到這張圖，地質學家測量了地震波穿過地球時的表現(xiàn)，并且研究了熔巖、巖漿及溢出氣體的成分。當然，對于生活在地球上的生物來說，最重要的部分是地殼，以及這層結構表面、上面和內部的一切。如果地幔的流動使得地殼移動，麻煩就來了。圖10地球內部構造向下挖儒勒·凡爾納認為從地面向地球內部挖掘是可以實現(xiàn)的。在冷戰(zhàn)期間，美國和蘇聯(lián)甚至有過掘地競爭。這個任務最重要的終極目標是到達莫霍洛維契奇界面，又稱莫霍界面。這一界面是剛性的地殼和塑性的地幔相接的地方，它在1909年被克羅地亞的氣象學和地震學家安德里亞·莫霍洛維契奇（AndrijaMohorovi?ic，1857—1936）最先發(fā)現(xiàn)。蘇聯(lián)的項目曾經(jīng)是最接近地幔的。他們在20世紀七八十年代挖到了地下12261米深處，直至今天，這仍然是人類挖過的最深的洞。美國的項目在到達這個深度之前早就被取消了。蘇聯(lián)人或許輸?shù)袅颂崭傎?，但他們絕對贏了“深度之爭”。地殼板塊在板塊構造學出現(xiàn)之前，曾有數(shù)個假說解釋地球的結構，其中包括“皺縮蘋果假說”和“地球中空說”。我們之所以能得到現(xiàn)在的板塊構造說，離不開地震學、古地磁學調查、深海海溝勘探和衛(wèi)星成像的綜合結果。但這仍然只是一個假說，一直在發(fā)展并不斷受到質疑和挑戰(zhàn)。阿爾弗雷德·魏格納和他的大陸漂移說阿爾弗雷德·魏格納（AlfredWegener，1880—1930）是一位德國天文學家和氣候學家，他首次提出了一整套完備的理論，來解釋為何各個大陸并不是一直位于它們現(xiàn)在所在的地方（“現(xiàn)在”指的是1912年魏格納最初提出他的理論的時候）。從19世紀初開始，越來越多有關地球的信息在探索世界的過程中積累了下來，許多圖書館里的資料也被學者仔細研究。關于移動的大陸，最清晰的證據(jù)來源于以下幾個方面：中龍——一種淡水兩棲類動物，其骨架遺跡出現(xiàn)在大西洋的兩岸。除非這些骸骨是被飛過的翼手龍丟到那兒的，否則兩岸的中龍肯定曾經(jīng)是鄰居。中龍生活在二疊紀，距今2.99億到2.51億年（那時其實沒有飛行的翼手龍，翼手龍要晚大約5000萬年出現(xiàn)）。類似的是水龍獸和犬頜獸的出現(xiàn)，還有遍布許多大陸的舌羊齒類植物，都進一步證明了大陸漂移這個假說。大陸契合度——早期繪制的地圖及后來更清晰的衛(wèi)星成像都顯示，南美洲和非洲似乎是可以拼在一起的。弗朗西斯·培根（FrancisBacon）可能是第一個以文字記錄兩個大陸間海岸線聯(lián)系的學者，1620年在其巨著《新工具》（NovumOrganum）中對此有所提及。如今，我們很容易從衛(wèi)星圖像中得出同樣的結論，但在培根生活的那個年代，這個發(fā)現(xiàn)確實令人驚嘆。氣候學和地質學——大西洋兩岸的地層十分吻合，南極洲也有煤層存在，這些證據(jù)都清晰地顯示，不是氣候發(fā)生過劇烈的改變，就是這些地區(qū)曾經(jīng)移動過。魏格納提出的地殼板塊“漂浮在某層物質之上”的假說聽起來滴水不漏，但它遇到了兩個問題。首先，沒有已知的機制來解釋板塊如何漂移。其次，1914年斐迪南大公（ArchdukeFranzFerdinand）遇刺，引發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)。這場戰(zhàn)爭耽誤了魏格納思想的傳播，直到20世紀晚些時候爆發(fā)的另一場戰(zhàn)爭，才使得該假說得以完善和傳播。在第二次世界大戰(zhàn)期間，沉沒潛水艇探測裝置的進步使得收集大西洋海底擴張的證據(jù)成為可能。這種裝置能夠探測地球磁場的微小變化。在不同的地球磁場影響下，這些巖石內的金屬有特定的排列方式。若不是美國需要尋找沉沒的潛艇，這些古地磁學的證據(jù)也不會這么快被揭示。在此之前，U型潛艇和盟軍的潛艇中探測過中大西洋地區(qū)的海底山脈，新的發(fā)現(xiàn)也被加入其中。1962年，美國地質學家哈里·哈蒙德·赫斯（HarryHammoudHess）終于提出了能說服懷疑魏格納理論者的證據(jù)。他證明，大西洋海底最“年輕”的巖石出現(xiàn)在靠近中部的地方，兩側有對稱的、年代相仿的巖石帶分別向東和向西移動。古地磁學——魏格納理論被接受的關鍵古地磁學究竟是什么？“古老的磁場”聽起來似乎沒那么有科學魅力。但本質上，這門學科研究的就是古老的磁場。幾百萬年前，巖石在形成的時候被磁化，這種磁化能夠反映那個時候地球磁場的方向和強度。具體如何呢？隨著玄武巖從軟流圈（地幔的上層）中噴出，進入地殼后，它逐漸降溫。在降溫過程中，巖內的富含鐵的顆粒將按照當下的重力場固定下來。故事到這里還沒結束，還有一個重要的巧合不能忽略。地鐵的磁場是由地球外核的旋轉創(chuàng)造的，外核富含金屬，尤其是鐵和鎳。根據(jù)電機理論，外核里的運流電流產(chǎn)生了磁場。地球磁場并非不變的，只要看一眼英國地形測量局（OS）繪制的地圖的邊緣，你就會發(fā)現(xiàn)圖例“真北”和“磁北”。盡管在我們的一生這樣的時間尺度里，極點只沿一個方向移動，但在這里我們說的是更大時間尺度內的“倒轉”。在過去的7600萬年里，兩極倒轉過170次，也就是說指南針（假設它們一直存在）的針尖指向相反的方向。在大西洋盆地里年代較近的玄武巖中發(fā)現(xiàn)的巖石中富鐵顆粒的方向倒轉現(xiàn)象，為我們了解離散型板塊邊緣活動的節(jié)奏和順序提供了關鍵信息。最初只有一個板塊魏格納的理論有一個“起點”。他推測，最初地球上有一個超級大陸。隨后在圍繞其理論的討論中，泛大陸這一名稱出現(xiàn)了（Pangaea，即希臘語“所有的陸地”）。泛大陸進一步分裂為勞亞古陸和岡瓦納古陸。勞亞古陸最終分裂成北美洲、歐洲和亞洲（除印度外），而岡瓦納古陸創(chuàng)造了現(xiàn)在的南美洲、非洲、印度、澳大利亞和南極洲?，F(xiàn)在，科學家們對于泛大陸的前身仍有爭論，網(wǎng)絡上也充斥著預測各大陸未來位置的動畫。板塊七個大板塊和不同尺寸的較小的板塊組成了地殼（圖11）。盡管大洋板塊和大陸板塊之間有明顯的不同（表5），但并不能簡單地依靠海洋范圍來判斷兩類板塊。大多數(shù)大陸板塊在水下我們看不見的地方延伸越過海濱線。圖11地球板塊表5大陸板塊與大洋板塊的對比邊界除非地球變得越來越大，否則必然有一些地方古老的地殼要被摧毀，才能給新形成的地殼騰出空間。從這個簡單的想法出發(fā)，我們得到三類典型的板塊邊界（表6，圖12）。表6三類典型板塊邊界對比圖12三種典型的板塊邊界離散型板塊邊界北美洲在以每年約3厘米的速度遠離歐洲，原因就在大西洋中部。雖然東太平洋邊界更長，但中大西洋的離散型板塊邊界是被研究得最透徹的。海底的海床彎曲，巖漿上涌后降溫形成壯觀的海底山脈，偶爾還會形成海島。這些地貌特征都十分清晰。這種相對快速的運動不可避免地帶來地震，偶然還會造成突破地表的火山活動，這些都與板塊邊界的活動有關。冰島有離散型板塊邊界創(chuàng)造的典型地貌特征：高聳的火山山峰從海中浮現(xiàn)，把海山變成海島。最近形成的島嶼是南部海岸附近的敘爾特塞島。1963—1968年之間，一座海山漸漸失控，開始持續(xù)噴發(fā)，最終沖出海面，形成一座新的火山島。這并不是說火山活動就移向外濱了，此后該地區(qū)依舊有頻繁的地震和大型的火山噴發(fā)。最令人印象深刻的是赫克拉火山噴發(fā)（1970年和1980年），1996年瓦特納冰蓋下（格里姆火山）的噴發(fā)，還有2010年的埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)——人們認為這可能是新的赫克拉火山活動的前兆。匯聚型板塊邊界雖然名字聽起來似乎具有破壞性，這種地質活動的結果卻是創(chuàng)造新的地貌。大陸架與大洋板塊相遇時只能有一個勝者。因為大陸架的比重沒有大洋板塊的比重大，所以后者會被前者壓在下面。就好像一輛輕巧的法拉利撞上一臺酋長坦克，后果不言而喻。被大陸架壓在下面時，大洋板塊會斷裂、彎曲，于是產(chǎn)生了一個“副產(chǎn)品”——淺源地震。這種地震可能造成致命的海嘯，其威力從2004年的印尼班達亞齊海嘯就可見一斑。1964年，美國阿拉斯加的安克雷奇地震及其引發(fā)的海嘯中有131人喪生。不過，那時的人們并不熟悉海嘯，通常只把海嘯看作印刻在東方古陶器上的自然奇觀。隨著俯沖板塊被壓入軟流層，海溝出現(xiàn)。就好像對莫霍界面的探索那樣，人們一直競相在這些海溝的深處探索并取樣。最深的地方是位于菲律賓附近的馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，深度達海平面以下11033米。要知道，世界最高峰珠穆朗瑪峰也只有海拔8848米\h[1]。俯沖板塊在下插過程中彎曲并被加熱，熔化成深成巖。這些巖石就好像熔巖燈里的蠟滴，從地殼中升起，特別是在地質活動造出斷層和裂縫的地方。最終，這些深成巖不是變成大陸板塊邊緣附近的海底山，就是變成像日本那樣的群島。匯聚型板塊邊界還會創(chuàng)造出著名的褶皺山地貌。最長的褶皺山從加拿大一路延伸到南美洲最南端的火地島再到南極洲。盡管不是延續(xù)不斷的山脈，但它顯示了俯沖作用對地殼表面產(chǎn)生的影響。安第斯山脈可能是地球上最雄偉的褶皺山脈，最高峰海拔6962米（阿空加瓜山）\h[2]，總長度逾7000千米。如果你想向朋友炫耀，你可以告訴他們，地殼上和地心相距最遠的一點就是安第斯山脈厄瓜多爾段的欽博拉索山的山頂峰（6384.4千米）。偶爾，深成巖可能會從褶皺山的褶皺和斷裂的地殼中冒出，并在山脈中點綴出一些火山山峰。著名的褶皺火山包括北美喀斯喀特山脈的圣海倫斯火山和厄瓜多爾的科托帕?；鹕健Ｎ覀冎心昙o稍大的人可能還記得1980年圣海倫斯火山噴發(fā)，這類火山的暴力程度可見一斑。這是本書稍后要分析的匯聚型板塊邊緣的一大特征。碰撞造山匯聚型邊緣還有另一種不同的方式來參與塑造地球。喜馬拉雅山脈是由巨大的歐亞板塊和印澳板塊碰撞塑造而成的。當然，由此產(chǎn)生的山脈可以歸因于兩塊地殼比重相當，結果是兩個板塊正面碰撞并產(chǎn)生褶皺。稍小的印澳板塊形成了山根，據(jù)信隨著山頂?shù)纳?，山根也可以一直向下延伸到地幔。這是一個活躍的區(qū)域，許多地震為相關領域的老師和學生提供了無數(shù)的研究案例。珠穆朗瑪峰現(xiàn)在被認為以每年數(shù)厘米的速度增高，不過有一些調查顯示增長停滯了（表7）。表7大陸上最高的地方*不同時期及不同國家或地區(qū)測量出的陸地海拔高度數(shù)據(jù)略有差異，此處數(shù)據(jù)與原書所提供數(shù)據(jù)一致。轉換邊界在觀賞完離散型和匯聚型板塊邊界創(chuàng)造之后，我們很高興地把注意力轉向低調的轉換斷層。這類地方往往沒有宏大的景觀地貌，也罕有火山活動。當然，這里也有大事件，不是小裂谷或地貌彎曲變形，而是地震。被研究并拍攝記錄最多的轉換斷層位于美國加利福尼亞州。臭名昭著的圣安德烈亞斯斷層只是北美洲板塊和太平洋板塊之間邊界上眾多斷層的代表之一。舊金山以南的加利福尼亞州地區(qū)實際上并不在北美洲板塊上。兩個板塊在此處的移動方向相同，但速率不同。太平洋板塊正以每年平均約6厘米的速度向西北移動，而北美洲板塊每年向西北方向移動的速度只有1厘米左右。所以，表面的相對距離每年增加約4厘米。地震首先，讓我們根據(jù)死亡人數(shù)列出史上最重大的一些地震（表8）。表8世界大地震一覽*根據(jù)測定不同數(shù)據(jù)略有差異。地震是什么記得熱力學第一定律嗎？“能量既不能被毀滅也不能被創(chuàng)造”，這就是地震的關鍵——將儲存在地下的彈性能釋放。攪動軟流圈的對流把它們的動能傳遞到上方的地殼，就好像主題公園里轉動的輪胎驅動著搖擺船。但地殼也有質量，慣性增強了板塊之間的摩擦。來自軟流圈的動能總要有處可去，它便以彈性能的形式儲存在地殼中。這種闡述可能在概念上有些跳躍，但你可以想想小時候可能玩過的橡皮筋驅動的飛機模型。最終，隨著儲存的能量越來越大，摩擦無法阻遏運動，地殼便開始運動。地震波從震源處輻射開來，首先在震中的表面被感受到。最強的能量在這里得以釋放。但是，破壞力的大小要取決于該地區(qū)建筑物是否密集，以及在建筑密集區(qū)人們對地震的準備程度。地震波地震以兩種形式的波釋放能量，初至波（P）和續(xù)至波（S）。它們分別是縱波和橫波，其前進的速度不同，并在通過莫霍界面時表現(xiàn)出不同的行為。地震儀測量這兩種類型的波，根據(jù)它們到達的時間差可以計算出地震儀距離震源有多遠。使用世界上任何地方的三個地震儀，你就可以找到地震的震中，因為這些地震儀指示的范圍只會有唯一的重疊地點（圖13）。圖13用三個地震儀定位震源但這只是地震波理論的一部分。地震還會產(chǎn)生面波，正是這些面波破壞建筑物、道路和公共設施。這些面波被命名為“勒夫波”［以英國數(shù)學家奧古斯塔斯·愛德華·霍夫·勒夫（AugustusEdwardHoughLove，1863—1940）命名］和“瑞利波”［以物理學家約翰·威廉·斯特拉特（JohnWilliamStrutt，1842—1919），即瑞利男爵三世命名］。這兩種波使地面上下或左右晃動（圖14）。圖14地震波海嘯和山體滑坡一樣，海嘯是地震引發(fā)的最嚴重的次生自然災害。產(chǎn)生海嘯的原因包括海底地震、海底火山噴發(fā)、海底滑坡以及滑坡進入水中。由滑坡進入水中和海底滑坡造成的海嘯暫時還沒有造成非常嚴重的后果。早在1964年，安克雷奇地震造成大約131人死亡，其中約122人因接連的數(shù)次海嘯喪生。迄今，這仍是美國歷史上致死最嚴重的海嘯，但未來可能還會發(fā)生更多。取決于你相信誰的觀點，一些預測認為將來可能有一場發(fā)源于加那利群島的致命海嘯，將會襲擊美國東海岸。來自康伯利維亞火山的威脅有兩個大型災難比其他所有因素對美國產(chǎn)生更大的威脅——黃石超級火山和康伯利維亞火山的崩塌?？挡S亞火山是形成了加那利群島中拉帕爾馬島的火山系統(tǒng)的一部分。1999年，有人提出，在未來的一次噴發(fā)中，火山的西側可能會滑入大海，引發(fā)一場大海嘯。這一海嘯將由500立方千米的碎石滑入海中引發(fā)，6個小時之內就能穿越大西洋抵達美國東岸。剛上岸的波浪預測有30~60米高，最遠可能將深入內陸25千米。雖然有若干研究小組同意這一觀點，但有些并不同意。反對方的主要的觀點是，雖然康伯利維亞火山確實在移動，但其運動相對較慢，因此不會創(chuàng)造這樣一個高量低頻的事件。液化在你十幾歲時做過的噩夢里可能沒有出現(xiàn)你家被吸入地底的可怕前景，但如果你住在神戶或是舊金山，這種情況就可能發(fā)生。當?shù)卣鸬竭_松軟的地面時，如神戶港或舊金山灣區(qū)的填海土地，地震會搖晃地面——想象一下把一碗糖的表面搖平的場景。不幸的是，任何位于這塊土地上的重型建筑都可能下陷。事實就這么簡單，但也就是如此致命。如果再算上晃動的地下水，“潤滑”著下沉的建筑物，這就是災難發(fā)生的所有因素了。我們能預測地震嗎？你可能聽說過這樣的故事，狗、老鼠和蛇能夠在前震到達前感知地震。但是，難道這是所有能幫助我們的東西嗎？事實上，它們真的能感覺到地震嗎？通過使用靈敏的激光水準儀的陣列，以及大量的地震記錄儀和氣體探測器，人類也可以看到一些地震的早期跡象，但仍舊可能已經(jīng)來不及了?，F(xiàn)在，人們認為動物的震前行為可能是由被困在地下的氡等氣體的釋放而觸發(fā)的。里氏震級在兩個衡量和比較地震的標度里，里氏震級是大多數(shù)人較為熟悉的那一個。1935年，地震學家查爾斯·里克特（CharlesRichter）和貝諾·古登堡（BenoGutenberg，地核和地幔之間的分界線“古登堡界面”正是以他的名字命名的）在加州理工學院工作時，通過測量地震儀上記錄的地球的實際位移，提出了后來被稱作里氏震級的標度。這是一個對數(shù)標度，因此不斷增加的數(shù)字代表幾何級數(shù)，而不是算術級數(shù)的增加（圖15）。里氏震級沒有上限，但只有4場大于或等于9級的地震曾經(jīng)被記錄或估測（表9）。表9里爾震級≥9.0的地震震級（以微米計的最大振幅的對數(shù)，以10為基數(shù)）圖15不同里氏震級對應的地面位移及震感超高震級如果里氏震級在6500萬年前就存在，創(chuàng)造出墨西哥尤卡坦半島上的?？颂K魯伯隕石坑的隕石撞擊事件將會達到13.0級。雖然里氏震級仍然是最常被媒體引用的標度，但當代的地震學家使用的其實是矩震級（MMS）。該標度出現(xiàn)在20世紀70年代，它根據(jù)板塊運動的實際尺寸大小，將地震的規(guī)模像里氏震級那樣排序。麥卡利烈度表里氏震級是對地震強度的測量，而麥卡利烈度表（也稱為“修訂的麥卡利烈度表”）則是一個衡量地球運動強度的指標。該標度于1902年被提出，它包括從Ⅰ到Ⅻ這幾個等級，使用羅馬數(shù)字區(qū)別于里氏震級。由于這種標度的內在主觀性，它被多次修訂。有趣的是，查爾斯·里克特是最后一個對麥卡利烈度表做出修改的人，并幫助提出了當今仍被使用的修訂的麥卡利烈度表?；鹕綗o論是但?。―ante）所描述的地獄還是普林尼（Pliny）筆下的維蘇威火山噴發(fā)，迄今為止最令人印象深刻、最能滿足想象力的地殼活動事件非火山噴發(fā)莫屬。我們每個人都被其特殊的魅力征服?；鹕降念愋突鹕椒譃槲宸N不同類型。裂隙式火山——這種火山不是經(jīng)典的對稱圓錐體，而是地殼上的大裂縫，熔巖從中流出。盡管在所有的火山中，這種火山的名氣不大，但它們卻是全球氣候變化和大規(guī)模地貌塑造的最大貢獻者。印度中部的德干暗色巖說明了這種火山的能力有多大。德干高原有厚達2000米的多層玄武巖，占地面積達500000平方千米。盾形火山（堿性）——盾形火山的坡度較小且平坦，是由相對純凈的玄武巖從峰頂迅速流下并冷卻形成的。這種火山是離散型板塊邊緣和熱點處的典型地貌。夏威夷群島正是如此，在某種程度上講，冰島也存在這種地貌。穹形火山（酸性）——如馬提尼克島培雷火山等，這種火山有著陡峭的邊緣。它們是“典型”的火山，主要產(chǎn)生于匯聚型板塊邊緣。在大量的二氧化硅與玄武巖混合的情況下，這種火山的熔巖是非常黏滯的，還沒流出太遠就凝固了。此外，這種火山噴發(fā)較猛烈，黏滯的熔巖將蒸汽和氣體困在火山內，直到它再也承受不住。就好像我們搖晃一瓶香檳，當壓力太大時，瓶塞就會被沖開。復合型火山——這種火山也被稱為層狀火山。長時間的多次噴發(fā)產(chǎn)生一層層的熔巖、火山灰和火山渣，結果形成了一個復合型火山，由層層堅硬的熔巖和激烈噴發(fā)產(chǎn)生的較松散的火山灰組成。如此分層產(chǎn)生的脆弱之處可以被熔巖利用，并能噴出含有大量火山灰的物質。這正是埃特納火山可以帶給西西里島居民的“禮物”。破火山口——這是一種有湖在中間的火山。當火山噴發(fā)已經(jīng)激烈到足以把巖漿房清空，地面就會下陷來填補這一空洞。結果，火山頂部會產(chǎn)生凹陷，隨后水填滿其中變成湖。盡管這是一個相當普遍的特性，從非洲到北美洲都有，但最有名的當屬地中海圣托里尼島。在這里，海水沖入破火山口，并產(chǎn)生了一圈令人印象深刻的小島。熔巖和巖漿的區(qū)別是什么？兩者都是融化的巖石，但是巖漿是地球表面以下的熔融的巖石，而熔巖是到達地面的巖漿?；鹕絿姵鰜淼氖鞘裁?？每個火山都不同，但它們的噴發(fā)物主要分為四大類。熔巖——雖然在視頻上很壯觀，但熔巖并不是太危險。這里將熔巖寬泛地分為玄武巖熔巖和安山巖熔巖兩類，熔巖的特點與巖漿中二氧化硅的含量密切相關。玄武巖熔巖——這種熔巖二氧化硅含量低，易流動，在小型噴發(fā)頻繁的離散型板塊邊緣出現(xiàn)，因此我們很容易注意到，而不會去自找麻煩。這種類型的熔巖在不同地區(qū)有許多當?shù)氐拿?，我最喜歡的是“Aa”（在拼字游戲里值得一試），它特指在夏威夷島鏈上自由流動的熔巖。安山巖熔巖——這種熔巖與玄武巖熔巖正相反，二氧化硅含量很高，十分黏稠，并且很可怕。它是一種溫度更低、速度更慢的熔巖，通常出現(xiàn)在匯聚型板塊邊緣附近。板塊俯沖還會在熔巖中額外加入富含二氧化硅的海底沉積物。結果，在受熱后，氣體形式的雜質在高壓下被釋放，產(chǎn)生激烈但較低頻率的火山噴發(fā)。然而，如果火山噴發(fā)不那么頻繁，人們就會忽視風險，這才是極其危險的?；鹕剿樾剂鳌粋€相對寬泛的術語，描述了火山中噴出的熾熱物質。這涵蓋了各種各樣從山上下來的東西。這種物質的傳統(tǒng)形象是燃燒的云或火山發(fā)光云及隨后產(chǎn)生的灰燼，比如曾在龐貝或培雷火山出現(xiàn)的現(xiàn)象?；鹕桨l(fā)光云具有以下各種特點：最高速度每秒達300米，溫度高達1200攝氏度。此外，火山噴射到空中的碎片從巨大的、炸彈般的熔巖到小石頭和火山灰不等，它們都會落在火山的周圍。因此，許多巖石碎片的混合物會被通過的泥石流（火山泥流）帶下火山的斜坡?；摇@是指空中非常細微的碎片，它可在局部范圍內對火山泥流的成分造成影響，摧毀附近區(qū)域的莊稼，并改變全球范圍的氣候。我們可能需要重新考慮“火山噴發(fā)能創(chuàng)造肥沃土地”這個聽起來不錯的觀點。1991年菲律賓皮納圖博火山噴發(fā)，對于那些被火山泥流和火山灰逼迫到離鄉(xiāng)背井的阿埃塔人來說，即使告訴他們一旦土壤開始恢復一切就會變好，或許也于事無補。氣——你將在本書的氣候變化部分讀到火山釋放的氣體不能被忽略。在局部尺度上，氣體提供了一個很好的指標來判斷火山是否即將爆發(fā)，這可以被視為好事。對于1986年8月生活在喀麥隆尼奧斯湖的人們而言，這些氣體則不太有用。那時，火山口湖底部的巖漿將二氧化碳釋放入湖中，尼奧斯湖突然排放出大量混合著二氧化碳和硫化氫的有毒氣體，這股氣體蔓延到附近的村莊，大約2000人和他們的牲畜都因此喪命。魯伊斯火山魯伊斯火山是安第斯火山帶最北端的火山，位于哥倫比亞波哥大以西約130千米處，在環(huán)太平洋火山帶內。它已經(jīng)活躍了約200萬年。1985年11月，一場相對較小的火山噴發(fā)產(chǎn)生了火山碎屑流，它與山峰上融化的冰雪混合，造成了幾場大的泥石流。這些泥石流從火山上沖下來，速度每小時高達60千米并不斷增大，摧毀了所有擋在面前的事物。其中一次泥石流寬度達到了50米。泥石流幾乎完全吞沒了小鎮(zhèn)阿爾梅羅，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)也幾乎完全被毀滅?？偣渤^5000棟房屋被毀，23000多人死于這場后來被稱為“阿爾梅羅的悲劇”的火山事件?；鹕絿姲l(fā)的類型有兩種類型的火山噴發(fā)——罕見、激烈且十分危險的，頻繁、壯觀但“基本上無害”的［正如道格拉斯·亞當斯（DouglasAdams）所說］。我們將地球上的所有火山噴發(fā)都歸到這兩類里面：基本上無害的噴發(fā)——冰島和夏威夷的噴發(fā)非常頻繁，但相對溫和，除非它們有無法預料的二次影響（就像在1996年10月格里姆火山噴發(fā)之后，其上的瓦特納冰蓋融化），這些噴發(fā)可以被認為是不太危險的。在這個類別里最極端的就是斯特龍博利式噴發(fā)，盡管頻率更低且更猛烈，但能輕松預測，留給人們足夠的時間逃離。極度危險的噴發(fā)——對于這個類別的噴發(fā)，報幾個名字你或許就懂了：維蘇威火山、喀拉喀托火山以及培雷火山。這是三座最著名的致命火山。測量火山噴發(fā)火山的噴發(fā)可以用一種被稱為“火山爆發(fā)指數(shù)”（VEI）的對數(shù)標度測量，這種指數(shù)的最大值為8（圖16）。火山爆發(fā)指數(shù)于1982年由美國地質調查局（USGS）的火山學家克里斯·紐霍爾（ChrisNewhall）和美國夏威夷大學的斯蒂芬·塞爾夫（StephenSelf）教授提出。它綜合了定量和定性的方法，測量噴出物的體積、噴發(fā)云的高度和噴發(fā)的持續(xù)時間。用來描述每個分類的形容詞可以幫助理解，正如麥卡利烈度表為里氏震級增加了另一個維度那樣，這些形容詞使火山噴發(fā)指數(shù)更“生動”了（表10）。圖16火山爆發(fā)指數(shù)表10火山爆發(fā)指數(shù)對應表“普林尼式”得名于兩位普林尼先生，小普林尼撰寫了關于公元79年維蘇威火山噴發(fā)的故事，他的叔叔老普林尼在該次噴發(fā)中喪生?！芭嗬资健钡妹隈R提尼克島的培雷火山，這種噴發(fā)最典型的例子是1980年圣海倫斯火山噴發(fā)。超級火山提到火山相關的話題，如果不提“超級火山”的話絕對是我的疏忽。有一座超級火山就位于美國的黃石國家公園下方。證據(jù)顯示，公園正下方是個非常大的、可能快被填滿的巖漿房，并且巨大的火山噴發(fā)事件早就該發(fā)生了。先前噴發(fā)的證據(jù)告訴了我們這些事件的規(guī)模和年代。從年代學角度來說，黃石確實處于可能噴發(fā)的時間段內，而從規(guī)模而言，這場噴發(fā)幾乎肯定會對美國產(chǎn)生災難性的影響，并改變世界各地的氣候。為什么人們住在火山附近？有一些地方火山災害風險很小，而住在這些地區(qū)的優(yōu)勢大于風險。冰島是一個典型的例子：所有地熱能都是免費的，熱水多到能夠直接沿熱水管道輸送到家庭中，加熱房屋后又從附近的道路底部流出，清除路上的積雪。對于皮納圖博火山上生活的阿埃塔人而言，一旦土地恢復穩(wěn)定，火山灰能帶來各種好處，包括使土地富含營養(yǎng)物質和方便制作陶器。對每個地點來說，雖然未來會有潛在風險，但肯定也有當下的好處。在更準確預測的幫助下，并利用工程不斷降低易損性，尤其是在富裕國家，成本效益分析將傾向于選擇當下的效益。當然，如果你能夠為你的家或公司買保險，這一切就更說得通。而在經(jīng)濟發(fā)達程度較低的國家，事實則更為明顯——人們沒有多少選擇。\h[1]2005年中國重測珠峰高度，中國國家測繪局確定為8844.43米?！幷咦h[2]2012年，阿根廷庫約國立大學對阿空加瓜山的測繪高度為6960.8米?！幷咦夂蚝吞鞖膺@個話題總是很難弄明白，因為相關的概念太抽象了。盡管它就在我們身邊，但我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)很難解釋為什么天氣總是那么寒冷和潮濕。在深入研究這一部分的一些關鍵內容之前，這里有一個你必須學習的口訣。氣象學口訣?暖空氣會上升。?暖空氣邊上升邊變冷。?隨著暖空氣降溫，它貯存水蒸氣（水的氣態(tài)形式）的能力也會減弱。?相對濕度達到百分之百后，凝結作用發(fā)生。?云由此形成。?結果降水可能發(fā)生。如果你把這個搞懂，接下來的就是小孩子的游戲了。導致降雨的原因是什么？這是最好回答的問題之一——空氣上升。這真的就是如此簡單。地形降雨——當空氣吹向一座山，它不能穿過山體，所以被迫上升。然后接氣象學口訣的第2句就行了。對流降雨——空氣接觸溫暖的地面并升溫。受熱的空氣的密度較低，所以會上升。緊接著口訣的第2句。鋒面降雨——在暖鋒處，暖空氣上升至較冷空氣上方。而在冷鋒處，寒冷的空氣把溫暖的空氣推向高處。無論是哪種情況，接著口訣的第2句就對了。大氣環(huán)流讓我們從最大尺度說起——這也確實是一切的開始，地球的氣候總是將能量從其充足的地方向不足的地方轉移。也就是說，從赤道到兩極。如果赤道是一條由地球表面上離兩極等距的點組成的線，那么熱赤道就是在任何一天得到最多日曬（在太陽光線下暴露最多）的一條緯度線。在熱赤道，日曬加熱地面，與地面接觸的空氣（邊界層）升溫，這里的空氣變得比周圍的空氣密度低，因此上升。還記得我們的口訣嗎？“暖空氣會上升……”于是，在熱赤道上方會產(chǎn)生一道雨帶——赤道雨帶，這解釋了世界上最茂盛的生物群系熱帶雨林為何出現(xiàn)在這里。三圈環(huán)流模型（圖17）最初可以追溯到喬治·哈德利（GeorgeHadley，1685—1768），他在1735年首次提出了一個觀點，即赤道空氣上升后向兩側移動。1856年，威廉·費雷爾（WilliamFerrel，1817—1891）將哈德利的理論更進一步發(fā)展，并使得這一理論載入史冊。因為大多數(shù)氣候相互作用發(fā)生在大氣層最下層的10~15千米的范圍（對流層），當空氣上升到達這一高度后必須向北或南移動。這里就好像是一個擋住上升空氣的蓋子?？諝庠谏仙倪^程中冷卻，因此在向北方或南方移動后，它會下降。（抱歉我要忽視南半球了。這些年我發(fā)現(xiàn)，如果試圖同時解釋兩個半球，只能使事情復雜化。）空氣大約在距它上升的地方向北30度處下降。下降的空氣產(chǎn)生副熱帶高壓（STHP）?，F(xiàn)在，你可以猜出這對當?shù)氐挠绊懀荷郎氐南陆悼諝鈱е赂稍锏沫h(huán)境，出現(xiàn)像撒哈拉沙漠這樣的極干旱地區(qū)。一旦空氣下降到地面，它就會在地球表面向兩個方向移動。一些空氣朝赤道方向移動并形成哈得來環(huán)流，另一些則向北去。向北移動的空氣與來自極地環(huán)流的空氣相遇。后者在北極超級寒冷的環(huán)境里變得溫度極低，因密度大而下降，并被推著南下。圖17三圈環(huán)流或大氣環(huán)流模型如果你此刻正在英國讀這本書，那么很有可能這種匯合正發(fā)生在你的頭頂上。英國之所以能擁有如此舒適的天氣，就是因為這個名字很好聽的現(xiàn)象——極鋒輻合（PFC）。在這里，費雷爾環(huán)流的熱空氣和極地環(huán)流的冷空氣相遇。就像大洋板塊與大陸板塊的相遇那樣，這兩股空氣相遇時必然有些東西會轉移，也就是能量。兩股空氣混合，來自費雷爾環(huán)流的空氣冷卻，然而，當空氣冷卻后，有趣的游戲便開始了。在結束這個宏觀視角之前，有兩件事必須說明：首先，洋流也會轉移很多能量；其次，熱赤道隨季節(jié)移動。由于熱赤道的移動，赤道雨帶和極鋒輻合都隨之移動。因此，才會有類似奧卡萬戈沼澤這樣的地方出現(xiàn)，這些地方在夏季被降雨滋養(yǎng)，到了冬天就會干涸。低壓確切地說，這應該叫作溫帶氣旋，它與熱帶氣旋有一些共同特點，但有一個明顯的區(qū)別。要產(chǎn)生低壓，需要有兩個截然不同的氣團，再加上旋轉。極鋒輻合提供了兩種截然不同的空氣團，而旋轉則來自于低壓中心。氣壓的高與低，其實是一種測量向下推向地球表面的空氣重量的指標。在沙漠里，空氣下降，因此產(chǎn)生高氣壓。當空氣上升時壓力被釋放，地表就變成了低壓狀態(tài)。在極鋒輻合下，一系列高壓和低壓環(huán)流的形成還要歸因于急流（圖18）。急流和低壓環(huán)流圖18北半球極地急流我們很少用比對流層更高的區(qū)域來解釋天氣，但急流就是一個例外。急流出現(xiàn)在比一般的天氣現(xiàn)象更高的大氣范圍。在對流層頂（海拔高于10千米的地方），急流的移動非常迅速，速度近每小時40千米。很多人都知道噴氣式飛機應用了急流的原理。但急流的主要功勞，是在英國所處的緯度上創(chuàng)造一連串的高壓與低壓中心。以波形（羅斯貝波）行進的急流，在從北到南移動時加速，反之減速。就像在好萊塢電影中，一輛汽車沿著滿是落葉的路飛馳而過，所經(jīng)之處卷起大量落葉，加速的急流從對流層中吸取空氣，產(chǎn)生一個低壓環(huán)流來擾亂我們的天氣。當然，急流減慢則有相反的效果：空氣堆積，被迫下沉，產(chǎn)生高壓。這就是你經(jīng)常看到一連串的高、低壓環(huán)流穿過大西洋的原因。低壓及其帶來的天氣我猜很多人對圖19都很熟悉。低壓是由冷暖空氣再加上冷鋒和暖鋒組成的。首先注意，風是逆時針方向向內刮的（這是科里奧利力，以一名19世紀的法國科學家命名）。低壓意味著逆時針的風，高壓或者反氣旋則是向外旋轉的順時針的風。圖19經(jīng)典低壓系統(tǒng)于是，鋒面帶來降雨，而冷鋒比暖鋒更加多變且有侵略性（圖20）。兩種鋒面在天氣圖中的出現(xiàn)都不是什么好消息，因為它們會帶來許多上升空氣——我們都知道空氣上升時會發(fā)生什么。最后關于低氣壓系統(tǒng)要說的是，冷鋒會常?！白飞稀迸h，并躲在暖鋒之下。圖20低氣壓系統(tǒng)的橫截面錮囚鋒這下好了，不僅溫暖的、更濕潤的空氣被向上推，它甚至被冷空氣完全包圍住了（圖21）。結果就是狂風、烏云和大量降水。圖21錮囚鋒反氣旋與那個惡劣的低壓系統(tǒng)相比，反氣旋則是小事一樁?？諝庠诟邏涵h(huán)流中下降。風相對平靜，沒有空氣團的匯合。天氣會很好，特別是有熱帶氣團的話。不過，季節(jié)性的極端天氣確實會造成嚴重的破壞。在夏季，反氣旋可以阻止云的形成，并導致干旱。在冬季，它們會帶來非常低的夜間溫度。下降的空氣會導致非常有限的云量，所以在晚上地面只會輻射熱量，而接收不到熱量的反射，空氣就變得很冷。最糟糕的反氣旋是阻塞反氣旋。它們停留的時間比正常的長得多，因為急流可以分開從它們兩側經(jīng)過，并使它們停在原處，就好像河流中的渦流會停留在同一個地方而水流會繞過它那樣。印度夏季季風乞拉朋齊，也叫“蘇赫拉”，位于印度的梅加拉亞邦，以地球上最潮濕的地方而聞名。在1860年8月至1861年7月之間，這里的降水量創(chuàng)紀錄地達到了22987毫米。如果告訴你1毫米的降水相當于每平方米地面上有1升的水，你就知道問題在哪里了。附近的毛森拉姆近年來一直在爭奪這個頭銜，但是“天氣迷”們不愿意把王冠傳出去。這種堅持是由于毛森拉姆的持續(xù)降水記錄有限。這兩個地方都是印度夏季季風的必經(jīng)之處。季風（圖22）是一個全球性的經(jīng)典氣候特征，對所有人來說都是應當掌握的地理知識。圖22季風大陸度理論簡單來說，和同緯度的沿海地區(qū)相比，大陸的中心在夏天更熱，在冬天更冷。大海容易把熱量傳到它周圍，陸地則有更低的比熱容。也就是說，將陸地的溫度升高所需的熱比將水升高所需的要少。這意味著在陸地上夏季很熱。這種現(xiàn)象在青藏高原北面的西伯利亞最為典型。在夏季，西伯利亞內陸變熱，和土地接觸的空氣溫度升高。密度較低的空氣上升，導致該地區(qū)的低壓環(huán)流形成。這片區(qū)域的低壓環(huán)流范圍是如此之大、如此之深，以至于阿拉伯海和孟加拉灣上空的空氣都移到了印度次大陸上方。當然，這些來自海上的空氣十分潮濕，從而給印度全境帶來雨水。與此同時，東西高止山脈上方的空氣也被迫上升，降雨十分強烈。乞拉朋齊地區(qū)的特殊之處還在于，它處于喜馬拉雅山脈的山麓。是的，你可能已經(jīng)猜到了。潮濕的空氣沿著這一雄偉的山脈上升，在它上升的過程中便會下雨——很多雨。乞拉朋齊真的是“地球上最潮濕的地方”嗎？答案并不一定。在冬天，正如許多經(jīng)典俄國文學的愛好者所知道的那樣，西伯利亞會變得非常非常冷（1922年2月6日，有記錄的溫度低于零下67.8攝氏度）。冰冷的陸地意味著下降的空氣，也就是高壓。結果是，一切都在冬天反轉了，乞拉朋齊被包括在喜馬拉雅山的雨影\h[1]之中。因為乞拉朋齊在冬天不怎么降雨，夏威夷考愛島上的懷厄萊阿萊峰現(xiàn)在是最為人們廣泛接受的世界上最潮濕的地方，因為其數(shù)據(jù)更可靠，一年里可能有360天都在下雨。颶風、臺風、旋風和畏來風熱帶風暴（TRS）是傳說中的?？?，給人類帶來許多痛苦。TRS在不同地區(qū)有不同的名字，所以你不會在加勒比海遭遇臺風，也不會受到孟加拉國的颶風影響。\h[2]如果你很好奇，在澳大利亞人們把熱帶風暴叫作畏來風。熱帶風暴的形成如果不滿足以下全部條件，TRS是很難形成的（雖然在2006年9月類似的風暴發(fā)生在了地中海地區(qū)）。要創(chuàng)造TRS，你需要：?水溫26.5攝氏度及深度達50米的水。?科里奧利力。因此距赤道應不少于500千米，因為赤道附近的科里奧利效應可以忽略不計，而你希望它可以旋轉。?風暴對流環(huán)來提供低壓中心。?可忽略的切變風（風向水平于海面的風），它阻止了對流塔的形成。上述溫度的水很容易蒸發(fā)，并將熱能以動能的形式帶入天氣系統(tǒng)。高聳的對流云將上升的空氣迅速帶至很高的高度，水汽凝結。就好像你向水壺里注入能量會產(chǎn)生蒸汽，是一樣的原理。當情況相反——冷凝過程發(fā)生時，能量會從上升的空氣中釋出，這就是風的動能來源。同時，低壓把空氣向內吸，科里奧利力使空氣呈螺旋狀運動（圖23）。是什么造成了颶風的破壞力？在2005年卡特里娜颶風和2008年納爾吉斯強熱帶風暴之后，你可能對熱帶氣旋的影響有了清晰的認識，而破壞的源頭主要有3個。強風——當風速每小時達118千米以上，一個普通的熱帶風暴就會變成颶風級別，但據(jù)估計颶風的風速每小時可超過306千米。這種風足以吹走樹、牛甚至建筑物，如果再加上它們攜帶的碎片，就十分可怕了。（最高紀錄的風速每小時達408千米，由1996年澳大利亞巴羅島的奧利維亞熱帶氣旋創(chuàng)造。）圖23TRS如何形成降水——艾格尼絲颶風創(chuàng)紀錄地造成達211毫米的強降水。這種強降水會導致當?shù)卦馐芎樗?、直接降雨及冰雹的災害。風暴潮——風暴潮常常被認為是熱帶風暴最具破壞力的方面。它們由風暴前端的強風和海洋在低壓中心的“膨脹”的相互作用而產(chǎn)生。在襲擊密西西比海岸時，卡特里娜颶風產(chǎn)生的最大風暴潮，高度達到了7.6米。龍卷風像河里的漩渦一樣，龍卷風就是大氣中的渦旋。說來也奇怪，英國是世界上龍卷風發(fā)生頻率最高的國家，然而，它們通常集中在改良藤田級數(shù)的低水平區(qū)間（0和1）。美國每年有超過1200場龍卷風事件發(fā)生，很多發(fā)生在“龍卷風走廊”地區(qū)，大多數(shù)都是改良藤田級數(shù)2級以上。熱空氣和冷空氣碰撞時，大積雨云往往會出現(xiàn)，而龍卷風正是從這些云中下降直至登陸。龍卷風的風速從每小時64千米到每小時177千米。這種短暫的現(xiàn)象同樣極具破壞性，不過，它們不會造成大規(guī)模降雨或風暴潮，無法比肩熱帶風暴造成的破壞規(guī)模。它們的突然出現(xiàn)意味著人們很少或根本沒有可能為之做準備。最美麗的場景是，當龍卷風經(jīng)過一片水域時，會把水吸向高空，造出海龍卷（俗稱“龍吸水”）的奇景。傳聞，它們曾經(jīng)把毫無防備的潛水者從大海里卷出，再拋到海岸邊。幾乎可以肯定的是，海龍卷曾經(jīng)把魚吸上天，造成天上下魚的壯觀景象。厄爾尼諾這是導致極端天氣的最重要的氣候特征之一（表11）。通常情況下，太平洋的信風會從南美洲吹向亞洲。出于一些尚未被人們完全理解的原因，在某些情況下，這種風不會這么吹。這就意味著，通常堆積在西赤道太平洋上的溫暖的海水，會向東方蔓延。結果就像打開你的電暖爐的第二盞加熱燈。更大面積的溫暖的海洋表面?zhèn)鬏斀o大氣能量，同時更多的蒸發(fā)也為大氣提供了更多水分。結果，大氣層突然進入了一種不同的狀態(tài)，這也改變了天氣。表11厄爾尼諾的一些影響各種古代文明的歷史性毀滅都被歸咎于厄爾尼諾現(xiàn)象（西班牙語直譯為“小男孩”），包括阿茲特克文化的覆滅。人們還認為，氣候反常導致西歐農(nóng)作物歉收，可能促成了1789年法國大革命。還有一種效應叫作拉尼娜，其影響與它的“兄弟”厄爾尼諾相反。兩者一起被稱為ENSO（厄爾尼諾與南方濤動）。壞消息是，全球氣候變化不僅會擴大ENSO的影響，而且會使它發(fā)生得更頻繁。\h[1]雨影指在山區(qū)或山脈的背風面，雨量比向風面顯著偏少的區(qū)域?！幷咦h[2]TRS在加勒比海地區(qū)常被稱為颶風，在孟加拉國被稱為旋風，在我國南海則被稱為臺風。——審校注全球性問題氣候變化氣候變化這一領域有大量幾乎無可爭辯的證據(jù)，也有許多針對不同尺度的理論爭論不休。科學的發(fā)展方式就是支持理論，積累證據(jù)，質疑現(xiàn)有理論無法提供完整解釋，提出新的理論，支持新理論，推翻它，然后提出更新的理論。關于氣候變化，我們尚不清楚所有的時間尺度和變化程度大小之間的相互關系。顯然，被困在地球的大氣系統(tǒng)內的能量的微小變化都能產(chǎn)生深遠的連鎖效應?，F(xiàn)在，我們尚未完全理解這些影響。換句話說，這個問題存在很大的不確定性，以及復雜性——不是所有的問題都被透徹地理解，從而被預測。在本書即將出版之時，人們在兩點上基本達成了共識：?無論過去或未來，氣候一直在變化（不管有沒有人類參與）。?人類已經(jīng)改變了地球循環(huán)的自然系統(tǒng)，比如碳循環(huán)，所以關于氣候帶和天氣，人類現(xiàn)在可能處在一個與以往不同的位置上。除此之外，其他一切依舊在研究、提出理論和尋找證據(jù)的范圍之內。這包括全球氣候變化的非常新的證據(jù)——21世紀相對緩慢的變暖進程。兩個已知的重要概念反照率和地球——反照率是地球或海洋表面反射水平的度量（例如，鏡子幾乎是100%反射性的，它們的反照率很高，而深綠色的熱帶森林的反照率則較低，僅為14%）。這意味著什么呢？很簡單，如果某處反射的少，那么那里吸收的就多。如果地球表面某處吸收了更多能量，那么太陽的能量將被困在地球上。大量的能量都以長波的形式散發(fā)到大氣中，然后被溫室氣體困住。反射的光則直接回到宇宙，因為反射不改變它們的波長，如果它們是穿過大氣層來的，就可以回到它們來的地方。關于反照率的最后一點：北半球的39%是土地，而南半球只有19%。也就是說，在全球尺度上，季節(jié)的變化會造成全球平均反照率的變化。所以，如果我們改變射向地球的太陽光的季節(jié)變化，我們就會改變一整年里地球能量的反射與吸收的平衡。溫室效應——簡而言之，如果沒有溫室效應（圖24），我們真的只能生存在陸地和海洋上的一條狹窄的赤道帶上。構成地球大氣層的氣體擅長困住向外散去的長波輻射。這些向外的輻射是地球被來自太陽的短波輻射加熱的結果。如果這些氣體沒有施展這個巧妙的小把戲，那么地球的平均溫度將是零下18攝氏度，而不是當前的14攝氏度。要知道，全球平均氣溫只需要下降6攝氏度，就能讓我們進入最糟糕的冰河時代，現(xiàn)在你應該能明白為什么我們如此喜歡溫室效應了。圖24溫室效應我們已知的一些總結根據(jù)來自美國環(huán)保署（EPA）的信息，以下事宜應當被列入清單：?人類活動在改變大氣層的組成。?在1906年到2005年之間，北半球和南半球都有毋庸置疑的變暖趨勢的記錄。?大多數(shù)溫室氣體可以在大氣層中存在幾十年甚至幾個世紀，所以這些氣體的水平在接下來的幾十年中肯定會上升。?溫室氣體濃度的增加會使地球變暖。溫室氣體清單人們很容易相信“頭號公敵”二氧化碳是唯一的溫室氣體，或者至少是危害最大的那一種。事實上，二氧化碳甚至都算不上最強大的自然溫室氣體（表12）。甲烷作為溫室氣體的效力是二氧化碳的20倍。再加上甲烷在空氣中氧化會產(chǎn)生二氧化碳，你就明白它有多厲害了。大多數(shù)（自然形成）的甲烷被封存在地殼中，但時刻準備著從融化的凍土中逃入大氣層。這是另一個我們可能面臨的問題。而且，我們還沒有提到那些霸占頭條新聞的越來越多的奶牛，它們的屁也會增加大氣中的甲烷含量。表12不同氣體對溫室效應的貢獻每種氣體的貢獻的大范圍波動，是由于許多不確定性。這些不確定性依舊很少被報道，也是個被故意回避的話題。除列出的氣體之外，還有一系列人類合成并使用的氣體：含氫氯氟烴（HCFCs）和氯氟烴（CFCs）。溫室氣體濃度的變化溫室氣體水平的上升速率（表13）是政府間氣候變化專門委員會（IPCC）及許多偉大的政治家、活動家和企業(yè)家工作的核心。表13溫室氣體濃度的增長正是基于這些微小的增長，科學的發(fā)展開始建立起人類活動和全球變暖的直接關系。已知的未知我更想把這些事歸類為“挑剔的懷疑”。我們對這些事情知道得還不夠多，但單單持有這個觀點就可以讓你戴上懷疑論者的帽子?？偟恼f來，以下幾點是人類面對的非常復雜的問題，我們必須先把它們弄明白，才能考慮接下來該怎么做。?加深對自然氣候變化、太陽的能量變化、土地利用的變化、污染物氣溶膠的升溫或降溫效應，以及濕度變化和云層覆蓋變化等問題的理解。?確定人類活動和自然因素對氣候變化的相對貢獻。?預測未來溫室氣體的排放，以及氣候系統(tǒng)將如何在一個狹窄的區(qū)間內做出回應。?增進對可能快速或突然發(fā)生的氣候變化的理解。基林曲線自1958年以來，我們連續(xù)地記錄了大氣中二氧化碳的水平，這還要多虧查爾斯·大衛(wèi)·基林（CharlesDavidKeeling）首先開展的具有啟迪性的工作（圖25）。最初，基林測量了南極和夏威夷冒納羅亞山上空的二氧化碳含量，但從20世紀60年代開始，只有冒納羅亞的讀數(shù)被添加到曲線上。圖中顯示，北半球的大量植被的光合作用對二氧化碳有季節(jié)性影響，在夏天，植物的光合作用會將該氣體從大氣中移去。這幅圖是氣候變化辯論的基石，因為它明確地指出了大氣中二氧化碳含量的迅速增加。圖25基林曲線古氣候（過去）預測未來某事物將如何變化的最好方法，是看它在過去如何變化。有一些技術能幫助我們探索過去的氣候。地層序列——新的冰雪層、湖泊和深海的沉積物會覆蓋在更古老的地層之上，困住古老地層中包含的物質。這些被固定的物質包括礦物、植物，以及動物的骨骼（更確切地說，外骨骼和內骨骼都有）。最可靠的記錄來自冰芯、湖床和深海平原。氧同位素——16O和18O（氧的兩種同位素）根據(jù)氣候的變化而有不同的平衡。因此，如果你能從冰芯的空氣氣泡中提取氧氣，測量兩者之間的平衡，便可以推斷當時的氣候。如果沒有這種技術，在格陵蘭島和南極洲鉆的洞就會少很多了。放射性定年法——這種方法通常被稱為放射性碳定年。同一元素的同位素以已知的速度衰變。因此，通過從特定深度取到的樣本中的同位素的比率，就可以算出物質沉積時的年代。這一方法可利用12C、13C、14C（碳的三種同位素）定位到距今10萬年\h[1]的樣本，用氪和氬定位到距今50萬年，用鈾定位到距今35萬年。古地磁學——它被用于測定極大規(guī)模的地殼運動的年代（見構造學及圖26）。圖26古地磁學記錄東方站冰芯記錄圖27最早于1999年發(fā)表，這可能是氣候變化這個主題里最有名的圖表，展示了從南極洲表面向下鉆2.2英里的冰芯數(shù)據(jù)。它展示的時間跨度超過40萬年，使我們得以清晰地看到全世界的氣候是如何變動的，那時我們尚未開始開車、坐飛機，還沒有被罪惡感打垮。很明顯，這段氣候變化的歷史需要除了人類活動之外的原因來解釋。影響氣候變化的因素東方站冰芯展示了全球氣候的自然振蕩，這種自然變化有成千上萬種的可能的解釋。在研究地球本身之前，我們也許需要先了解一下天空中的巨大能量源（太陽），以及我們是如何被它影響的。畢竟，如果你在客廳里覺得熱，就會把熱源調小，如果你覺得冷，則會離熱源更近一些，是吧？圖27來自東方站冰芯（Vostokicecore）的數(shù)據(jù)米蘭科維奇循環(huán)米盧廷·米蘭科維奇（MilutinMilankovitch）是一位塞爾維亞數(shù)學家和土木工程師，他對解應用題感興趣。他計算出我們與太陽的關系不是一成不變的。他發(fā)現(xiàn)有三個循環(huán)能夠概括我們與太陽之間關系的特征，而這些循環(huán)進一步影響我們的星球所能留住的有效的太陽能總量。你可以這樣想，如果全球變暖與我們的大氣層阻止能量向宇宙泄漏的量有關，那么米蘭科維奇循環(huán)討論的就是首先有多少能量留在地球上。這三個循環(huán)和它們對地球溫度的影響之間的關系不是那么簡單的，但這關系著地球季節(jié)性接收的能量，也與北半球和南半球的差異有關。三個循環(huán)偏心率（軌道形狀）——每10萬年地球繞太陽運行的軌道會從圓變成橢圓。你可能對此并不在意，但這個現(xiàn)象是由木星和土星的吸引造成的（還記得“大型物體更有吸引力”吧）。地球的軌跡越圓，就越能持續(xù)地在四季獲得能量，反之亦然。轉軸傾