斯蒂芬·施奈德-->地球——我们输不起的实验室-->引子 这是一个度量标准问题
引子 这是一个度量标准问题
还记得20世纪60年代末宇航员拍摄的那些让人大开眼界的著名的地球全景照片吗？照片上白云环绕在点缀着白色冰盖和红色沙漠的蓝色地球上，螺旋形风暴格外醒目，其大小以方圆1000千米左右来度量，相当于美国新英格兰地区的规模。那是人们观察大气层的一种方式。对于一个在强气流中旅行的乘客来说，由于飞机在太空中的强烈颠簸，他会觉得大气的作用应以数百米来度量。而对于一个热气球乘客来说，他可以看到一滴滴雨滴或一片片雪花从面前飘过，因而可以断定他对大气的认识是在毫米级的微观尺度上。在某种意义上，上述观察结果都是“正确”的。这取决于你想要观察的对象以及观察的方法的不同。
比如，我们也许观察到风暴来临的天空中大片乌云从东向西飘移。难道这就意味着我们头顶上的风暴是从东向西移动？当晚电视天气新闻的卫星云图上，我们可以看到，尽管在那一时刻局部的风向确实是由东到西，但总体上风暴却是由西向东移动。我们局部观察的结果并没有错，就像我们有关宏观尺度的假说也没有错一样。为了准确把握大范围的天气情况，我们需要一张较大尺寸的气象照片。或者，诚如普林斯顿大学的数学生态学家西蒙·莱文（simon levin）曾经指出的：人们对世界的看法迥然不同源自于人们藉以观察世界的窗口大小的不同。
用一种尺度来观察事物，然后将结果延伸到另一种尺度的事物上并下结论，这是我所知的无谓至极的一些争论的根源。无论是在人与人之间的关系上，还是在神秘的科学争论中，均是如此。
围绕多种科学现象的发生，大自然体现出了其丰富的空间尺度及其相互作用。时间尺度也是丰富多样的。凭经验我们知道风在吹，水在流，但地球充满活力的部分并不限于这些。我们“固态”的地球并不是坚固的，在时间和空间上它并不是永远不变的。事实上，作为对自然引力的响应，陆地也在运动。后面我们将看到，大陆的漂移也会对气候和生命带来重大的影响。
诸如地震、滑坡或冰川等局部地球运动现象是可以在短暂人生的时间框架内进行观察的。除此之外，一些主要的、大陆规模的地球运动会长达数千年到数百万年不等，需要具备特殊工具和创新方法才能对这类运动加以观察。“固态”地球是如何与空气、水和生命发生相互作用的，这对于将地球作为一个系统来认识是重要的。
即使人类对云层的微观物理学特征有较深入的了解，但这种认识本身并不会给我们以太空的宏观尺度所观察到的地球天气行为提供太多的解释依据。因此，在讨论天气、气候、生态社会及环境变化时，我们应选取什么样的尺度？
由于我们本身的视野十分有限，我们个人的经验不足以让我们观察到整个大自然的重要现象。在这里，我们需要借助地球系统科学家这一更大集体的观察和推论，来打开了解我们周围丰富多彩的大自然的窗口。研究结果与研究方法
有一些学者认为，没有深入的研究，我们对事物的认识就将是肤浅的，在这批人当中一直弥漫着一种紧张情绪。确实，工业革命以来，学术的以及经济的成就是以专业分化为标志的。但是，越来越多的学者认为，如果缺乏对所要解决的问题的一种宏观认识，各个派生的分支学科或许不会给我们提供了解或解决实际问题所需的必要素材。面对一个问题，是仅仅强调令而深的研究手段，还是强调通过各分支学科的综合研究来予以解决，学者们长期以来对此争论不休。在我看来，这种争论是没有意义的。（对于强调跨学科综合研究者来说，综合研究意味着要给职业带来一定风险，因为问题的解决常常意味着要在学科的交叉点锐意创新，这样一来，研究者就无法在一狭窄的学科中，保证拥有足够的创造力以取得在该学科中“受人尊敬”的地位。）不管双方的争论有多么激烈，将研究结果与其研究方法（或者微观与宏观）对立起来是一种愚蠢的、错误的逻辑二分法行为。我们显然需要大量各种尺度的研究结果来避免认识上的肤浅，需要综合众多研究方法来迎接现实世界各种问题的挑战。
尽管由于篇幅的限制，我在这里无法对所有相关领域进行一次专题讨论，但我将尽可能详尽地挖掘大量与环境有关的内容，来阐述我们业已掌握的有关气候变化的知识及其生态学和社会学意义。我还会指出，在全球环境论争中哪些气候变化的结论是推测出来的。我将利用实际环境与经济平衡的研究方法来帮助选择一组有代表性的研究结果。
人类并不是最近才意识到污染会降低环境质量。数个世纪以前，末加控制的煤的燃烧导致伦敦声名狼藉的烟雾事件，那时人们就已意识到了这一点。遗憾的是，环境历史上的这一不幸正在现代中国的一些布满烟尘的城市重演。再前翻数个世纪，遭剥蚀的山坡的泥土流失给了亚洲人痛苦的教训，虽然他们意识到在进行农业生产和森林砍伐时必须辅以谨慎的保护措施。所有上述教训具有两个共同特点：一是发生的范围是局部或区域规模的；二是都在事后（当破坏已非常明显时）才被发现的。21世纪的环境问题之所以是独一无二的，是因为其影响范围真正是全球性，而不仅仅是局部性或区域性的。尤为严重的是，我们目前所面临的环境问题很有可能是持续不断、甚至是木可逆转的，因此仅仅在实践中接受教训已远远不够。当地球成为我们的实验室时，在我们进行全球规模的实验以前，需要预见实验的结果。最起码这一点应该是我们将要在本书中讨论的地球系统科学的理论基础。
我将要在这里阐述的行星规模的环境问题现在已被称为“全球变化”。这一术语是那些将地球视为一个系统来加以研究的人们提出来的，用以表示那些影响地球系统（物理、生物、社会方面）的全球规模的变化。这些物理、生物、社会的地球系统是相互关联的，而人类则对这些系统的变化起着一定的作用。既然人类绝对不可能使大陆产生漂移，为何还要将大陆漂移作为“全球变化”的一部分来研究？理由是，如果我们不了解漂移的大陆是如何影响大气圈中的气体、气候以及生物进化的，那么，我们将失去可靠地预测全球变化中所谓的“人为因素”所必须的背景知识。
在本书的讨论中，我要涉及的传统学科将包括地质学、生态学、大气科学、生物学、能源技术、化学、农学、海洋学、政治科学、经济学乃至心理学。我还要审视人类是如何影响地球系统的各个组成部分的。在本书的各章节中，将要述及大量的地球系统科学问题，包括：
·气候和生命进化到目前的状态需要多长的时间？
·地球所包含的生命和非生命这两套子系统是如何发挥作用的？
·人类是如何影响地球系统的？
·我们从自然系统的行为中获得了什么样的知识，使得我们能够预测人类活动可能对自然系统的影响？
·在环境保护和经济发展之间存在着什么样的平衡？我们如何才能使貌似存在利益冲突的这两方面取得一致？
各部分叠加的效应更糟是全球变化潜在的最严重问题之一，是动植物聚居地的分割与气候变化之间的协同作用。人们将动植物天然聚居地分割成农业用地、居住地、矿山或开发作其他用途。如果气候发生变化，各个动植物物种将被迫尽力作出调整，如同它们在过去的地质时代所做的一样。
迁徙是它们的一个典型的反应。大约1万年前末次冰川期消退时，云杉就是这么做的。但从那以后，地貌景观发生了巨大的变化，那些在末次冰川期期间通过迁徙而幸存下来的物种能够逾越21世纪的高速公路、农业区、工业园区、军事基地以及大城市的威胁吗？如何以经济上最合算或政治上最可行的方式来实施我们的生物保护计划，这需要某种科学的指导。全球变化研究就是涉及这类问题的科学。要回答这类问题，我们必须依靠各有关学科并自问：我们拥有什么样的知识？要向各位专家（不管他们是医生还是地球系统科学家）提出的最重要的两个问题是：地球会发生什么？发生的可能性又有多大？
地球系统科学家试图将来自各门学科的信息进行创造性综合，以回答各种尺度上的实际问题。
我们已经遇到了敌人
人们很少会故意制造环境问题。这种做法倾倒有毒废物以及点燃油田只是一些例外情况），然而，大多数的环境问题是全球各地无数小规模和看似微不足道的环境污染行为的总体表现。不管是偶然的还是故意的，其结果同样是有害的，如局部范围的鱼类中毒和全球范围的气候变化。对环境影响来说，动机是无所谓的。只是在处理这种影响带来的恶果时，动机才起作用。无论我们是有意还是无意，我们针对环境采取的大部分行为也是针对地球的一种实验。虽然视而不见或拒绝解决是政治上简单得多的“解决办法”，但我们每个人都有责任对我们无意识行为的潜在后果保持清醒的认识。正如斯坦福大学人口生物学家保罗·埃利希（paul ehrlich）曾经巧妙地指出的那样：“对自然规律的无知绝不是一种借口。”人类因素
全球环境恶化的原因常常被归结为越来越多的人为了谋求更高的生活水平而使用了导致土地污染或分割的技术或行为。1971年，保罗·埃利希及当时的加州大学伯克莱分校能源分析学家约翰·侯德伦（john holdren）x4此提出了如下的公式：i一pat。即：环境影响（i）是人口（p）、单位人口的财富（a）及所使用的拉术（t”）三者之乘积。
假如观察者撇开大的或全球范围的环境问题而只关注局部的环境问题时，上述三个因素的作用可能不容易观察到。观察范围的不同，可以识别出的影响因素也不同。从局部来看，可以认为贪官污吏或工业污染是当地环境问题的主要根源。从大局来看，日益增加的土地或能源利用以及人口的增长或许会成为主要因素。
我曾经说过，要使我们的分析有用，我们就不能忽略全球变化中人类活动的因素。某些国家的经济状况要优于其他一些国家。在发展中国家中，追求更多的经济利益是其经济计划的一个驱动力。而一旦那些计划被认为将对全球环境构成威胁时，发达国家与发展中国家之间的关系也就随之出现紧张。就局部而言，对引发污染的燃料实行征税是鼓励环境保护、开发或使用洁净替代燃料的一种积极措施。但征税会引起能源价格的上升，后者对穷人的影响远较富人为大。面临经济困难的人们通常优先考虑经济增长，而不是环境保护。我们的新闻媒体上已经出现了这类环境与发展、利益与效率相平衡问题的报道，这类问题在未来的几十年内将引发更大的争论。另一个被称为“代际平衡”的问题也面临同样情况：我们今天对经济增长的渴望，以及明天想让后代过更富裕的生活的愿望，将使我们自食其果，并给后代遗留下一大堆环境问题，而他们却是无法参与今天的决策的。
今天世界的人口大约在55亿到60亿之间，其中10亿人生活在营养缺乏的边缘，每年有数百万人死于与营养不良有关的、原本可以避免的一些疾病。这些人要求提高生活水准，我们也理应帮助他们提高生活水准，但如果由此采取的措施没有考虑到对地球的影响，那么这些措施就不能说是合理的，甚至连这些论争的理论依据也是值得讨论的。社会学家罗宾·坎特（robin cantor）和史蒂夫·雷纳（sieve rayner）曾注意到，如同其他人类价值观的冲突一样，“环境论争可以理解为人们各自援引木同的有关大自然行为的迷误来支持不同的政治和道德信仰的结果”。因此，要全面阐明环境与发展这～两难矛盾的价值观问题，必须在自然科学和社会科学中揉进人文研究的成果。随着我们不断增加对控制地球环境的各个系统的了解，系统之间错综复杂的相互关系以及上述问题的解决办法将会明朗化。
在本书中，我会讨论局部环境问题及其对全球环境的影响，也会讨论全球环境问题，后者事实上也影响着局部环境。在我们称为地球的这个系统中，所有事物都是相互联系的，因此，研究环境是非常迷人的。而且，虽然各个变量之间的关系可能捉摸不定，但其总体效果却显而易见。显然，我们尚不知道所有答案，甚至连所有的重要问题都还没有弄清！要对全球变化的科学和管理问题进行充分评价，尚需要一些跨学科研究队伍数十年的努力。但我们已经取得了相当多的认识，而且可以做很多事来降低风险。具有科学知识和政治变革的决心的公众，能够应付我们面临的许多困难。我撰写本书正是基于这样一种愿望。
在我们展望气候和生命都充满阴影的未来之前，有必要回溯一下我们的生物地理学上的起源：年轻的地球开始孕育生命的久远的太古代。
还记得20世纪60年代末宇航员拍摄的那些让人大开眼界的著名的地球全景照片吗？照片上白云环绕在点缀着白色冰盖和红色沙漠的蓝色地球上，螺旋形风暴格外醒目，其大小以方圆1000千米左右来度量，相当于美国新英格兰地区的规模。那是人们观察大气层的一种方式。对于一个在强气流中旅行的乘客来说，由于飞机在太空中的强烈颠簸，他会觉得大气的作用应以数百米来度量。而对于一个热气球乘客来说，他可以看到一滴滴雨滴或一片片雪花从面前飘过，因而可以断定他对大气的认识是在毫米级的微观尺度上。在某种意义上，上述观察结果都是“正确”的。这取决于你想要观察的对象以及观察的方法的不同。
比如，我们也许观察到风暴来临的天空中大片乌云从东向西飘移。难道这就意味着我们头顶上的风暴是从东向西移动？当晚电视天气新闻的卫星云图上，我们可以看到，尽管在那一时刻局部的风向确实是由东到西，但总体上风暴却是由西向东移动。我们局部观察的结果并没有错，就像我们有关宏观尺度的假说也没有错一样。为了准确把握大范围的天气情况，我们需要一张较大尺寸的气象照片。或者，诚如普林斯顿大学的数学生态学家西蒙·莱文（simon levin）曾经指出的：人们对世界的看法迥然不同源自于人们藉以观察世界的窗口大小的不同。
用一种尺度来观察事物，然后将结果延伸到另一种尺度的事物上并下结论，这是我所知的无谓至极的一些争论的根源。无论是在人与人之间的关系上，还是在神秘的科学争论中，均是如此。
围绕多种科学现象的发生，大自然体现出了其丰富的空间尺度及其相互作用。时间尺度也是丰富多样的。凭经验我们知道风在吹，水在流，但地球充满活力的部分并不限于这些。我们“固态”的地球并不是坚固的，在时间和空间上它并不是永远不变的。事实上，作为对自然引力的响应，陆地也在运动。后面我们将看到，大陆的漂移也会对气候和生命带来重大的影响。
诸如地震、滑坡或冰川等局部地球运动现象是可以在短暂人生的时间框架内进行观察的。除此之外，一些主要的、大陆规模的地球运动会长达数千年到数百万年不等，需要具备特殊工具和创新方法才能对这类运动加以观察。“固态”地球是如何与空气、水和生命发生相互作用的，这对于将地球作为一个系统来认识是重要的。
即使人类对云层的微观物理学特征有较深入的了解，但这种认识本身并不会给我们以太空的宏观尺度所观察到的地球天气行为提供太多的解释依据。因此，在讨论天气、气候、生态社会及环境变化时，我们应选取什么样的尺度？
由于我们本身的视野十分有限，我们个人的经验不足以让我们观察到整个大自然的重要现象。在这里，我们需要借助地球系统科学家这一更大集体的观察和推论，来打开了解我们周围丰富多彩的大自然的窗口。研究结果与研究方法
有一些学者认为，没有深入的研究，我们对事物的认识就将是肤浅的，在这批人当中一直弥漫着一种紧张情绪。确实，工业革命以来，学术的以及经济的成就是以专业分化为标志的。但是，越来越多的学者认为，如果缺乏对所要解决的问题的一种宏观认识，各个派生的分支学科或许不会给我们提供了解或解决实际问题所需的必要素材。面对一个问题，是仅仅强调令而深的研究手段，还是强调通过各分支学科的综合研究来予以解决，学者们长期以来对此争论不休。在我看来，这种争论是没有意义的。（对于强调跨学科综合研究者来说，综合研究意味着要给职业带来一定风险，因为问题的解决常常意味着要在学科的交叉点锐意创新，这样一来，研究者就无法在一狭窄的学科中，保证拥有足够的创造力以取得在该学科中“受人尊敬”的地位。）不管双方的争论有多么激烈，将研究结果与其研究方法（或者微观与宏观）对立起来是一种愚蠢的、错误的逻辑二分法行为。我们显然需要大量各种尺度的研究结果来避免认识上的肤浅，需要综合众多研究方法来迎接现实世界各种问题的挑战。
尽管由于篇幅的限制，我在这里无法对所有相关领域进行一次专题讨论，但我将尽可能详尽地挖掘大量与环境有关的内容，来阐述我们业已掌握的有关气候变化的知识及其生态学和社会学意义。我还会指出，在全球环境论争中哪些气候变化的结论是推测出来的。我将利用实际环境与经济平衡的研究方法来帮助选择一组有代表性的研究结果。
人类并不是最近才意识到污染会降低环境质量。数个世纪以前，末加控制的煤的燃烧导致伦敦声名狼藉的烟雾事件，那时人们就已意识到了这一点。遗憾的是，环境历史上的这一不幸正在现代中国的一些布满烟尘的城市重演。再前翻数个世纪，遭剥蚀的山坡的泥土流失给了亚洲人痛苦的教训，虽然他们意识到在进行农业生产和森林砍伐时必须辅以谨慎的保护措施。所有上述教训具有两个共同特点：一是发生的范围是局部或区域规模的；二是都在事后（当破坏已非常明显时）才被发现的。21世纪的环境问题之所以是独一无二的，是因为其影响范围真正是全球性，而不仅仅是局部性或区域性的。尤为严重的是，我们目前所面临的环境问题很有可能是持续不断、甚至是木可逆转的，因此仅仅在实践中接受教训已远远不够。当地球成为我们的实验室时，在我们进行全球规模的实验以前，需要预见实验的结果。最起码这一点应该是我们将要在本书中讨论的地球系统科学的理论基础。
我将要在这里阐述的行星规模的环境问题现在已被称为“全球变化”。这一术语是那些将地球视为一个系统来加以研究的人们提出来的，用以表示那些影响地球系统（物理、生物、社会方面）的全球规模的变化。这些物理、生物、社会的地球系统是相互关联的，而人类则对这些系统的变化起着一定的作用。既然人类绝对不可能使大陆产生漂移，为何还要将大陆漂移作为“全球变化”的一部分来研究？理由是，如果我们不了解漂移的大陆是如何影响大气圈中的气体、气候以及生物进化的，那么，我们将失去可靠地预测全球变化中所谓的“人为因素”所必须的背景知识。
在本书的讨论中，我要涉及的传统学科将包括地质学、生态学、大气科学、生物学、能源技术、化学、农学、海洋学、政治科学、经济学乃至心理学。我还要审视人类是如何影响地球系统的各个组成部分的。在本书的各章节中，将要述及大量的地球系统科学问题，包括：
·气候和生命进化到目前的状态需要多长的时间？
·地球所包含的生命和非生命这两套子系统是如何发挥作用的？
·人类是如何影响地球系统的？
·我们从自然系统的行为中获得了什么样的知识，使得我们能够预测人类活动可能对自然系统的影响？
·在环境保护和经济发展之间存在着什么样的平衡？我们如何才能使貌似存在利益冲突的这两方面取得一致？
各部分叠加的效应更糟是全球变化潜在的最严重问题之一，是动植物聚居地的分割与气候变化之间的协同作用。人们将动植物天然聚居地分割成农业用地、居住地、矿山或开发作其他用途。如果气候发生变化，各个动植物物种将被迫尽力作出调整，如同它们在过去的地质时代所做的一样。
迁徙是它们的一个典型的反应。大约1万年前末次冰川期消退时，云杉就是这么做的。但从那以后，地貌景观发生了巨大的变化，那些在末次冰川期期间通过迁徙而幸存下来的物种能够逾越21世纪的高速公路、农业区、工业园区、军事基地以及大城市的威胁吗？如何以经济上最合算或政治上最可行的方式来实施我们的生物保护计划，这需要某种科学的指导。全球变化研究就是涉及这类问题的科学。要回答这类问题，我们必须依靠各有关学科并自问：我们拥有什么样的知识？要向各位专家（不管他们是医生还是地球系统科学家）提出的最重要的两个问题是：地球会发生什么？发生的可能性又有多大？
地球系统科学家试图将来自各门学科的信息进行创造性综合，以回答各种尺度上的实际问题。
我们已经遇到了敌人
人们很少会故意制造环境问题。这种做法倾倒有毒废物以及点燃油田只是一些例外情况），然而，大多数的环境问题是全球各地无数小规模和看似微不足道的环境污染行为的总体表现。不管是偶然的还是故意的，其结果同样是有害的，如局部范围的鱼类中毒和全球范围的气候变化。对环境影响来说，动机是无所谓的。只是在处理这种影响带来的恶果时，动机才起作用。无论我们是有意还是无意，我们针对环境采取的大部分行为也是针对地球的一种实验。虽然视而不见或拒绝解决是政治上简单得多的“解决办法”，但我们每个人都有责任对我们无意识行为的潜在后果保持清醒的认识。正如斯坦福大学人口生物学家保罗·埃利希（paul ehrlich）曾经巧妙地指出的那样：“对自然规律的无知绝不是一种借口。”人类因素
全球环境恶化的原因常常被归结为越来越多的人为了谋求更高的生活水平而使用了导致土地污染或分割的技术或行为。1971年，保罗·埃利希及当时的加州大学伯克莱分校能源分析学家约翰·侯德伦（john holdren）x4此提出了如下的公式：i一pat。即：环境影响（i）是人口（p）、单位人口的财富（a）及所使用的拉术（t”）三者之乘积。
假如观察者撇开大的或全球范围的环境问题而只关注局部的环境问题时，上述三个因素的作用可能不容易观察到。观察范围的不同，可以识别出的影响因素也不同。从局部来看，可以认为贪官污吏或工业污染是当地环境问题的主要根源。从大局来看，日益增加的土地或能源利用以及人口的增长或许会成为主要因素。
我曾经说过，要使我们的分析有用，我们就不能忽略全球变化中人类活动的因素。某些国家的经济状况要优于其他一些国家。在发展中国家中，追求更多的经济利益是其经济计划的一个驱动力。而一旦那些计划被认为将对全球环境构成威胁时，发达国家与发展中国家之间的关系也就随之出现紧张。就局部而言，对引发污染的燃料实行征税是鼓励环境保护、开发或使用洁净替代燃料的一种积极措施。但征税会引起能源价格的上升，后者对穷人的影响远较富人为大。面临经济困难的人们通常优先考虑经济增长，而不是环境保护。我们的新闻媒体上已经出现了这类环境与发展、利益与效率相平衡问题的报道，这类问题在未来的几十年内将引发更大的争论。另一个被称为“代际平衡”的问题也面临同样情况：我们今天对经济增长的渴望，以及明天想让后代过更富裕的生活的愿望，将使我们自食其果，并给后代遗留下一大堆环境问题，而他们却是无法参与今天的决策的。
今天世界的人口大约在55亿到60亿之间，其中10亿人生活在营养缺乏的边缘，每年有数百万人死于与营养不良有关的、原本可以避免的一些疾病。这些人要求提高生活水准，我们也理应帮助他们提高生活水准，但如果由此采取的措施没有考虑到对地球的影响，那么这些措施就不能说是合理的，甚至连这些论争的理论依据也是值得讨论的。社会学家罗宾·坎特（robin cantor）和史蒂夫·雷纳（sieve rayner）曾注意到，如同其他人类价值观的冲突一样，“环境论争可以理解为人们各自援引木同的有关大自然行为的迷误来支持不同的政治和道德信仰的结果”。因此，要全面阐明环境与发展这～两难矛盾的价值观问题，必须在自然科学和社会科学中揉进人文研究的成果。随着我们不断增加对控制地球环境的各个系统的了解，系统之间错综复杂的相互关系以及上述问题的解决办法将会明朗化。
在本书中，我会讨论局部环境问题及其对全球环境的影响，也会讨论全球环境问题，后者事实上也影响着局部环境。在我们称为地球的这个系统中，所有事物都是相互联系的，因此，研究环境是非常迷人的。而且，虽然各个变量之间的关系可能捉摸不定，但其总体效果却显而易见。显然，我们尚不知道所有答案，甚至连所有的重要问题都还没有弄清！要对全球变化的科学和管理问题进行充分评价，尚需要一些跨学科研究队伍数十年的努力。但我们已经取得了相当多的认识，而且可以做很多事来降低风险。具有科学知识和政治变革的决心的公众，能够应付我们面临的许多困难。我撰写本书正是基于这样一种愿望。
在我们展望气候和生命都充满阴影的未来之前，有必要回溯一下我们的生物地理学上的起源：年轻的地球开始孕育生命的久远的太古代。