地球/1b. 地球系統科學：蓋亞還是美狄亞？
“想象一下，一個水窪在一個早晨醒來，想著，‘我發現自己身處一個有趣的世界——一個有趣的洞——它非常適合我，不是嗎？事實上，它非常完美地適合我，一定是為我而造的！’這是一個如此強大的想法，以至於當太陽昇起，空氣變熱，水窪逐漸變小，它瘋狂地堅持認為一切都會好起來的，因為這個世界是為它而存在的，是為它而建造的；所以，當它消失的那一刻，讓它措手不及。我認為，我們需要注意這一點。”
1968 年 12 月，宇航員 威廉·安德斯在 阿波羅 8 號 上拍攝了一張地球從月球地平線上升起的照片。它捕捉到了地球從太空看是多麼的小，而這張照片突然對人類產生了奇特的影響。從地球向外看，我們共同生活的星球是一個相當渺小、微不足道的地方，但從月球表面向上看，地球又回到了我們面前，我們意識到，我們的星球在宇宙中只是一個很小的星球。
地球系統科學誕生於這段歷史時期，即 20 世紀 60 年代，當時對月球和其他行星的探索，讓我們能夠將鏡頭轉向地球，從遠處研究它。地球系統科學是對地球組成部分及其相互作用方式的科學研究——固態岩石、液態海洋、不斷增長的生命形式和氣態大氣——它們如何運作、相互作用和演變，以及這些相互作用如何在長時期內發生變化。地球系統科學的目標是發展預測這些變化將如何以及何時發生的能力，無論是來自自然發生的事件，還是來自人類活動。用道格拉斯·亞當斯上面引用的醒目的水窪比喻，我們不想在小水窪開始乾涸時感到意外！
一個系統是一組事物協同工作，作為機制或相互連線的網路的一部分，而地球系統科學則關注這些機制如何協同運作。對這些全球問題感興趣的科學家將他們的研究簡化為全球盒子模型。全球盒子模型是類比，可用於幫助視覺化物質和能量如何在整個行星上從一個地方或狀態移動和變化到另一個地方。
例如，全球水文迴圈可以透過一個簡單的盒子模型來闡述，模型中有三個盒子，分別代表海洋、大氣以及湖泊和河流。水從海洋蒸發到大氣中，在那裡形成雲。大氣中的雲降雨或降雪在海洋和陸地表面，填充河流和湖泊（以及其他淡水資源），最終流入海洋。每個盒子之間的箭頭表示水在這幾類之間移動的方向。通量是物質從一個盒子移動到另一個盒子的速率，這會根據能量的多少而變化。通量是一個速率，這意味著它是以單位時間計算的，在水的情況下，這可以透過每年降雨或降雪的水量來確定。
有三種類型的系統可以建模。孤立系統，其中能量和物質不能從外部進入模型。封閉系統，其中能量可以進入模型，但物質不能進入，以及開放系統，其中能量和物質都可以從其他地方進入模型。
全球地球系統被認為是封閉系統，因為從外太空進入地球的物質量僅佔地球總物質量的一小部分。相比之下，來自外太空的能量量，以陽光的形式，是巨大的。地球在很大程度上對進入系統的能量是開放的，對物質是封閉的。（當然，當來自外太空的隕石撞擊地球時，這種情況會有罕見的例外。）
在我們的全球水文迴圈中，如果我們的盒子模型是孤立的，不允許任何能量和物質進入系統，那麼蒸發過程就不會有能量輸入，海洋和大氣之間的通量率將下降為零。在沒有能量和物質交換的孤立系統中，隨著時間的推移，它們會減速並最終停止執行，即使它們有內部能量源。當我們討論能量時，我們將探討為什麼會發生這種情況。如果盒子模型是開放的，例如，如果覆蓋著冰的彗星經常從外太空撞擊地球，那麼模型中水的總量將淨增加，或者如果水能夠從大氣中逃逸到外太空，那麼模型中水的總量將隨著時間的推移而淨減少。因此，確定模型是否真正封閉或對物質和能量都是開放的非常重要。
在盒子模型中，我們還想探索所有可能的水儲存地點，例如，陸地上的水可能會滲入地下形成地下水，並進入地球表面的空間，因此我們可能會新增一個額外的盒子來代表地下水及其與地表水的相互作用。我們可能想區分被鎖在冰雪中的水，為此，我們可能會新增另一個盒子來代表凍結的水資源。您可以開始看到，隨著我們考慮地球上所有可能存在的相互作用型別和來源，一個簡單的模型隨著時間的推移會變得更加複雜。
儲層是一個術語，用於描述一個盒子，該盒子代表了相對於其他盒子來說非常豐富的物質或能量。例如，世界海洋是水儲層，因為世界上大部分水都存在於世界海洋中。儲層是相對的，並且會隨著能量或物質在來源中的數量相對於其他來源減少而發生變化。例如，如果來自太陽的太陽能增加，海洋沸騰並乾涸，那麼大氣將成為地球的主要水儲層，因為鎖在大氣中的水量將超過海洋中的水量。在盒子模型中，儲層稱為匯，當進入儲層的物質多於離開儲層的物質時，而儲層稱為源，當離開盒子的物質多於進入盒子的物質時。當儲層是匯時，它們的大小在增加，而當儲層是源時，它們的大小在減少。
封存是指源變得孤立，盒子之間的通量是一個非常緩慢的交換速率。地下水代表著一個與海洋和大氣隔絕的水源，可以被認為是封存的一個例子。被封存的物質和能量具有非常長的停留時間，即能量和物質在這些盒子中停留的時間長度。
停留時間可能非常短，例如，當海水蒸發時，幾小時後就又以雨的形式落回海洋；也可能非常長，例如，當水被鎖在冰蓋中時，幾千年，甚至在地下數百萬年。被封存的物質被鎖定了數百萬年，因此被從系統中取出。
隔離的一個例子是鹽（NaCl）或氯化鈉的地球系統箱體模型。岩石在雨水中風化，導致鈉和氯溶解，並溶解在水中被輸送到海洋。海洋是鹽的儲庫，因為鹽會隨著陸地持續風化的過程而隨著時間的推移而積累。埃德蒙·哈雷（他預測了彗星的迴歸，後來以他的名字命名）在 1715 年提出，海洋中鹽的含量與地球的年齡有關，他認為隨著時間的推移，世界海洋中的鹽含量一直在增加，未來將變得越來越鹹。然而，當科學家確定世界海洋在歷史上保持著相似的鹽含量時，這種觀點被證明是錯誤的。必須有一種機制從海水中去除鹽。海洋透過淺海和內陸水域的蒸發失去鹽。這些地區水蒸發後留下的鹽被埋在沉積物下，並被隔離在地下。從風化作用中進入海洋的鹽通量與透過蒸發鹽埋藏過程離開海洋的通量相似。這種埋藏的鹽將在地下儲存數百萬年。鹽迴圈處於平衡狀態，因為海洋保持著相當穩定的鹽度。蒸發鹽的隔離是去除海洋鹽分的重要機制。科學家開始想知道地球是否表現出類似的機制，透過反饋過程來維持平衡。
平衡是一種狀態，其中相反的反饋是平衡的，條件保持穩定。為了說明這一點，想象一個教室，它配備了恆溫器來控制氣候。當房間的溫度高於華氏 75 度時，空調就會開啟，當房間的溫度低於華氏 65 度時，加熱器就會開啟。教室內的溫度大部分時間將處於華氏 65 度和 75 度之間的平衡狀態，因為加熱器和空調是相反的力量，使房間保持舒適的溫度範圍。現在想象一下，房間裡擠滿了學生，當房間達到華氏 75 度時，這會提高房間的溫度，空調就會開啟，使房間降溫。空調是負反饋。負反饋是指有一種相反的力量減少系統中的波動。在本例中，房間裡學生產生的熱量的增加，被空調系統開啟降溫所抵消。
想象一下，一個同學玩了一個惡作劇，切換了恆溫器。當房間的溫度高於華氏 75 度時，加熱器就會開啟，當房間的溫度低於華氏 65 度時，空調就會開啟。在這種情況下，當學生進入教室，溫度慢慢達到華氏 75 度時，加熱器就會開啟！加熱器是與進入房間的學生產生的熱量相同方向的正向力。正反饋是指兩種力量在相同方向上結合在一起，導致系統隨著時間的推移而變得不穩定。教室會越來越熱，即使學生離開房間，教室也會保持高溫，因為沒有相反的力量開啟空調。它很可能永遠不會降到華氏 65 度，因為加熱器一直開著。正反饋有時被稱為惡性迴圈。我們示例中的臨界點是華氏 75 度，當正反饋（加熱器）開啟時，導致系統不穩定，並導致非常糟糕的熱教室體驗。如果系統中存在正反饋，則應避免臨界點。
蓋亞還是美狄亞？
[edit | edit source]地球系統科學中最重要的話題之一是，地球是否主要表現出負反饋還是正反饋，以及我們今天在地球上發現的這些條件受到多好的調節。這兩個假設以希臘神話中的兩個人物命名，蓋亞，地球女神，和美狄亞，傑森的愛人，她謀殺了自己的孩子。蓋亞假說認為，全球地球系統透過各種抵消行星失穩的負反饋，維持著平衡或長期穩定。美狄亞假說認為，全球地球系統不維持穩定的平衡，導致頻繁的災難性事件。從地質學的角度來看，蓋亞假說預測均變論，即過去的地質過程隨著時間的推移基本上一直保持連續和一致，而美狄亞假說預測災變論，即過去的大多數地質過程是突然的、短暫的和劇烈事件的結果。
樂觀主義的蓋亞假說和悲觀的Medea假說之間的這種二分法是一種簡化。實際上，真正的地球系統可能同時表現出負反饋和正反饋，它們以複雜的方式相互作用。
想象一個教室，現在配備了兩個恆溫器，一個正常的負反饋，當房間溫度高於 75 度時，就會開啟空調，以及一個故障的正反饋，當房間溫度高於 80 度時，就會開啟加熱器。假設教室的初始溫度為 70 度，並且每個進入教室的學生都會將溫度提高 1 度。當 5 名學生進入教室時，空調就會開啟。這個空調很弱，每 10 分鐘只能降低 1 度溫度。
只要進入房間的學生的速度低於每 100 分鐘 10 名學生，教室就會保持平衡溫度。例如，如果 7 名學生同時進入教室，溫度會上升 7 度，達到 77 度——當它超過 75 度時開啟空調，並在 20 分鐘內將其降低迴 75 度。另外 4 名學生可以進入教室，將溫度提高到 79 度，開啟空調，並在 40 分鐘內將溫度降低到 75 度。
然而，如果 12 名學生同時進入房間，溫度會上升到 82 度，開啟 75 度的空調和 80 度的加熱器，加熱器使房間變暖的速度（每 10 分鐘 +2 度）比空調降溫的速度快（每 10 分鐘 -1 度）。這種正反饋會導致教室溫度升高，直到它變成一個熱烤箱，因為淨溫度將每 10 分鐘增加 +1 度。臨界點是 12 名學生同時進入房間時，這引發了這種正反饋的惡性迴圈。如果進入教室的學生速度保持較低，房間溫度將保持穩定，並且似乎受蓋亞假說支配。然而，如果進入教室的學生速度很快，溫度可能會變得不穩定，正如美狄亞假說所支配的那樣。
在確定地球系統如何隨著時間的推移而發揮作用的機制時，我們還需要意識到本章開頭提到的“顯眼的水坑”謬論——一個認為自己完全適合所處環境的水坑。蓋亞假說將地球視為一個執行良好的系統，能夠適應變化並維持平衡狀態。這類似於顯眼的水坑相信它完全適合它所處的環境。相比之下，美狄亞假說認為，不可避免地會發生將水坑乾涸的事件，並且水坑在溫暖的陽光下並不處於平衡狀態。
誰想出了這些想法？
[edit | edit source]蓋亞假說歷史悠久，最早由詹姆斯·洛夫洛克和林恩·馬古利斯在1970年代提出。最初被稱為地球反饋假說，作家威廉·戈爾丁（《蠅王》的作者，也是洛夫洛克的近鄰朋友）提出了蓋亞這個名字。洛夫洛克是英國空氣質量和呼吸道疾病方面的專家，但他開始研究地球的硫迴圈，注意到似乎調節雲層的負反饋。在1970年代，他受邀加入了維京號火星探測任務，由美國宇航局負責評估火星大氣中是否存在生命跡象。洛夫洛克認為，如果維京號著陸器在火星大氣中發現大量氧氣，就表明那裡存在生命。但維京號著陸器發現火星大氣中96%是二氧化碳，與金星大氣相似。洛夫洛克與林恩·馬古利斯合作，他們提出一個假設，即地球上存在自然的負反饋系統，可以將大氣中氧氣和二氧化碳的含量控制在一個較低範圍內，光合作用的植物和微生物吸收二氧化碳並釋放氧氣，而動物則吸收氧氣並釋放二氧化碳。地球上的生命似乎在維持這兩個型別的氣體在大氣中保持穩定方面發揮了作用。如果沒有生命，火星和金星的大氣中二氧化碳含量將保持很高。
米狄亞假說是一個更新且更令人恐懼的想法，最早由美國古生物學家彼得·沃德在2009年出版的書籍（《米狄亞假說：地球上的生命最終會自我毀滅嗎？》）中提出。沃德最初是一名海洋生物學家，但一起潛水事故中他的潛水夥伴遇難，這促使他開始研究岩石中發現的海洋生物，而不是深海生物。沃德對歐洲沿岸的菊石化石產生了興趣，菊石在中生代恐龍時代的海域繁盛，但與恐龍一起在6600萬年前滅絕了。沃德研究了菊石和其他化石，他對地球歷史上發生的物種大滅絕事件產生了濃厚的興趣。他對發生在南非的二疊紀-三疊紀滅絕事件特別感興趣，該事件將古生代（古代生命）與中生代（中期生命）分開，這是地球歷史上的重大時期劃分。這場滅絕事件是最嚴重的事件之一，俗稱“大滅絕”，它似乎是由大氣中二氧化碳含量過高造成的失衡引起的。沃德將岩石記錄中的這些物種大滅絕事件視為地球系統失衡並導致災難性變化的證據。沃德與唐納德·布朗利假設，地球大氣層在數百萬年後將失去所有的二氧化碳，因為地球上的構造活動和火山活動會停止，導致沒有新的二氧化碳來源釋放到大氣中。二氧化碳將被封存在地下，因為光合作用的植物和微生物會死亡並被埋葬，並且不會有新的二氧化碳從火山中釋放出來。結果，大氣中二氧化碳會越來越少，最終會導致所有光合作用生物的滅絕，最終使地球毀滅。
這兩個假說的支持者都沒有認為地球系統完全受其中一個假說控制，而是認為在漫長的時間跨度內，全球範圍內負反饋和正反饋混合作用。另一種理解蓋亞假說和米狄亞假說的方法是，問全球地球系統主要是在負反饋還是正反饋下執行。當然，這門課的目的是弄清楚如何避免導致地球發生災難性變化的正反饋迴圈，同時保持地球的負反饋迴圈平衡，讓地球成為後代的宜居星球。
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