地球/1b. 地球系统科学：盖亚还是美狄亚？
“想象一下，一个水洼在一个早晨醒来，想着，‘我发现自己身处一个有趣的世界——一个有趣的洞——它非常适合我，不是吗？事实上，它非常完美地适合我，一定是为我而造的！’这是一个如此强大的想法，以至于当太阳升起，空气变热，水洼逐渐变小，它疯狂地坚持认为一切都会好起来的，因为这个世界是为它而存在的，是为它而建造的；所以，当它消失的那一刻，让它措手不及。我认为，我们需要注意这一点。”
1968 年 12 月，宇航员 威廉·安德斯在 阿波罗 8 号 上拍摄了一张地球从月球地平线上升起的照片。它捕捉到了地球从太空看是多么的小，而这张照片突然对人类产生了奇特的影响。从地球向外看，我们共同生活的星球是一个相当渺小、微不足道的地方，但从月球表面向上看，地球又回到了我们面前，我们意识到，我们的星球在宇宙中只是一个很小的星球。
地球系统科学诞生于这段历史时期，即 20 世纪 60 年代，当时对月球和其他行星的探索，让我们能够将镜头转向地球，从远处研究它。地球系统科学是对地球组成部分及其相互作用方式的科学研究——固态岩石、液态海洋、不断增长的生命形式和气态大气——它们如何运作、相互作用和演变，以及这些相互作用如何在长时期内发生变化。地球系统科学的目标是发展预测这些变化将如何以及何时发生的能力，无论是来自自然发生的事件，还是来自人类活动。用道格拉斯·亚当斯上面引用的醒目的水洼比喻，我们不想在小水洼开始干涸时感到意外！
一个系统是一组事物协同工作，作为机制或相互连接的网络的一部分，而地球系统科学则关注这些机制如何协同运作。对这些全球问题感兴趣的科学家将他们的研究简化为全球盒子模型。全球盒子模型是类比，可用于帮助可视化物质和能量如何在整个行星上从一个地方或状态移动和变化到另一个地方。
例如，全球水文循环可以通过一个简单的盒子模型来阐述，模型中有三个盒子，分别代表海洋、大气以及湖泊和河流。水从海洋蒸发到大气中，在那里形成云。大气中的云降雨或降雪在海洋和陆地表面，填充河流和湖泊（以及其他淡水资源），最终流入海洋。每个盒子之间的箭头表示水在这几类之间移动的方向。通量是物质从一个盒子移动到另一个盒子的速率，这会根据能量的多少而变化。通量是一个速率，这意味着它是以单位时间计算的，在水的情况下，这可以通过每年降雨或降雪的水量来确定。
有三种类型的系统可以建模。孤立系统，其中能量和物质不能从外部进入模型。封闭系统，其中能量可以进入模型，但物质不能进入，以及开放系统，其中能量和物质都可以从其他地方进入模型。
全球地球系统被认为是封闭系统，因为从外太空进入地球的物质量仅占地球总物质量的一小部分。相比之下，来自外太空的能量量，以阳光的形式，是巨大的。地球在很大程度上对进入系统的能量是开放的，对物质是封闭的。（当然，当来自外太空的陨石撞击地球时，这种情况会有罕见的例外。）
在我们的全球水文循环中，如果我们的盒子模型是孤立的，不允许任何能量和物质进入系统，那么蒸发过程就不会有能量输入，海洋和大气之间的通量率将下降为零。在没有能量和物质交换的孤立系统中，随着时间的推移，它们会减速并最终停止运行，即使它们有内部能量源。当我们讨论能量时，我们将探讨为什么会发生这种情况。如果盒子模型是开放的，例如，如果覆盖着冰的彗星经常从外太空撞击地球，那么模型中水的总量将净增加，或者如果水能够从大气中逃逸到外太空，那么模型中水的总量将随着时间的推移而净减少。因此，确定模型是否真正封闭或对物质和能量都是开放的非常重要。
在盒子模型中，我们还想探索所有可能的水储存地点，例如，陆地上的水可能会渗入地下形成地下水，并进入地球表面的空间，因此我们可能会添加一个额外的盒子来代表地下水及其与地表水的相互作用。我们可能想区分被锁在冰雪中的水，为此，我们可能会添加另一个盒子来代表冻结的水资源。您可以开始看到，随着我们考虑地球上所有可能存在的相互作用类型和来源，一个简单的模型随着时间的推移会变得更加复杂。
储层是一个术语，用于描述一个盒子，该盒子代表了相对于其他盒子来说非常丰富的物质或能量。例如，世界海洋是水储层，因为世界上大部分水都存在于世界海洋中。储层是相对的，并且会随着能量或物质在来源中的数量相对于其他来源减少而发生变化。例如，如果来自太阳的太阳能增加，海洋沸腾并干涸，那么大气将成为地球的主要水储层，因为锁在大气中的水量将超过海洋中的水量。在盒子模型中，储层称为汇，当进入储层的物质多于离开储层的物质时，而储层称为源，当离开盒子的物质多于进入盒子的物质时。当储层是汇时，它们的大小在增加，而当储层是源时，它们的大小在减少。
封存是指源变得孤立，盒子之间的通量是一个非常缓慢的交换速率。地下水代表着一个与海洋和大气隔绝的水源，可以被认为是封存的一个例子。被封存的物质和能量具有非常长的停留时间，即能量和物质在这些盒子中停留的时间长度。
停留时间可能非常短，例如，当海水蒸发时，几小时后就又以雨的形式落回海洋；也可能非常长，例如，当水被锁在冰盖中时，几千年，甚至在地下数百万年。被封存的物质被锁定了数百万年，因此被从系统中取出。
隔离的一个例子是盐（NaCl）或氯化钠的地球系统箱体模型。岩石在雨水中风化，导致钠和氯溶解，并溶解在水中被输送到海洋。海洋是盐的储库，因为盐会随着陆地持续风化的过程而随着时间的推移而积累。埃德蒙·哈雷（他预测了彗星的回归，后来以他的名字命名）在 1715 年提出，海洋中盐的含量与地球的年龄有关，他认为随着时间的推移，世界海洋中的盐含量一直在增加，未来将变得越来越咸。然而，当科学家确定世界海洋在历史上保持着相似的盐含量时，这种观点被证明是错误的。必须有一种机制从海水中去除盐。海洋通过浅海和内陆水域的蒸发失去盐。这些地区水蒸发后留下的盐被埋在沉积物下，并被隔离在地下。从风化作用中进入海洋的盐通量与通过蒸发盐埋藏过程离开海洋的通量相似。这种埋藏的盐将在地下保存数百万年。盐循环处于平衡状态，因为海洋保持着相当稳定的盐度。蒸发盐的隔离是去除海洋盐分的重要机制。科学家开始想知道地球是否表现出类似的机制，通过反馈过程来维持平衡。
平衡是一种状态，其中相反的反馈是平衡的，条件保持稳定。为了说明这一点，想象一个教室，它配备了恒温器来控制气候。当房间的温度高于华氏 75 度时，空调就会打开，当房间的温度低于华氏 65 度时，加热器就会打开。教室内的温度大部分时间将处于华氏 65 度和 75 度之间的平衡状态，因为加热器和空调是相反的力量，使房间保持舒适的温度范围。现在想象一下，房间里挤满了学生，当房间达到华氏 75 度时，这会提高房间的温度，空调就会打开，使房间降温。空调是负反馈。负反馈是指有一种相反的力量减少系统中的波动。在本例中，房间里学生产生的热量的增加，被空调系统打开降温所抵消。
想象一下，一个同学玩了一个恶作剧，切换了恒温器。当房间的温度高于华氏 75 度时，加热器就会打开，当房间的温度低于华氏 65 度时，空调就会打开。在这种情况下，当学生进入教室，温度慢慢达到华氏 75 度时，加热器就会打开！加热器是与进入房间的学生产生的热量相同方向的正向力。正反馈是指两种力量在相同方向上结合在一起，导致系统随着时间的推移而变得不稳定。教室会越来越热，即使学生离开房间，教室也会保持高温，因为没有相反的力量打开空调。它很可能永远不会降到华氏 65 度，因为加热器一直开着。正反馈有时被称为恶性循环。我们示例中的临界点是华氏 75 度，当正反馈（加热器）打开时，导致系统不稳定，并导致非常糟糕的热教室体验。如果系统中存在正反馈，则应避免临界点。
盖亚还是美狄亚？
[edit | edit source]地球系统科学中最重要的话题之一是，地球是否主要表现出负反馈还是正反馈，以及我们今天在地球上发现的这些条件受到多好的调节。这两个假设以希腊神话中的两个人物命名，盖亚，地球女神，和美狄亚，杰森的爱人，她谋杀了自己的孩子。盖亚假说认为，全球地球系统通过各种抵消行星失稳的负反馈，维持着平衡或长期稳定。美狄亚假说认为，全球地球系统不维持稳定的平衡，导致频繁的灾难性事件。从地质学的角度来看，盖亚假说预测均变论，即过去的地质过程随着时间的推移基本上一直保持连续和一致，而美狄亚假说预测灾变论，即过去的大多数地质过程是突然的、短暂的和剧烈事件的结果。
乐观主义的盖亚假说和悲观的Medea假说之间的这种二分法是一种简化。实际上，真正的地球系统可能同时表现出负反馈和正反馈，它们以复杂的方式相互作用。
想象一个教室，现在配备了两个恒温器，一个正常的负反馈，当房间温度高于 75 度时，就会打开空调，以及一个故障的正反馈，当房间温度高于 80 度时，就会打开加热器。假设教室的初始温度为 70 度，并且每个进入教室的学生都会将温度提高 1 度。当 5 名学生进入教室时，空调就会打开。这个空调很弱，每 10 分钟只能降低 1 度温度。
只要进入房间的学生的速度低于每 100 分钟 10 名学生，教室就会保持平衡温度。例如，如果 7 名学生同时进入教室，温度会上升 7 度，达到 77 度——当它超过 75 度时打开空调，并在 20 分钟内将其降低回 75 度。另外 4 名学生可以进入教室，将温度提高到 79 度，打开空调，并在 40 分钟内将温度降低到 75 度。
然而，如果 12 名学生同时进入房间，温度会上升到 82 度，打开 75 度的空调和 80 度的加热器，加热器使房间变暖的速度（每 10 分钟 +2 度）比空调降温的速度快（每 10 分钟 -1 度）。这种正反馈会导致教室温度升高，直到它变成一个热烤箱，因为净温度将每 10 分钟增加 +1 度。临界点是 12 名学生同时进入房间时，这引发了这种正反馈的恶性循环。如果进入教室的学生速度保持较低，房间温度将保持稳定，并且似乎受盖亚假说支配。然而，如果进入教室的学生速度很快，温度可能会变得不稳定，正如美狄亚假说所支配的那样。
在确定地球系统如何随着时间的推移而发挥作用的机制时，我们还需要意识到本章开头提到的“显眼的水坑”谬论——一个认为自己完全适合所处环境的水坑。盖亚假说将地球视为一个运行良好的系统，能够适应变化并维持平衡状态。这类似于显眼的水坑相信它完全适合它所处的环境。相比之下，美狄亚假说认为，不可避免地会发生将水坑干涸的事件，并且水坑在温暖的阳光下并不处于平衡状态。
谁想出了这些想法？
[edit | edit source]盖亚假说历史悠久，最早由詹姆斯·洛夫洛克和林恩·马古利斯在1970年代提出。最初被称为地球反馈假说，作家威廉·戈尔丁（《蝇王》的作者，也是洛夫洛克的近邻朋友）提出了盖亚这个名字。洛夫洛克是英国空气质量和呼吸道疾病方面的专家，但他开始研究地球的硫循环，注意到似乎调节云层的负反馈。在1970年代，他受邀加入了维京号火星探测任务，由美国宇航局负责评估火星大气中是否存在生命迹象。洛夫洛克认为，如果维京号着陆器在火星大气中发现大量氧气，就表明那里存在生命。但维京号着陆器发现火星大气中96%是二氧化碳，与金星大气相似。洛夫洛克与林恩·马古利斯合作，他们提出一个假设，即地球上存在自然的负反馈系统，可以将大气中氧气和二氧化碳的含量控制在一个较低范围内，光合作用的植物和微生物吸收二氧化碳并释放氧气，而动物则吸收氧气并释放二氧化碳。地球上的生命似乎在维持这两个类型的气体在大气中保持稳定方面发挥了作用。如果没有生命，火星和金星的大气中二氧化碳含量将保持很高。
米狄亚假说是一个更新且更令人恐惧的想法，最早由美国古生物学家彼得·沃德在2009年出版的书籍（《米狄亚假说：地球上的生命最终会自我毁灭吗？》）中提出。沃德最初是一名海洋生物学家，但一起潜水事故中他的潜水伙伴遇难，这促使他开始研究岩石中发现的海洋生物，而不是深海生物。沃德对欧洲沿岸的菊石化石产生了兴趣，菊石在中生代恐龙时代的海域繁盛，但与恐龙一起在6600万年前灭绝了。沃德研究了菊石和其他化石，他对地球历史上发生的物种大灭绝事件产生了浓厚的兴趣。他对发生在南非的二叠纪-三叠纪灭绝事件特别感兴趣，该事件将古生代（古代生命）与中生代（中期生命）分开，这是地球历史上的重大时期划分。这场灭绝事件是最严重的事件之一，俗称“大灭绝”，它似乎是由大气中二氧化碳含量过高造成的失衡引起的。沃德将岩石记录中的这些物种大灭绝事件视为地球系统失衡并导致灾难性变化的证据。沃德与唐纳德·布朗利假设，地球大气层在数百万年后将失去所有的二氧化碳，因为地球上的构造活动和火山活动会停止，导致没有新的二氧化碳来源释放到大气中。二氧化碳将被封存在地下，因为光合作用的植物和微生物会死亡并被埋葬，并且不会有新的二氧化碳从火山中释放出来。结果，大气中二氧化碳会越来越少，最终会导致所有光合作用生物的灭绝，最终使地球毁灭。
这两个假说的支持者都没有认为地球系统完全受其中一个假说控制，而是认为在漫长的时间跨度内，全球范围内负反馈和正反馈混合作用。另一种理解盖亚假说和米狄亚假说的方法是，问全球地球系统主要是在负反馈还是正反馈下运行。当然，这门课的目的是弄清楚如何避免导致地球发生灾难性变化的正反馈循环，同时保持地球的负反馈循环平衡，让地球成为后代的宜居星球。
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