TUhjnbcbe - 2023/10/15 16:46:00
年4月22日，科普中国·星空讲坛以“珍爱地球·美美与共”为主题，邀请5位来自相关领域的科学家，从地质、地理、地球物理学、天文学等方向讲述地球与自然的知识。“地球知识局”主理人孙力带来演讲：《地球是怎么运转的?》以下为孙力演讲节选：人类能够从整体上观察、理解我们的世界，其实是非常晚近才有的事情。在全球化的时代之前，生活在世界各个局部的人们，往往是被各不相同的自然系统和自然环境所支配。比如我们所在的东亚和南亚，最重要的自然系统是季风区——东亚季风区和南亚季风区;对于非洲的埃及，最重要的是尼罗河的水位，它每年有没有稳定地过来;对于西欧，最重要的是北大西洋的暖流。生活在不同环境下的人们，会认为自己所看到的景象以及自己通过景象所总结出来的规律，就是这个世界的法则。生活在局部的人们，其实很难想象，世界各地的差异是非常大的，更难以想象这些相互之间的差异其实可能是彼此咬合，甚至是互为因果的。而现在，我们能够从太空俯瞰地球，并且通过各种各样的科学手段，对地球整体的各个层面，像是大气、洋流的温度等各方面的信息，进行重新观察和研究。当我们具有这种“上帝视角”的时候，我们可以将之前分布在世界各地的不同知识，包括自然科学知识、人文科学知识，放在一起，形成一个相对非常庞大的关于“地球是如何运转”的知识图景。为了描述这样一个庞大的知识图景，我和我的团队做了一系列的内容，我们内部一般称之为“地球操作系统”，就好像地球是一个非常非常复杂的超级计算机，我们要搞清楚它是如何运转的。01“跨太平洋热量转移通道”下面这张图是年到年的全球台风分布图。供图：孙力台风，也可以称为“热带气旋”，这张图标记了世界各地的热带气旋以及它们的行进路线。我们可以发现，这张图里热带气旋分布最密集的地区，就是西太平洋地区，台风登陆最密集的地区，就是我们说的东亚沿海。我们，包括韩国、日本、菲律宾等东南亚国家，其实对台风都已经非常熟悉了。年复一年的台风以及它不断的冲击，虽然会造成或大或小的破坏，但也会给我们的沿海以及内陆的一些地区，带来大量的降水。东亚地区除了有热带气旋，还有季风和暖流。因此，东亚地区拥有了大量丰富的降水以及季风季节性气候，也因此，东亚地区有很高的农业生产下限，目前仍然可以养活十几亿人口，这在世界上都是非常罕见的一个区域。作为对比，我们再看太平洋的东侧，比如北美或者南美，尤其是它们的西部海岸，那里既没有热带气旋也没有季风、暖流，人口密度相比东亚其实要低很多很多。供图：孙力太平洋的东西两侧为什么会有这种差异?其实它们都是一个叫做“跨太平洋热量转移通道”的产物。当然这个词是我自己发明出来的，不是特别严谨的说法。它是指太平洋从东到西，其实存在一个热量转移通道。在顺风的吹拂下，南赤道暖流会将大量表层的温暖海水，从东太平洋转移到西太平洋，这部分海水向北会形成日本暖流，向南还会形成东澳大利亚暖流，分别改善了日本和东澳大利亚的环境，所以澳洲大陆的东侧比西侧更加湿润、更加宜居，人口也要多很多。与此同时，这种热量转移也在西太平洋地区堆积了大量的温暖海水，而温暖海水正是孕育台风或者说热带气旋的前提条件，所以说西太平洋地区的台风就特别特别多。如果我们看地图就会发现，“跨太平洋热量转移通道”本质是把东边的太阳能传到了西边，因为东边温暖的海水实际上是太阳晒热的，这个转移通道把东边的海水转移到西边，加强了西侧的降水，形成了“西侧降水比较多、东侧降水比较少”的结构。这两个其实都是这个系统下的共同产物。这样一条热量转移通道会不会出问题?当然会出问题。这个转移通道一直都是在变化的，无论它转移的规模还是方向，每年都会有一点微小的变化，其中最明显的变化标志就是东太平洋地区的水温。比如，秘鲁沿海水温异常升高意味着什么，意味着从东边转移到西边的热量变少了，所以它的水温才会变得相对高一点。如果说它的水温异常降低，意味着什么，意味着从东边转移到西边的热量变多了，前者我们称之为“厄尔尼诺”，后者我们则称之为“拉尼娜”，这两种现象加上大气变化，一般都合称为ENSO循环。这种ENSO循环对人类的生产生活其实影响很大，因为人类的生产生活方式，包括农业、工业、城市、各种设施，都是为了适应某一种相对固定、相对稳定的自然环境而设计的。如果自然环境发生频繁甚至是剧烈的变化，就会引发自然灾害，所以在“厄尔尼诺年”就会出现西侧干旱、东侧洪水的现象，在“拉尼娜年”则会出现东侧干旱、西侧洪水的现象。由于“厄尔尼诺”和“拉尼娜”是交替出现的，它对太平洋的东西两侧都有长期影响。另一方面，虽然中国距离太平洋深处是有一定距离的，但这种循环对中国也有影响，它会通过非常复杂的机制去影响我们的季风气候，尤其是影响季风区的降雨。比如在“厄尔尼诺年”，夏季中国江淮流域降水偏多，华南、华北降水少，在“拉尼娜年”，江淮流域降水偏少，华南、华北降水偏多。因此，我们中国的季风区，虽然说有着优越的农业条件、有着悠久的农业传统，但是几乎每年都会发生洪水或者旱灾。当我们作为个体，比如说在中国进行农业生产的时候，我们很难想象，我们所遇到的洪水或者旱灾，其实和地球另一面的海水温度是息息相关的。要知道太平洋的宽度是非常宽的，最宽的地方有19,公里，这条转移通道相当于是跨过半个地球来影响中国。02地球热量转移的其他形式“太平洋热量转移通道”也只是地球上热量转移的一种方式，热量转移还有很多其他的方式，比如北大西洋暖流、中纬度的西风带。我们知道欧洲所处的纬度和加拿大以及中国的东北地区是比较类似的，但如果看温度的话，会发现欧洲的温度，明显比加拿大还有中国东北要温暖得多，这背后的地理原因就是北大西洋暖流。暖流从赤道出发，经过墨西哥湾，向东北一直到北大西洋，将温暖的海水一直输送到西欧和北欧的海域，这条北大西洋暖流给欧洲带来了非常廉价的热量。我们可以发现，在欧洲地区，西欧可能是海洋气候最明显、最温暖的地区，越往东海洋气候越弱，一直到俄国甚至到乌拉尔山，环境越来越恶劣。供图：孙力这也是欧洲人为什么对环境变化议题特别在意的原因，因为如果气候变化影响到北大西洋暖流，就要出问题了。北大西洋暖流减弱、甚至是消失，欧洲文明的地理基础就要被动摇了，电影《后天》里面的场景可能就会出现。这对欧洲人来说，是一种毁灭性的打击，他们是不可能接受的。北大西洋暖流影响的主要是欧洲，对我们来说可能稍微有点远，离我们很近的是什么呢?中纬度西风带。为什么今年春天中国北方的沙尘暴这么多、为什么冬天的寒潮特别多，它们在气象方面的动力是一样的，都是来自西北风，西北风的本质是中纬度西风带的大幅波动。中纬度的西风带，有时候是平直的，有时候是波动的。波动的时候，可能在中国的北方形成一条从西北到东南的通道，很强的高空风会拖着地面的冷空气，又卷起地面上的沙尘，从西伯利亚一路向南，一直到中国北方。波动的幅度越大，寒潮或者沙尘暴深入中国的规模也越大，南下的程度就更深。我们知道西风带是绕行地球一周的，当它发生波动的时候，并不是一直在我们中国，我们同纬度的地区，比如欧洲、北美也会同步受到影响。去年夏天让大家记忆非常深刻的罕见酷热天气，中国、欧洲、北美都遇到了，这背后就是中纬度西风带的作用。冬天的时候，中国、美国都遇到了很强的寒潮，也跟这个原因有关，所以说在这个层面上，“环球同此凉热”是非常符合实际的。那么，中纬度的西风带为什么会大幅波动?这和地球上另外一个大规模的交换——南北交换有关。在西风带的北侧和南侧，有一个大气的温度差，这个温度差比较大的时候，就会导致南北交换不足，西风带就会大幅波动，等温度达到一种新的平衡，西风带又会从大幅波动变成一种趋于平稳的状态。所以当我们再遇到热浪的时候，其实并不能够简单地归结于全球变暖，因为全球变暖不是说一个什么时间，全球各个地方都变热了，它是“背后的推手”，改变了地球的一些基础条件。比如说极地的升温速度可能比温带和热带的升温速度更快，它其实改变了地球上不同纬度之间的温度差，进而通过更加复杂的机制来影响地球上的热量交换通道，比如刚才所说的跨太平洋的ENSO循环、改变北大西洋暖流、改变西风带的波动……进而使得我们所处的地方的天气发生变化。上面所提到的这些通道，如果更简单、更直观地理解的话，也可以理解成地球上太阳能的“二次分配”。有“二次分配”就有“一次分配”，“一次分配”其实就是当太阳辐射照到地球时，它的热量分布就是不均的，赤道最热，越往两极太阳能就越少，“一次分配”加上“二次分配”就决定了你所生活的地区的气候状况和天气状况。03视野决定心态心态决定行为以上所讲的也只是整个地球操作系统的一小部分，在探索的过程中，我和我的团队也学到了很多。比如在学习的过程中，我们深刻地感受到视野决定了我们的心态，而心态会改变我们的行为。我们活在此地，但如果同时又能够知道我在世界上的位置、我和世界的关系，就好像我活在当下，但同时也会思考我的此刻和我漫长的人生的关系，那我的个人选择、个人行为其实就会完全不一样。还有一点，地球真的是一个整体，并不是简单地拼凑在一起，不是几大洲、几大洋、几个生态圈或者是水圈的简单拼凑，就好像我们人体并不是细胞简单拼凑起来，量是一方面，最重要的是结构，生命能够形成如此复杂的结构，从结果来看，就仿佛一个奇迹，地球也是一样，地球在宇宙中能够诞生生命，这本身也是一个奇迹，它的背后需要一大堆前置条件相互发生作用。我们人类其实已经有一定的能力去改变地球的样貌，但这也意味着我们很可能会破坏这些基础条件，臭氧层空洞就是一个例子，所以我们要研究地球、了解地球，说严重了，也是避免人类一不小心会自取灭亡。