氣候環境與人類生存
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- 2020-07-04 10:02:57
摘要：
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【簡介】
簡介
全球變暖是最廣泛為人議論的氣候話題，現在一些輿論把全球變暖描繪成洪水猛獸。全球變暖是否真如廣大媒體宣傳的那樣恐怖？本次學術沙龍的權威專家細致地講述了氣候變化的各個方面。從地球自身演化角度，從政治角度，全方位地向大家講述了全球變暖的研究現狀、認識誤區和政治陷阱。呼吁從全面研究氣候變化，保障國家正常發展權益，倡導綠色發展。
另外，從比較行星學的角度，報告人講述了木衛二的環境狀態，描述了生命存在的可能性和冰的厚度。一方面對研究早期地球環境有所借鑒，另一方面可能對現今氣候研究有所啟發。
【主持人致辭】
林秋雁：熱烈歡迎大家參加本次學術沙龍！今天有兩個報告。第一位報告人是中科院地質與地球物理研究所研究員，劉嘉麒院士。劉院士長期從事第四紀地質學研究，是著名的地質學家。另一位是中國地質科學院地質研究所的楊少華博士。他從比較行星學的角度，匯報木衛二的生命可能性，或許對研究地球環境有所啟示。下面，首先有請劉嘉麒院士作報告。
【主旨報告】
劉嘉麒：氣候環境與人類生存
地球表層的氣候環境是人類賴以生存的空間。其重要性不言而喻。今天我們談一談“氣候環境與人類生存”這件大事。
一、地球是天之驕子
在浩瀚無際的宇宙中，星球數以萬計，直到現在，卻只有地球擁有人類。地球養育了人類，人類也在不斷地探索地球。地球是個有生命的星體，它朝氣蓬勃，日夜運行。在太陽系的八個兄弟中，地球最有生氣，最有作為，是天之驕子！
從冥古宙的地球演化到現代地球，大約花費了45.5億年的時間。人類在地球的歷史中僅僅存在一瞬。“把地球45億年的歷史壓縮成普通的一天，我們有記錄的歷史，不過幾秒鐘長”。
二、人與自然
人類生存所需的一切幾乎都是從自然界索取的。資源是人類生存和社會發展的物質基礎，其中礦產資源是資源中的重頭戲。92%以上的一次能源、80%以上的工業原材料、70%以上的農業生產資料……都來自礦產資源。可以說，沒有礦產資源就沒有這個世界！
人類在向大自然無休止地索取過程中給自身帶來災難。中國乃至世界許多文明的消失大都受氣候環境的影響。一度十分繁榮在中國和中亞的絲綢之路及沿線古城的消失，有些就是被沙漠吞噬了。環境惡化和自然災害給社會經濟和人類生存造成巨大損失。人類面臨的嚴重自然災害。必須加強觀測，深入研究，掌握其發生的機理和規律，做到準確預報，有效預防。
生態環境退化。全國耕種土地面積的10%以上受重到金屬污染。空氣污染更為嚴重，霾天氣頻發……
圖1 中國大部分地區生態有待改善
中國的生態環境已明顯超載、透支。權威報告顯示：從20世紀70年代中期開始，中國出現生態赤字，且赤字規模不斷擴大，2007年中國人均生態足跡為2.2全球公頃，低于全球平均水平；而人均生態赤字卻達1.2全球公頃，約為世界平均水平的3倍。
三、氣候變化
近年來，幾乎所有的氣象災害都發生了：臺風、龍卷風、暴雨，洪澇、高溫、酷熱、干旱、冰凍、雪災、沙塵暴……頻頻發生，殃及之廣，災害之嚴重，歷史少見。
圖2 近年來氣象災害頻頻發生，殃及之廣，災害之嚴重，歷史少見
過去一百年全球氣候增溫是個不爭的事實。1850年以來全球溫度排名中，年度平均溫度前50個最暖年幾乎都是20世紀末和21世紀初的年份。過去100年全球高緯度地表升溫勝于低緯度，北半球高于南半球。
中國對全球氣候變化的響應。我國氣候變暖趨勢與全球基本一致。我國降水分布格局發生了明顯變化。我國極端氣候事件的發生頻率和強度變化明顯。
四、氣候變化造成的影響
氣候變化對整個自然界和人類社會都會產生重要影響，引起旱、澇、洪、雹、潮、風、凍等多種氣象災害。當然，不同地區，不同環境，氣候的影響不同。增溫對有些地區不利,對有些地區卻有利，要因地制宜。（1）海平面上升；（2）改變地表熱量平衡；（3）提高雪線，減少凍土層；（4）改變洋流；（5）影響極地生物生存與演替；（6）氣候變化影響水安全；（7）氣象災害嚴重；（8）氣候變化的正面影響：減少凍土帶，擴大耕地面積和森林面積；延長無霜期，增加農作物的生長期，增加農作物產量；促進喜暖生物的生長；節省防寒物資……
五、引起氣候增溫的原因和因素
氣候是一種自然現象。它的變化受多種因素制約，有自然的，也有人為的；其主要因素取決于地球本身。地球是個巨系統，地能的釋放，地質體的變遷，物質的遷移與交換，地球表層地、水、氣、生物各圈層的相互作用，地球在自然界中所處的位置和與外界（宇宙）發生的關聯，接受太陽輻射的程度等，是引起氣候變化的根本原因。近年來的研究表明，氣候增溫是二氧化碳等溫室氣體濃度增長造成的，而二氧化碳等溫室氣體濃度的增長又與人類活動密切相關。
氣候變化的自然記錄。冰芯記錄表明，氣候周期變化，與溫室氣體密切相關。自冰消期以后，氣候處于一個比較平緩高頻震蕩的變化狀態，氣溫時高時低，但很少出現突變事件，也就是說，絕大部分變化是在閾值之內，屬于正常狀態。
圖3 根據冰芯記錄得出的氣候變化數據（時間尺度為千年）
火山噴發是引起氣候變化的重要因素。有記錄以來的重大火山噴發事件約2年內都會發生厄爾尼諾。
太陽輻射對氣候的影響。第四紀冰期-間冰期氣候變化受地球軌道變化制約。地球軌道偏心率、地軸傾角和歲差的周期性變化影響地球接受太陽輻射的總量和太陽能量在不同緯度和季節的分配。季節性的太陽光線在高緯度的變化，可以降低夏天的溫度，導致冰川的增大，冰期的到來。軌道的變化在中緯度和高緯度會導致冷與暖的交替出現
IPCC的五次評估結果——氣候變化的人為因素。1990年評估：認為全球變暖可能源于自然波動或人類活動，或兩者共同影響的結果。1996年評估：定量表述人類活動對氣候有影響，但影響力有限。2001年評估：全球升溫有66%以上的可能性歸因于人類活動。2007年評估：20世紀中葉以來全球平均氣溫升高很可能（大于90%的可能性）是由于人為排放的溫室氣體濃度增加所導致；太陽活動作用不到二氧化碳的1/10。2013年評估：人類活動極可能（95%以上可能性）導致了二十世紀五十年代以來的大部分（50%以上）全球地表平均氣溫升高。
2015年3月4日，美國人類學協會（American Anthropological Association, AAA）發布了題為《改變的大氣：人類學和氣候變化》（Changing the Atmosphere: Anthropology and Climate Change）的報告， 主要關注人類活動對氣候變化的推動作用，強調多空間尺度研究氣候變化的適應性和重要性，以及跨學科研究的必要性等。
六、人類如何應對氣候變化？
氣候是一種自然現象，天氣變化是氣候的短期行為，它無時無地不刻地在普惠和影響著自然界和人類社會。氣候問題受到全社會的普遍關注,幾乎找不到哪種事物比氣候作用更廣泛更重要。國際上成立了相關組織，擬定了相關的研究計劃，如地球科學系統計劃 ESSP（Earth Science System partnership )等。
應對氣候變化，中國在國際上必須履行大國的責任和承諾——控制和減少二氧化碳排放；國內必須深化改革，改變經濟發展方式。
改變生活方式，實現綠色生活。“幾十年來人們普遍關注：美國以占世界5%的人口，消耗1/3以上的世界資源……西方傳統的經濟模式——以化石燃料為基礎，小汽車為中心，一次性產品泛濫的經濟——顯然在中國是行不通的.”
七、大力推進生態文明建設，實現綠色文明
習近平主席指示：綠水青山就是金山銀山，寧要綠水青山，不要金山銀山。中國是個人口大國，經濟大國，也是在國際事務中舉足輕重的大國；在應對氣候變化，發展綠色經濟方面負有重要責任，對人類負責也是對自己負責，我們應當擔當起自己的國際責任和歷史責任。
【討論與交流】
林秋雁：劉院士給我們做了一個很好的報告，機會難得，大家有什么問題，都可以提出來。
吳寶俊：現在煤炭仍然是我國主要能源，也是碳排放的重要來源。我們可以通過控制碳排放來緩解全球變暖。
桂文莊：劉院士的報告把氣候變暖的來龍去脈講的很清楚。確實氣溫在升高，對某些地區是災害，甚至是災難。現在全世界都在呼吁減少碳排放，但同時也要看到隱藏在其中的可能的政治因素。發達國家完成了現代化，他們早把污染物排放在大氣中了。現在大氣中的污染物，絕大多數是發達國家在歷史上排放的。不能因為現在氣候變暖了就限制發展中國家的發展的權益。當然，發展中國家盡量走綠色發展道路也是不能缺少的。所以需要進一步的加強研究，把氣候變暖更多地作為科學問題來研究，避免落入政治陷阱。我想請問劉院士，現在有學者提出“人類世”的概念，他們的看法是因為人類活動對氣候造成了極大的影響，所以現在進入了和歷史上其他年代不同的一個新的年代，您認為這個觀點如何？
劉嘉麒：“人類世”這個觀點提出的時間很長了。在地質學上認為一個世就是一個地質年代。地質年代分為“宙”、“代”、“紀”、“世”，現在公認我們處于顯生宙-新生代-第四紀，第四紀又分為更新世、全新世，我們現在屬于全新世，在這都是經過科學認證的。如果要劃分出“人類世”，一個重要標志就是人類的出現，人類不是現在出現的。世代的劃分上有很多問題，科學標準和依據是什么？在時代劃分上得有法律效力才行。
琚宜文：劉院士的報告特別精彩。地球是一個巨大的自組織系統。在地質歷史中，比目前的氣溫高很多的時候也經常有。當時也不是完全沒有生物存在。所以，完全把氣溫升高歸因于人類活動是不正確的。我完全支持劉院士的觀點。煤炭在全球所占比例在不斷下降，是能源整體的演化過程，氣候帶的變化也是逐步效應，是一個整體發展過程。
劉嘉麒：地球有內能，內能外能對氣候都有影響，生態即是氣候的產物，反過來也能對氣候造成影響，比如最明顯的就是光合作用，是一個相互作用，在整個自然界，沒有一件事能像氣候這樣無時無地不存在，過分的強調某體方面都會不準確。
劉銓良：聽了您的報告受益匪淺，我同意您的觀點，古代應該就有冷和暖的時候，主要因素可能不是人為的，是地球本身的自然規律，我們提倡生態文明是對的，但是我們國家有這么多的礦產資源，在使用時我們要把產生的排放物回收利用，達到環保生產。
張謙琳：這是一個非常吸引人的題目，大家都很關心全球變暖的問題，您的報告由淺入深，觀點鮮明，報告里都包含了地球變暖關心的問題和對策，全球變暖影響是多方面的，讓我們正確看待全球變暖的問題，增長了不少的知識，非常感謝您的報告。
林秋雁：這個問題先討論到這里，下面請楊少華博士作報告。
【邀請報告】
楊少華：地外物理環境對生命的制約——以木衛二為例
我們從更大的視角，從比較行星學的角度，看一下生命的存在需要哪些因素，進而分析木衛二生命存在的可能性。或許對理解地球生命及其所處的環境有所啟發。
我們知道全球正在變暖。在全球變暖的大背景下，冰川消融，影響著生物活動。與此同時，中國大西北的氣候由干冷向濕熱轉變，更為宜居。在各路媒體的宣傳下，人們傾向于認為全球變暖是壞事。通過對比，我們看到全球變暖不一定完全是壞事。所以不應過分強調全球變暖的消極影響。
石耀霖院士2010年的政協提案中強調：要開展全球變暖環境效應的全面研究。提案在方法上、研究內容上，視野上給予了建議。
我們從更大的視角，從比較行星學的角度，看看地外環境是否有利于生命活動，希望能夠對研究地球環境有所啟發。我們將研究目光從地球轉向木星。木星是太陽系中體積最大的行星、自轉最快(9時50分)，號稱“靈活的胖子”。如果不留心，大家可能對木星比較陌生。“流浪地球”這部電影非常火爆，它的宣傳海報上就顯示了木星最為顯著的一個特征——大紅斑。
圖4 從比較行星學啟發預測可能的地外生命
木星共有79顆衛星，其中伽利略發現了4顆，分別是木衛一、二、三、四。其中木衛二是伽利略1620年發現的，它的直徑是4者中最小的，它表面明顯比其他3顆更為光滑。它的質量不到地球的百分之一。自轉周期和公轉周期相同，說明木衛二有一面永遠面向木星。
對木衛二最早的空間觀測可追溯到上世紀70年代。它的表面平坦；隕石坑很少，只有3個直徑大于5km的。這是美國發射的旅行者2號拍攝的影像：
圖5 美國旅行者2號拍攝的木衛二表面影像
1989年伽利略航天器發射之后，獲得了木衛二更精細的影像。可以看到呈點狀、線狀的構造現象。
表面平坦，只有3個隕石坑，是不是意味著落到木衛二上的隕石本來就比較少呢？木衛二和其他衛星運行都受控于木星的引力，隕石落到衛星上的可能性應該均等。其他三個衛星隕石坑都比較多。推測落到木衛二上的隕石和落到其他衛星上的數量相當。落到木衛二上的隕石不少，然而隕石坑少，原因是什么？難道表面不是巖石嗎？
木衛二表面是冰的可能性？1）表面物質粘度小于巖石，大于水；2）木衛二是最明亮的星體之一——反射率大；3）簡單的元素組合中，冰的可能性大。
木衛二冰面上有生物嗎？難！原因：木星持續釋放高能粒子，高能粒子的轟擊下，有機體無法在木衛二表面生存。
表面難以生存，木衛二冰面下有生物嗎？有水嗎？有水。證據：1）木衛二表面有對稱的構造樣式，指示擴張的應力環境。擴張后，灰色物質充填，類似洋中脊的運動模式。這種模式需要有水支持。2）NASA：木衛二表面的灰色“斑點”是水噴發形成的。
木衛二有多少水？比地球上的水還多。
木衛二有誕生生命的必要條件嗎？1）生命的搖籃：水；木衛二滿足；2）基本元素：C.H.O.N.P.S.K.Ca.Mg等（水+巖石）；木衛二滿足；3）能量：水的存在，表明基巖溫度高于0度。木衛二滿足；4）呼吸：NASA證明存在稀薄大氣。所以，木衛二的海洋中可能有生命！甚至有科學家預言：沒有生命才更奇怪！
這里有個阻礙：冰蓋阻擋著大氣和水的交換？如果真如此，那么海洋中生命也難以生存。
冰層厚度很重要：厚的冰層可能發生對流，有利于表面與水的連通；過薄的冰層不利于對流的發生，限制了表面與水的連通。動力學數值模擬揭示：木衛二冰層厚度大于20km。
圖6 木衛二冰層厚度的計算結果
總結：木衛二海洋中可能存在生命。冰層厚度制約著表層稀薄的大氣和海洋的交換。數值模擬研究認為冰層厚度大于20km。這個厚度能否支撐對流，溝通表面和水，需要進一步研究。
【討論與交流】
劉世祥：能不能做一個數值模型，模擬一下木星發射的高能粒子對木衛二的輻射強度
楊少華：您的意思我明白了。做個模型，看一看輻射強度的大小，看能否有利于生命存活。這個問題非常好，前人已對這個方面開展了研究，他們的研究結果顯示：輻射在冰中衰減特別快；冰面之下10公分左右的深度，木星的輻射可以忽略不計。所以，冰面上存活生物比較困難。另外，冰面的溫差極大，也不利于生命存活。
張謙琳：比如貴陽地化所的研究，地球內部那么熱，把地球內部各種石頭取出來，用科學的方法研究地球下面的石頭，最終得出結果，覺得你們可以參考。你的實驗怎么做的？是真實地建了一個冰的隕石坑嗎？
楊少華：目前木衛二人為干預達不到，只能通過概念先研究一下。我們沒有建立真實地隕石坑。實際上，就算建一個真實地隕石坑也無法做實驗。因為冰蠕變的時間周期很長。我們建立的是數值模型，在符合一定物理規律的情況下，由計算機模擬冰的蠕變。
姚鳳梅：能解釋下冰層厚度與大氣溝通嗎？
楊少華：如果太薄不能進行對流，指的是冰之間的對流。冰層厚的話，冰可以發生對流，就像地幔對流一樣。只要發生對流就可以溝通冰面外的稀薄大氣和冰下的海洋。如果冰太薄，是不能發生對流的。那么大氣和海洋不能有效溝通，那海洋將不利于生命的存在。我們現在的結論是冰川厚度大于20km。 至于這個厚度能否對流進而有效溝通大氣和海洋，還需要進一步研究。
王文標：想問下為什么選擇木衛二？
楊少華：有些行星表面是有冰的包含，木衛二是最可能有生命跡象的。
吳寶駿：你的報告中提到“流浪地球”。你支持拍攝科技題材的電影嗎？你認為科學家應該以怎樣的心態和媒體打交道？你愿不愿意做一些科普活動？
楊少華：我完全支持拍攝科技題材的電影，增加觀眾知識的同時，也能潛移默化教育孩子，讓他們喜歡鉆研。和媒體打交道，首先是堅持科學本身，告訴媒體事情的全部，同時要“打好預防針”，避免以偏概全。我個人非常樂于科普。讓大眾喜歡這個專業，覺得這些研究有價值，才能更支持我們搞科研。
孫愛芝：有兩個問題，你認為木衛二處于地球氧化的哪個階段？因為木衛還有其他衛星，木衛二相比其他衛星，是早期還是晚期？
楊少華：大家目前都處在猜測階段，三個衛星都差不多。
【結論】
人類是幸運的，因為地球是迄今為止唯一一個擁有生命且生機勃勃的星體。盡管地球歷史上有多次氣候環境突變，然而生命沒有完全滅絕，而是向著越來越高級的方向發展。目前人類面臨著全球升溫的挑戰，需要全球合作，才能更好地應對。同時我們應該警惕，完成工業化的發達國家在積極尋求途徑試圖把氣候問題政治化進而壓制發展中國家的發展需求。面對全球升溫，不應完全悲觀，而是要全面研究，全面評估。
如果存在地外生命，它們的生存環境是怎樣的？研究地外生命環境有助于理解早期地球環境，或許對于應對當下氣候環境變化有所啟迪。木衛二存在生命之源——水，存在能量，存在稀薄大氣，也需要冰的對流進而溝通表面和海洋。有人大膽預言：沒有生命才更奇怪！總之，木衛二讓科學家充滿希望。
