生物圈能阻止全球變暖嗎？

生物圈能阻止全球變暖嗎？

如果不是森林召喚來了雲朵，世界升溫的速度會更快。難道說，蓋亞實際上並不是那麼軟弱無力？圖片來源：deviantart.net

（文/Stephen Battersby）早晨覺得冷，就把暖氣調大些，或是加件衣服；中午暖和了，就把窗戶打開降降溫。這樣的事，你可能想也沒想，今天就做了好幾次。我們對於控制周邊環境早已是輕車熟路。

那麼，地球作為一個整體呢？生物圈能調節出適宜的環境，防止地球變得過冷或過熱嗎？這正是20世紀60年代詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）提出的蓋亞假說的核心。氣候學家對這個理論不以為然，他們指出，地球歷史上曾經多次出現劇烈的氣候波動，其中一些甚至正是由生物引起的。

現在看來，若不是植物釋放出了一些氣味芳香的混合物，全球變暖會比現在還要嚴重。研究證實，這些化學混合物確實可以改變天氣，而日復一日年復一年地改變天氣，也就改變了氣候。儘管這種新機制還遠遠沒有強大到足以成為全球氣候變暖的救星，但是在過去，在空氣還潔凈的時候，它的作用或許要比現在強大。所以，莫非蓋亞並非束手無策？

生命在氣候系統中的重要作用毫無疑問。我們呼吸的空氣中含有豐富的氧氣，卻只有微量的二氧化碳，這便是由植物創造出來的。大量原本會流回大海的雨水被樹木吸收，又釋放到了空氣中。在亞馬孫河流域，可能大部分降雨都來自樹木自身釋放的水氣。

其他各種各樣的影響還有很多。雲層中也已經發現存在細菌，這些細菌也許可以作為凝結核，促進雲朵的形成；大海中欣欣向榮的浮游生物，會吸收太陽的熱量，使海水表面升溫。如此種種，不勝枚舉。

問題是，這些影響到底有多重要？確切地說，生命是完全聽任太陽等外界作用的擺布，還是能夠在一定程度上控制氣候？洛夫洛克的主張是，生物作用與非生命過程協同調節環境。他指出，在過去40億年里，太陽已經變得更加明亮，然而從長期上來看，地球依然保持著適合生命生存的溫度。洛夫洛克說，生物可能起著行星恆溫器的作用，還維持著海洋鹽度平衡和其他化學平衡。

直至今日，洛夫洛克仍然認為，蓋亞的存在是不證自明的。他說：「地球大氣層的化學不平衡如此嚴重，要穩定在這個狀態，必須有一個非常強大的系統隨時隨刻進行調節。」但是，即使生命確實有助於控制空氣和海洋的成分，也並不能確定它具有調節溫度的能力。

現在我們知道，地球氣候曾經出現過一些劇烈波動，其中包括數個「冰雪地球」（Snowball Earth）階段。當時，地球上的絕大多數區域都處於冰封之下，地球生命幾乎毀於一旦。這種超級大冰期可能也是由生物引發的，生物從大氣中吸收二氧化碳，由此造成地球變冷。

科學家認為，把地球從冰冷的厄運中解救出來的，是所謂的「地質恆溫器」——當地球變熱，岩石破碎就會加快，一些礦物會與二氧化碳發生反應，降低大氣二氧化碳的含量；當地球變冷，風化過程減慢，火山排放的二氧化碳便又開始在空氣中積聚。

蓋亞復出

因為這種負反饋作用，地球溫度保持在不冷不熱的適宜範圍內。然而，地質過程需要數百萬年才能發揮作用，蓋亞仍然有介入的餘地。雖然有時候會出一點災難性的失誤，但是有沒有可能在較短的時間尺度上，生物通常有助於避免氣候波動呢？一個清晰的機制會讓這種設想更有說服力。當溫度開始變得過高或過低時，生物應該以某種方式做出反應，朝反方向努力，使溫度回到令人愉快的中間值。

1987年，洛夫洛克等人提出了一個這樣的機制。他們指出，海洋中的藻類會釋放一種被稱為二甲基硫醚（dimethyl sulphide）的氣體，這種氣體能與空氣發生反應，形成硫酸蒸汽，再凝聚成小小的霧滴，也就是氣溶膠。這樣的氣溶膠能夠直接反射陽光，也能夠增白雲團間接增加陽光反射，從而為地球降溫。

要形成雲，只有冷卻的濕潤空氣是不夠的，還需要有合適的顆粒作為凝結核來吸附水汽，水滴才成形成和生長。這些顆粒的大小還必須要達到100納米以上。來源於二甲基硫醚的硫酸氣溶膠如果生長充分，恰好能夠達到這個級別。這一理論的提出者推測：溫度升高時，藻類蓬勃生長，釋放出更多的二甲基硫醚，「播種」更多的雲滴；更多的雲滴會使雲團顏色更白，反射更多陽光，從而使溫度降低——至此，負反饋循環完成。

這個設想以4位作者的姓氏首字母命名，被稱為CLAW假設。雖然這個假設為許多研究提供了靈感，但是這個過程本身，最多具有微乎其微的影響。觀測結果顯示，海洋上空高達60％以上的雲，凝結核是鹽霧，其餘大部分也是直接從海洋表層飛濺上來的固體有機化合物。美國太平洋海洋環境實驗室的帕特里夏·奎因（Patricia Quinn）和蒂莫西·貝茨（Timothy Bates）在2011年的一項年度回顧中指出，這幾乎沒給硫酸氣溶膠留下參與的空間（參見《自然》雜誌，480卷，第51頁）。

這個假想的反饋循環的另一階段也值得懷疑。奎因說：「人們乘船出海，培養藻類，觀察藻類對溫度或輻射增加的反應。」海水升溫時，藻類確實散發出了更多的二甲基硫醚，但是增幅極小，完全達不到讓天空增白的級別。

如此看來，CLAW假設似乎過於微弱，拉不動地球氣候的槓桿。或許，這項工作可以由另一種綠色植物來完成。2004年，芬蘭赫爾辛基大學的馬庫·庫馬拉（Markku Kulmala）提出了一個新的反饋循環。他和他的團隊在芬蘭南部的一片松林里，測量了一組叫做萜烯（terpene）的化學物質的濃度。許多植物都能產生萜烯，而且萜烯是揮發性的，極易進入空氣。我們在松林里聞到的那股清香，就有一部分是萜烯的味道。萜烯還是從松脂中提煉出的純松節油的主要成分。

萜烯分子和其他揮發性有機物在空氣中會被氧化，揮發性降低。然後，它們凝結到已經存在於在空氣中的微小氣溶膠顆粒上，使得顆粒增大。這就意味著，更多的氣溶膠顆粒增長到了足夠的大小。過去幾年裡，庫馬拉所在的研究團隊對芬蘭一處歐洲赤松林上空的萜烯數量和大於3納米的氣溶膠顆粒數量進行了監測。他們發現兩者之間存在著強烈的相關性，同時在夏季植物生長最旺盛的時期達到高峰。庫馬拉據此提出，如果氣候變暖，植物可能會釋放出更多的萜烯，從而製造出更多具有降溫作用的氣溶膠，這就形成了一個負反饋循環，將對氣候變暖起到反作用。

不過，這隻能算是一個相對靠譜的猜測。庫馬拉的研究既不能證明隨著溫度升高森林會釋放出更多的揮發性有機物，也沒有證明氣溶膠顆粒能夠成長到100納米以上，足以成為雲凝結核。數據來源只是一個地點，還不能作為全球性現象的證據。

與此同時，在遠離芬蘭森林的瑞士日內瓦附近，歐洲核子研究中心（CERN）粒子物理實驗室的賈斯珀·柯克比（Jasper Kirkby）和他的團隊正忙著在巨大的不鏽鋼房間里造雲，其中的一些實驗嘗試重現了雲形成的第一步，即氣體如何凝結形成萌芽狀態的氣溶膠顆粒。柯克比說：「如果有一天，你在一場暴雨之後眺望遠山，留心看的話，會發現清洗一新的大氣中，已經又出現了一層藍色薄霧。這是因為大氣中一些含量很低的氣體形成了新的氣溶膠顆粒，這些顆粒把光線散射進了我們的眼睛。」新顆粒的形成需要硫酸蒸氣，而硫酸蒸氣來自海洋中藻類產生或人類工業附帶產生的二氧化硫。

如果氣候變暖，植物可能會釋放出更多的萜烯，從而製造出更多具有降溫作用的氣溶膠，這就形成了一個負反饋循環，將對氣候變暖起到反作用。圖片來源：blogspot.com

粘在一起

人們曾經認為，硫酸蒸氣自己就能凝結。然而，柯克比在2011年發布的研究結果證明，事實並非如此。少數分子可能會粘在一起，但這種萌芽狀態的氣溶膠是不穩定的，它們幾乎總是分離開，而不是越長越大。

不過，當研究團隊把微量的氨加入到空氣中時，硫酸分子團得以穩定地生長，成功生長為氣溶膠顆粒的分子團數量，比之前增加了1000倍。然而，這隻有我們看到的大氣硫酸氣溶膠實際形成速率的千分之一。所以，一定還有別的什麼東西起了作用。

「排除了氨之後，剩下的唯一可能就是有機化合物了，」柯克比說。「我們現在已經對數種有機物進行了一系列研究測試。」那些結果還在接受評議之中，因此柯克比不打算進一步發表評論，只是說這些結果「非常有趣」，會在今年晚些時候公布。

儘管如此，根據他所在團隊發表的研究成果，我們已經可以看出，揮發性有機化合物對雲有巨大影響，除了能使已經存在的氣溶膠顆粒變大之外，它們還能幫助硫酸氣溶膠形成。

此外，英國曼徹斯特大學戈登·麥克費格斯（Gordon McFiggans）的研究團隊指出，揮發性有機化合物還能以第3種方式對雲產生影響。當雲凝結核收集水汽並逐步生長成小液滴時，揮發性有機化合物也和水一起被吸收進來，改變了液滴的化學性質，從而能夠吸引更多的水分子。2013年5月，這個研究團隊發表了一篇論文，證明這種影響可能會顯著增加液滴數量（參見《自然·地球科學》，第6卷，443頁）。每立方米的雲中含有的液滴越多，雲團就會越白越鬆軟，能把更多的太陽熱量從地球反射走。

麥克費格斯目前正在曼徹斯特展開實驗，以期得到進一步的發現。「我們有一個新的光化學實驗室，可以用於處理氣體混合物。在這裡，我們用弧光燈模擬太陽照射類似大氣成分的混合氣體，烹制出一批氣溶膠，再噴射到雲室，」他說，「然後，我們就可以看到，有機蒸氣是否能讓雲團更加稠密。」

森林釋放的揮發性有機化合物，會對局地的天氣產生調控作用。圖片來源：《新科學家》

幾個方向的證據都表明，有機化合物可能會對雲團產生重大影響，而決定性的證據來自一項涉及全球11個氣象觀測站的研究。這個研究團隊同樣出自芬蘭的赫爾辛基大學，由保利·柏森恩（Pauli Paasonen）主持，庫馬拉也參與在其中。他們採集了上述氣象站的氣溶膠樣品，計算其中足以形成雲滴的顆粒濃度，還監測了一系列揮發性有機化合物的含量水平。

2013年4月，這個團隊公布，他們發現了一個強烈的關聯模式（參見《自然·地球科學》，第6卷，438頁）。在空氣潔凈的地方，如芬蘭和東西伯利亞，雲凝結核的數量隨溫度升高而顯著上升。柏森恩推算，在這些未受污染的地區，這種冷卻效果強大到能夠抵消當地溫度上升量的1/3，可能足以保護一些林區免受嚴重氣候波動的影響。

「但是，在空氣污染較為嚴重的地區，反饋並不顯著，」柏森恩說。這也是合理的，因為這些地區早已霧霾重重，揮發性有機物雖然會使顆粒稍稍變大，但是對總體數量影響甚微。

有趣的是，由於萜烯與溫度的聯繫非常密切，人們認為萜烯是植物個體降溫機制的一部分。這看起來是個相當奇怪的巧合，個體降溫功能的集體發力可能具有讓整個地區降溫的作用。「就像我們能通過出汗讓天氣變涼爽似的，」柏森恩說，「那會大有用處！」

洛夫洛克認為，這可能是一個進化適應的過程，生物具有調節周邊氣候的能力，對提高生存幾率大有裨益。他說：「如果方法成功有效，就會擴散開去。」

上升到全球範圍，植物的製冷能力可能就沒有那麼強勁了。柏森恩估計，植物的氣候反饋作用能抵消約1％的全球變暖量。然而這個數據仍存在著較大的不確定性。我們尚不了解生物氣候反饋對於雲層的全面作用，而且，要了解全球層面上的意義，我們還需要研究更多的觀測點。實際上，這個數字可能高達5%或10%，也可能遠小於1%。

「可以肯定的是，這救不了我們，」柏森恩說。而且，他的研究結果表明，在農田和原始森林上空，這種作用的效果是相同的。因此，想要採取一種簡單的地球工程方法，通過種植某種特定植物來提高該作用的效力，也不太能行得通。然而在以前，人類污染還沒有超出反饋作用負荷的時候，它的影響要強有力得多。「這些論文的作者並沒有深入闡述久遠的史前時期，」英國埃克塞特大學的蒂姆·萊頓（Tim Lenton）說，「當陸生植物最初演變出來的時候，冷卻效果應該會非常顯著。」

同一方向上可能還有其他反饋在起作用。洛夫洛克說：「這些作用疊加起來，效果就可觀了。」例如，奎因說，在陸地上起了大作用的揮發性有機化合物，在海洋上空可能同樣有效。鹽霧依然是海洋上空雲凝結核的主要來源，但是有機蒸氣可以附著到小鹽粒上，促使它們成長到足夠大的尺寸。已經有幾支隊伍開始展開海上觀測，不過柏森恩確認陸上反饋時使用了覆蓋較長時期的觀測數據，在海上想要獲得這樣的數據，難度很大。

目前尚不清楚這些作用的綜合效果。也許正反饋的效力會壓過負反饋一頭，悄悄破壞著所謂生命為自己創造舒適環境的理念。但是，即使蓋亞比我們認識到的更有力量，我們也不能依賴她伸出的援助之手，拯救我們的，仍然只能是我們自己。

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