霍华德的系统多年来被大量补充,以至于那本百科全书式但鲜为人知的《国际云图集》长达两卷,但有趣的是,几乎所有后霍华德时代的云类型——例如乳状云、幞状云、薄幕云、密云、絮状云、中云等——从未在气象学界以外流行开来,据我所知,在气象学界内部也不是很流行。顺便说一下,那本图集的第一版,于1896年出版,要薄得多,将云分为十种基本类型,其中最丰满、看起来最像软垫的是第九号积雨云(cumulonimbus)。[32]这似乎就是“身处九霄云外”(to be on cloud nine)这个表达的来源。
尽管偶尔出现的砧状雷暴云体积庞大、气势汹汹,但普通的云实际上是一种温和且出人意料地不实在的东西。一朵蓬松的夏季积云,边长几百码,可能只含有二十五或三十加仑的水——“大约够装满一个浴缸,”詹姆斯·特雷菲尔指出。你可以通过在雾中漫步来感受云的非物质性——毕竟,雾不过是没有飞翔意愿的云。再次引用特雷菲尔的话:“如果你在典型的雾中行走100码,你接触到的水大约只有半立方英寸——不够你好好喝一口。”因此,云并非巨大的水库。任何时刻,地球上只有大约0.035%的淡水漂浮在我们头顶上。
水分子落到哪里,它的命运前景差异很大。如果落在肥沃的土壤里,它会在几小时或几天内被植物吸收或直接蒸发掉。然而,如果它渗入地下水,可能很多年都见不到阳光——如果渗得非常深,甚至可能数千年。当你看着一个湖泊时,你看到的是平均在那里待了大约十年的水分子的集合。在海洋中,停留时间被认为更长,大约一百年。总的来说,一次降雨中大约60%的水分子在一两天内返回大气。一旦蒸发,它们在空中停留的时间不会超过一周左右——德鲁里说是十二天——然后再次以降雨的形式落下。
蒸发是一个迅速的过程,你可以通过夏日水洼的命运轻松判断出来。即使像地中海这样大的水体,如果不持续补充,也会在一千年内干涸。这样的事件发生在将近六百万年前,并引发了科学上所知的“墨西拿盐度危机”。当时的情况是,大陆运动封闭了直布罗陀海峡。随着地中海干涸,其蒸发的水分以淡水雨的形式落入其他海洋,轻微稀释了它们的盐度——实际上,使它们变得刚好足够稀释,以至于在比正常更大的面积上结冰。扩大的冰面反射了更多太阳热量,将地球推入了一个冰河时代。至少理论是这样解释的。
据我们所知,可以肯定的是,地球动力学上的一点小变化可能会产生我们无法想象的后果。正如我们稍后将看到的,这样的事件甚至可能创造了我们。
海洋是地球表面行为的真正动力源。事实上,气象学家越来越将海洋和大气视为一个单一系统,这就是为什么我们必须在这里给予它们一些关注。水在保持和输送热量方面非常出色。每天,墨西哥湾流向欧洲输送的热量相当于世界十年煤炭产量的总和,这就是为什么英国和爱尔兰与加拿大和俄罗斯相比拥有如此温和的冬季。
但水升温也很慢,这就是为什么即使在最热的日子里,湖泊和游泳池也很冷。因此,季节的天文学上的正式开始与该季节实际感觉已经开始之间往往存在滞后。所以,北半半球的春天可能正式开始于三月,但在大多数地方,最早也要到四月才能感觉到春意。
海洋并非单一均匀的水体。它们在温度、盐度、深度、密度等方面的差异对它们如何输送热量有着巨大影响,这反过来又影响气候。例如,大西洋比太平洋更咸,这是件好事。水越咸,密度就越大,而密度大的水会下沉。如果没有额外的盐分负担,大西洋洋流会一直流向北极,使北极变暖,但却剥夺了欧洲所有那宜人的温暖。地球上热量传递的主要媒介是所谓的温盐环流,它起源于远离地表深处的缓慢深层洋流——这一过程最早由科学家兼探险家朗福德伯爵在1797年发现。[33]发生的情况是,表层海水到达欧洲附近时,密度增大并下沉到很深的地方,开始缓慢地返回南半球。当它们到达南极洲时,会被南极绕极流卷入,在那里被推向太平洋。这个过程非常缓慢——水从北大西洋流到中太平洋可能需要1500年——但它们移动的热量和水量都相当可观,对气候的影响巨大。
(至于如何弄清楚一滴水从一个海洋流到另一个海洋需要多长时间的问题,答案是科学家可以测量水中的化合物,如含氯氟烃,并计算出它们最后一次在空气中是什么时候。通过比较来自不同深度和位置的大量测量数据,他们可以合理地绘制出水的运动轨迹。)
温盐环流不仅输送热量,而且随着洋流的升降,有助于搅动营养物质,使得更大范围的海洋适宜鱼类和其他海洋生物生存。不幸的是,这种环流似乎对变化也非常敏感。根据计算机模拟,即使是海洋盐含量的适度稀释——例如格陵兰冰盖融化增加所致——也可能灾难性地扰乱这个循环。
海洋还为我们做了另一件大好事。它们吸收了大量的碳,并提供了一种将其安全锁存的方式。我们太阳系的一个奇特之处在于,现在的太阳比太阳系年轻时亮了大约25%。这本应导致地球温度升高得多。事实上,正如英国地质学家奥布里·曼宁所说:“这种巨大的变化本应对地球产生绝对灾难性的影响,然而我们的世界似乎几乎没有受到影响。”
那么是什么让世界保持稳定和凉爽呢?
是生命。数以万亿计的、我们大多数人从未听说过的微小海洋生物——有孔虫、颗石藻和钙藻——在二氧化碳以雨水形式落下时捕获大气中的碳,并用它(与其他物质结合)来制造它们微小的外壳。通过将碳锁在它们的外壳里,它们阻止了碳重新蒸发到大气中,在那里它会作为温室气体危险地积聚起来。最终,所有微小的有孔虫、颗石藻等等都会死亡并沉到海底,在那里被压缩成石灰岩。当你看到像英国多佛白崖这样非凡的自然景观时,想到它完全是由微小的已故海洋生物构成的,这本身就令人惊叹,但当你意识到它们累积封存了多少碳时,就更加令人惊叹了。一个六英寸立方的多佛白垩岩块将含有远超一千升的压缩二氧化碳,否则这些二氧化碳对我们毫无益处。总的来说,地球岩石中锁存的碳大约是大气中的两万倍。最终,大部分石灰岩会进入火山,碳将返回大气并随雨水落到地球上,这就是为什么整个过程被称为长期碳循环。这个过程需要很长时间——对于一个典型的碳原子大约需要五十万年——但在没有任何其他干扰的情况下,它在保持气候稳定方面运作得非常出色。
不幸的是,人类有一种粗心大意的倾向,即通过向大气中排放大量额外的碳来扰乱这个循环,无论有孔虫是否准备好了。据估计,自1850年以来,我们已向空气中排放了大约一千亿吨额外的碳,这个总量每年增加约七十亿吨。总的来说,这实际上并不算太多。自然界——主要是通过火山喷发和植物腐烂——每年向大气中排放约两千亿吨二氧化碳,几乎是我们用汽车和工厂排放量的三十倍。但你只需看看笼罩在我们城市上空的雾霾,就能看到我们的贡献带来了多大的不同。
我们从非常古老的冰芯样本中得知,大气中二氧化碳的“自然”水平——即在我们开始通过工业活动使其膨胀之前——大约是百万分之280。到1958年,当穿着实验服的人们开始关注它时,它已上升到百万分之315。今天,它超过百万分之360,并且每年大约以百分之零点二五的速度增长。预计到二十一世纪末,它将上升到大约百万分之560。
到目前为止,地球的海洋和森林(它们也储存了大量碳)设法使我们免于自毁,但正如英国气象局的彼得·考克斯所说:“存在一个临界阈值,超过这个阈值,自然生物圈将不再缓冲我们排放的影响,而是开始放大它们。”人们担心的是,地球变暖会出现失控性增长。无法适应的许多树木和其他植物将会死亡,释放它们储存的碳,从而加剧问题。这种循环在遥远的过去偶尔也会发生,即使没有人类的贡献。好消息是,即使在这里,大自然也相当奇妙。几乎可以肯定,碳循环最终会重新发挥作用,使地球恢复到稳定和幸福的状态。上次发生这种情况,只用了区区六万年。