宇宙自然生命簡史：39 水槽中的漩渦是地球自轉的證據嗎？

今天我們先從風開始說起，由於太陽輻射到地球上的熱量分布不均，就造成了各處不同的氣壓。但是，空氣會在物理規律的制約下，試圖平衡各處的壓力。風就是空氣想努力保持四處平衡的一種方式。空氣總是從高壓區流向低壓區，如果你坐飛機在萬米高空打開窗戶，那麼，一切不固定的東西都會被吸向窗外，這種景象我們在電影中見的多了。

壓力越大，則產生的風速也越高，而風的破壞力與風速的平方成正比。因此，時速 300 公里的大風不是只比時速 30 公里的風強 10 倍，而是 100 倍，破壞力也要大得多得多。把數百萬噸的空氣加速到這種程度，其擁有的能量是極其驚人的。我們上期節目說過，一次典型的颶風在 24 小時中釋放的能量是 10 的 19 次方焦耳的量級，我們不妨把這個轉換成電力，或許可以讓你更加直觀地感受它的大小。一度電相當於 3.6 x 106焦耳，也就是相差了 10 的 13 次方個數量級，就是相當於 10 萬億度電，國家能源局發布的我國 2014 年全年的用電量是 5.5 萬億度。怎麼樣，這樣你有些概念了吧，理想化的說來，如果能用颱風發電，那麼發一天夠二年用的。

大氣有尋求壓力平衡的內在動力，這一點是哈雷第一個認識到的（你發現沒有，哈雷同學在我這個系列節目中上鏡率實在是高），然後由他的英國同胞哈德利（Briton George Hadley）在 18 世紀加以詳細闡述。他發現上升和下降的空氣柱會共同形成「氣旋」（也被稱作「哈德利氣旋」）。哈德利是一名律師，但他對天氣保持著濃厚的興趣，這符合英國紳士的典型形象，天天拿把傘。他認為氣旋產生的根本原因是地球自轉，最明顯的現象就是海洋貿易風。不過，最後完成理論計算的是法國工程師科里奧利（Gaspard-Gustave de Coriolis），所以今天我們把它稱之為科里奧利效應。這個效應有很多別名，也叫做科里奧利力，這個叫法結尾連續兩個力，很變扭，所以，也簡化成科氏力，還有個叫法是地轉偏向力。

但是，凡是叫「力」的其實都不正確，因為科氏力並不是物體真正受力，而是一種假想出來的力。這個怎麼理解？我覺得在這裡我岔開一點話題，把科氏力講的深入一點會對於你將來在科技館吹牛皮有點幫助。很多科技館都能看到一個證明地球在自轉的裝置，就是大名鼎鼎的「傅科擺」，擺錘運動會隨著時間的推移，慢慢改變擺動的朝向。但這個擺錘必須要非常巨大，怎麼也得 10 幾米高吧，當年傅科在教堂中做的那個有 67 米高，如果你看到一個小號的傅科擺，那背後肯定是作弊了的，太小是演示不出科里奧利效應的。我記得有一次在某個場合聽一位科技館的講解員講解傅科擺，她說根據牛頓第一運動定律，物體的運動方向要改變必須受力，所以，我們看到傅科擺的運動方向改變了，必然是受到了某種外力的作用，那這就是地轉偏向力，也叫科氏力。這個解釋有兩個問題，第一個是，我們看到物體運動方向改變不一定是被觀測的物體受力，也可以是我們自己受力，相對於被觀測物體改變了運動方嚮導致的；第二個是，這種解釋沒有說明為什麼傅科擺證明了地球自轉，而傅科擺設計的初衷是為了證明地球自轉的。要把傅科擺的原理解釋清楚，我們必須站到上帝視角來看，我們要把自己放到太空中看一個旋轉的地球，現在，我們要以太空中某一個固定的點作為參照物，然後，想像地球上有一個朝著那個固定的點做來回擺動的擺錘，因為慣性定律，擺動的朝向在不受到外力的情況下，是始終朝著那個固定的點的。而地球上的我們，是隨著地球轉動的，所以，在我們的眼中來看，那擺動就是在變換方向了。所以啊，要想明白傅科擺，關鍵要把自己放到太空中看地球。傅科擺的關鍵是擺線的頂端必須要有一個萬向節，確保地球的轉動不會牽扯到擺動的方向。而且，與那位講解員解釋的剛好相反，恰恰是因為傅科擺沒有受到外力，這才產生了科里奧利效應，從上帝視角來看，改變運動方向的是我們，而不是擺錘。但是為了便於計算，我們是可以假想出一個力，強行讓我們自己不動的。

基於同樣的原理，在北半球，從大尺度上來看，風向就會向偏轉，而南半球剛好相反，風向會向左偏轉，它主導了地球的高壓區和低壓區的空氣流向，北半球高壓區以順時針方向旋轉、低壓區（以及熱帶氣旋）逆時針旋轉；南半球則是反方向，高壓區逆時針旋轉，低壓區則是順時針。但是我必須要提醒大家注意，科里奧利效應是非常微弱的，有時候我們會聽到解釋說為什麼水槽中的水會順時針旋轉的漏下去，那是因為科里奧利效應，以前我也對此深信不疑的。這話你說他錯吧，也不能算完全錯，水當然也會受到科氏力，如果在一個完全理想的狀態下，那是對的。但你說對吧，其實影響水槽下水自旋方向的最大因素還是下水管子中的螺紋，其影響程度可能是科氏力的幾千倍，所以，南北半球的下水漩渦朝哪個方向都是有可能的。

無論是從人的心理上還是從實際應用的角度來說，氣象學對我們每一個人都很重要。但居然在 19 世紀之前，氣象學都沒有被當作是一門正經的科學。這其中有一部分原因是因為氣象學的成功離不開對溫度的精確測量，但是長期以來，製造溫度計的困難要比你想像的大得多。精確的讀數依賴於玻璃管的內徑必須非常均勻，但要做到這點絕非易事。第一個解決此問題的人是一位定居在荷蘭的德國人儀錶製造專家，叫華倫海特（Daniel Gabriel Fahrenheit），他在 1714 年成功地製造出了一支精確的溫度計。他把冰點設為 32 度，而沸點設定為 212 度，這就是美國至今還在廣泛使用的華氏溫標。你可能會覺得很奇怪，為什麼是這麼一個奇怪的數值，有一種說法是，因為華倫海特覺得這樣設計的好處就是可以在水結冰到沸騰之間劃分 180 個等份，然後又可以讓人體的體溫儘可能接近 100 華氏度，實際上是 96 華氏度，我個人覺得這個解釋好牽強。顯然，這種奇怪的數值設定肯定會讓很多人無所適從。到了 1742 年，瑞典天文學家攝爾西烏斯（Anders Celsius）提出了另一種與之競爭的溫標。他一開始把沸點設為 0 度，冰點設為 100 度，但很快就把它們顛倒了過來。這又一次證明發明家們往往都不能把事情一次做到位的。不過，攝氏度的溫標設計顯然更符合人的認知習慣，明顯好用，所以，今天，世界上的絕大多數國家都採用攝氏溫標，連英國在 1970 年以後都棄用華氏溫標了。

最常被認為是現代氣象學之父的人，是一位英國藥劑師，叫霍華德（Luke Howard），他成名於 19 世紀初。霍華德最主要的貢獻是在 1803 年把雲分類並制定命名法。這種方法直接借鑒了林奈的植物分類命名原理，霍華德本人也是林奈學會中一名受人尊敬的活躍分子。但奇怪的是他卻在另外一個叫阿斯克斯的不太知名的學會中公布了他的成果。

霍華德把雲分成三種類型：層次分明的層雲（stratus）；絨毛般的積雲（cumulus）；高空中的羽毛狀的捲雲（cirrus）。捲雲往往預示著冷空氣的到來。後來他又增加了第四種：會下雨的雨雲（nimbus）。霍華德這套體系的妙處在於，這些基本的元素可以自由組合，從而描述天空中飄過的每一種不同形狀和大小的雲。比如，層積雲（stratocumulus），卷層雲（cirrostratus），積雨雲（cumulonimbus）等等。這種方法很快流行起來，而且不單是在英國。連歌德都很欣賞這套方法，還寫了四首詩獻給霍華德。

雲就天上的水，這些水的命運取決於降在什麼地方，如果落在肥沃的土地上，要麼被植物吸收掉，要麼在幾小時或幾天之內蒸發掉。要是剛好以某種方式進入到地下水中，那麼就有可能幾年也見不到陽光了。如果進入更深的地下，幾千年不見天日也說不準。平均來說，湖裡的水分子大約可以住上個十年左右，而在海里的話，這個時間據說可以超過 100 年。實際上，雨水中的水分子大約有 60% 會在一兩天之內返回大氣中。水一旦被蒸發後，它們在天上呆個 10 天左右就又再次以雨的形式降下來。

蒸發實際上是一個很快的過程，像地中海這麼大一片海洋，如果沒有持續補充，1000 年就會蒸發殆盡了。這樣的事件在稍稍不到 600 萬年前就發生過，引發了被科學界稱為「墨西拿鹽度危機」的事件（MessinianSalinity Crisis）。在 600 萬年前，地質學家們把這個時期稱為墨西拿期，由於大陸板塊的移動阻塞了直布羅陀海峽。於是，沒有了水源的補充，地中海的水不斷地蒸發，逐漸乾涸，被蒸發的水以淡水雨的形式降到了別的海中，稍稍降低了那些海水的鹽度，這就使得那些地區結冰的區域逐步擴大，而擴大的冰區又會將越來越多的太陽熱量反射回去，直到把地球整個推入到冰河世紀。這次事件說明，地球運動的一點點小變化都可能產生超乎我們想像的大影響。

地表上的各種自然表現的真正力量之源是海洋。實際上，氣象學家們越來越把海洋和大氣看作是一個單一的整體系統來對待。海水保存和傳遞熱量的能力之強超出我們的想像。每天，墨西哥灣暖流給歐洲帶去的熱量相當於全世界 10 年產出的煤包含的熱量之和。這就解釋了為什麼比起加拿大和俄羅斯，不列顛群島和愛爾蘭的冬天要溫暖得多。但是水熱得慢，所以夏天最熱的時候，我們會去湖裡或游泳池中找涼快。所以我們人體能感覺到的季節變化總是落後於天文學意義上的季節變化。在北半球，三月就是天文學意義上的春季了，但是三月我們可能還穿著棉襖呢，上海的平均氣溫一般在 10 度以下，我國大多數地方最早也要到四月才能感受到春意。

海洋中的海水並不是均勻一致的。它們在溫度、鹽度、深度、密度等方面都有差異，這些又極大地影響著它們傳遞熱量的方式，進而又對氣候施加影響。例如，大西洋的鹽度比太平洋高，這是一件好事情。鹽度越高的海水密度越大，密度大的海水就會下沉。若不是大西洋含有更多的鹽分，大西洋洋流就會一直推進到北極地區，那麼，北極暖和了，歐洲的宜人溫暖也就沒了。地球上熱量的主要傳遞方式被稱為溫鹽環流（thermohaline circulation），也叫深海洋流。這種運動非常緩慢，是一種極深的海底洋流。它是由那位科學家兼冒險家的倫福德伯爵在 1797 年首次觀測到的。他發現海洋表面的海水到了歐洲附近後，密度會增大，然後下沉到極深的海底，以非常緩慢的速度再返回到南半球。這些海水到達南極後，融入到南極的繞極洋流中，最終被帶入進太平洋中。這個過程極其緩慢，海水從北大西洋運動到中太平洋，大約要花去 1500 年，但是傳遞的熱量以及對氣候的影響是非常巨大的。

你可能想知道，科學家是怎麼知道一滴海水從這個大洋流到另一個大洋花了多少時間的。是這樣，科學家可以測定海水中某種化合物的含量，然後可以進一步計算出它們是多久之前從空氣中進入海水的。通過比較不同地點不同深度的數據，科學家就能合理地繪製出海水的運動路線圖。

溫鹽環流不僅僅傳遞著熱量，而且隨著洋流的升降，還攪動著海洋中的營養物質，這使得海洋中更多的區域成為適合魚類和其他海洋生物生存的地區。但不幸的是，這種對流很敏感，極易被打破。根據計算機的模擬，哪怕是海水鹽度的微小稀釋，比如格陵蘭冰川的加速融化，也可能災難性地擾亂這種循環。

海洋還幫了我們另外一個大忙。它們吸收了巨量的碳，並提供了一種很安全的固化方式。過去，人們覺得有一件事情很奇怪，太陽的亮度比它幼年時期已經提高了約 25%，這本該讓地球變得熱得多才對。但事實上，正如英國地質學家穆寧指出，「這種巨大的變化本該給地球帶來絕對是災難性的影響，但很明顯，我們的世界似乎什麼也沒發生。」

那麼，到底是什麼保持了地球的穩定和宜人的溫度？答案是——生命。數以萬億計的海洋微生物捕獲了二氧化碳，隨著雨水降落到了海水中。海洋微生物絕大多數我們連名字也沒聽到過，比如孔蟲、球石、鈣質澡等等，這些小東西利用碳製造了自己小小的殼。正是這些殼固化了二氧化碳，避免了二次排放到大氣中形成有害的溫室氣體。

最終，這些孔蟲、球石等等海洋生物死去並沉入海底，被壓成石灰岩。要是你去到英格蘭的多佛爾（Dover），看一下那裡的白色峭壁，那可幾乎全部都是由微小的海洋微生物的屍體形成的，大自然的鬼斧神工會讓你震撼。但當你意識到這裡累積了多少的碳時，你會真正感到不可思議。一塊磚頭大小的多佛爾白堊岩包含的碳，相當於 1000 多升二氧化碳包含的碳，這些二氧化碳要是留在大氣中，可不是什麼好事情。總的說來，固化在地球岩石中的碳是大氣中的 8 萬倍。最終，石灰岩又會成為火山的噴發物，於是碳又回到大氣中，然後又隨著降雨落到地上。整個這樣一個過程被稱為「長期碳循環」。所花的時間確實是夠長的，對一個碳原子來說，大約要花上個 50 萬年。但這個過程卻對保持地球氣候的穩定至關重要，除非被什麼其他外來因素所打亂。

遺憾的是，人類正在充當這個因素。我們不顧孔蟲們是不是準備好了，放肆地向大氣中排放著額外的碳。據估計，自 1850 年以來，我們已向大氣中排放了 4000 - 4500 億噸額外的碳，並且還在以每年 80 - 90 億噸的速度增加。雖然，從絕對數量上來看，其實並不算太多。因為自然界每年向大氣中排放的二氧化碳就有 1500 億噸，主要是以火山和植物腐爛的方式，這是人類所有汽車和工廠排放量的 20 -25 倍。但是，我們的生態系統是敏感脆弱的。你只要看一眼城市上空中的霧霾，或許就能明白我們正在幹什麼？

我們從古老的冰樣中得知，大氣中二氧化碳的「原始」濃度，也就是在人類的工業活動之前的濃度，大約是每百萬個空氣單位中有 280 個單位值。到了 1958 年，也就是實驗室中的人員開始注意到這個問題時，這個數字已經上升到了315。而到了 2018 年1 月，則超過了 408，每年的增長率約為 0.44%。估計到本世紀末，這個數字會增長到 582。地球的氣候正在受到影響已經是一個不爭的事實，會不會產生那種可怕的不可遏止的惡性循環，我們現在真的不知道。

到目前為止，是地球上的海洋和森林阻止了我們自己毀滅自己，森林也固化了大量的碳。但是，正如英國氣象局的考克斯所指出的那樣，「大自然的生態圈對我們的碳排放起到的緩衝作用是有一個臨界點，一旦突破，反而會加速惡化。」他的擔心是全球變暖如果過快，大批的植物會因為不適應而死去，釋放出它們儲存的碳，從而使問題更嚴重。這種惡性循環在過去沒有人類參與的時候就曾發生過。好消息是，我們的大自然依然健在。幾乎可以肯定的是，等人類全部消失後，最終大自然有本事自我重建碳循環，重新回到健康的穩定狀態。上一次這樣的重建過程，僅僅只用了 6 萬年。

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