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

　　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（JohnHoldren）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。

第一章 有机的与非生命的地球

一种动态的结合
　　如果有机会乘坐时间机器"作一次旅行，去对远古时代地球上自然发生的各种变化进行测年和测量，我想，大概没有一位活着的地球科学家会不马上抓住这一机会的。地球科学家可以超越数千年时间，观察地球表面大陆的漂移，这种移动不仅改变了大陆的位置及大气成分，而且使它们携带的生命也发生了变化。地球科学家还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化。只要适当注意，他们还能检测到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的。有机物与无机物是互相联系的，具体表现在地球化学与生物学、地质学与气候学的关系上。在时间机器中，一切都在运动着，在不停地变化着，就如一张由生命和无生命单元的动态结合所构成的巨大、错综复杂并且变化着的网。如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会轻易理解这一图案的，除非他或她是一种怀着对地球的好奇的群体的一员，这一群体的人们使用一些精致的方法，来揭示远古以来曾出现过的大量的各种图案。这一群体以及他们所采用的方法，当然就是我们今天所称之地球系统科学的主要构成部分。

　　这种动态过程发生在地质时代。地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在这里，1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（HG．Wells）《时间机器》中的人物可以看到几个世纪以来文明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里旅行的生物学家或地质学家或气候学家，可以观察到有机体的进化过程，以及它们与地球之间的相互关系。

　　一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期。在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案，这一谜案不仅包含了地球系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球的一些无意识实验的危害这一现代科学论争的中心。我们会在那里看到什么？

　　我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木，也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、～米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度高达38C，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦，这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太阳要比今天的太阳小。原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作用的研究中来时，我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也随着把氢转变为氮的热核反应而变得越来越大，其亮度也不断增加。大多数科学家相信，自地球诞生以来的大约45亿年间，太阳的发光度增加了约30％，其中有5％是在过去到乙年间增加的。就是在这6亿年间，生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无法洗去的化石印记。

超级温室效应

　　如果将进入地球的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这将使我们陷入严寒之中。但是，在太古代，气候明显温热，而且没有冰冻天气--请记住，我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问题就是众所周知的"弱早期太阳佯谬（early faintsun Paradox）"。在1970年，康奈尔大学的卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（George Mullen）提出了一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应。他们认为，甲烷和氨这两种气体能够在地球大气层的下部非常有效地俘获红外辐射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足，从而保持一种温热的气候。批评者认为上述观点是怪诞的。他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的寿命较短，因此要取得上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定是生物对之进行补充入果真如此，太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷和氨以使地球保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知，而这也是为什么时间机器对那些热衷于探究地球奥秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一。

　　虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物过程还是由与生物体无关的其他过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是，但萨根和马伦的基本思想已被大多数学者接受。然而，当代研究表明主要的超级温室气体是CO。，而不是CH或NH3。但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们。如果太古代确实出现过萨根他们所推测的那种现象，那么这种现象会否再现？

　　要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程。

　　

在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加，至少在一个假说的早期是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题。这里的问题是：为使太古代保持温和的气温，如果当时的CO。含量数百倍于现代，那么，在此后的30亿年间，随着太阳发光度增加了大约25％，又是什么作用使得地球气候没有相应出现急剧过热的情形？

　　这一疑难问题的答案（事实上只是一些假说）通常有两种（有时是矛盾的）类型：一种理论认为是通过无机地球化学过程带走一定的CO。来达到对温度和CO。含量的控制；另一种观点认为COZ的带走是由生物过程来控制的；也有人认为两种过程都起作用。木管是哪一种观点，它们都是以一种被称为负反馈的作用为基础的。

　　我们这些热血动物都具有起稳定作用的负反馈机制。我们拥有生理学家所称之体内平衡系统。如果太热，我们通过出汗来达到一种负的或稳定的反馈。如果太冷，我们会颤抖，这是一种提高新陈代谢水平以产生热量的力学行为，它也是一种稳定的反馈。

　　在气候系统的众多反馈过程中，有些起着稳定作用，相当于一个恒温器，有些则起着降低稳定性的作用。例如，如果地球变热起来，雪和冰将会出现什么后果？某些会融化，这种融化的结果将是以绿树或棕色沙漠或蓝色海洋取代原先明亮、洁白、高反射的冰雪告终。绿树或棕色沙漠或蓝色海洋的颜色要比雪原深，因此将吸收更多的阳光。如果我们能够以某种方式使地球变热井因此使一部分雪融化，地球将吸收更多的阳光，而这种反馈机制将会加速变热过程。这是一种正反馈。但是，如果加热引起更多的水发生蒸发并形成白云，这将会有更多的阳光被反射回太空，从而降低地球的热量，这就是一种负反馈。

　　让我们再回到有关C（）z含量降低机制的争论。针对地球化学过程控制大气CO。含量这一模型，1980年，詹姆斯·沃克（James Walker）、保罗·海斯（Paul Hays）及詹姆斯·卡斯廷（James Kasting）这几位当时都在密执安大学工作的学者，提出了一个风化一气候稳定反馈系统，这一系统被他们的同事们称为WHAK系统（他们几位名字的首字母之组合）。这几位学者指出，伴随气温的变暖，有更多的水蒸发，降雨以及水土流失的增加使水文循环更具活力。

　　WHAK机制运作的时间尺度是数千万年至数亿年。它本身并没有试图来描述短周期的CO。变化，这种变化可以解释恐龙时代的极热，以及2万年前本次冰川期的极冷（后面将要对此予以评述）。如果大气中有高的CO。含量，CO。与雨水的结合产生碳酸，降雨的增加将使地表的矿物遭受大量碳酸的风化作用。在WHAK系统所提出的风化作用中，钙镁硅酸盐将与大气中的碳结合，降低大气的CO。含量，并将碳固定在碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云石）等沉积岩中。大气CO。含量的减低意味着温室作用的减弱，因此，通过这种无机负反馈过程，使地质历史时期由太阳发光度增加所引起的温度升高得到抵消。

盖亚假说是真的吗

　　太古代随着太阳发光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假说认为＊0。的降低与生物学过程有关。英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释生命如何在全球规模上作为一个自动负反馈系统发挥其作用。在他的邻居、作家威廉·戈尔丁（William Golding）的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大地女神盖亚（Gala）的名字将自己的假说命名为"盖亚假说"。科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人对它持批评态度。这一假说认为地球的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规律的、必然的组成部分，千百万年以来，生物控制了大气圈的温度、化学成分、氧化能力以及酸度。"盖亚假说"的拥护者认为生物对地球的环境起着积极的控制作用。洛夫洛克的机制基于下述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO。含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时间框架内）从空气和海洋中带走C（）。转变成碳酸钙。当它们死亡之后，这些碳酸钙沉积物会下沉至海底。

　　洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。gun Margulis）多年来一直坚持认为，如果不是生物在起作用，地球的大气圈将是CO。占绝对主导地位，地球与其姐妹行星火星和金星将没有两样。他们指出，这种以C（）。为主的大气圈产生～种强大的温室效应，使地球的温度比现今要高出60C左右，足以烧焦各种生物。

　　上述假说的反对者的反驳意见是，在地球上出现生物后的大部分时间里，并没有进化出浮游植物，既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释"晚近"（即过去几亿年）之前的"弱早期太阳作谬"？ "盖亚假说"支持者对此的一种回答是，推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质。确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就是一些叠层石，它们是生活在自身分泌的含碳的坚硬物质中的

　尽管围绕CO。的消耗及温度问题仍存在争议，但没有人会怀疑生物在形成氧气这一空气中最主要的成分过程中所起的不可缺少的作用。光合作用利用太阳能将CO。和水转变成碳水化合物和氧分子。这一反应的逆过程就是生物的氧化作用和腐烂作用，即碳水化合物与氧结合，释放出热量，产生Ct）和水蒸气。将无权的CO。分子分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太阳能来进行。同样，生物的氧化作用和腐烂作用则要利用氧气并释放出碳水化合物的化合键所储存的化合能。这种"生物能"可使热血动物产生自身的内部热量，这也解释了树木为什么可以作为一种燃料来燃烧。矿物燃料之所以能够燃烧是因为它们都是有机物质的残余，这些以碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO。转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都要经历腐烂过程，但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来。
这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来，然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移，有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤，实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量。一座煤矿的形成需要数百万年的时间，但人类释放煤中的CO。和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题，并使气候学家和生态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题，科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代），而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。为古老的地球定年龄

　　地球并不是一直被认为有几十亿年的年龄的。早在18世纪，在法国和英格兰，人们就对地球的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家之间，后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球绝对年龄的是一些神学家，对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年，爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（James Ussher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整。到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确，甚至与真实情况相去甚远。
18世纪，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化学过程清楚地证明地球至少有几千万年的历史。他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作用实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）。例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的。通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间。如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代，并得出地球的大致年龄。然而，这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量。比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率。

　　应当指出，虽然19世纪的地质学家们并不清楚他们当时研究的岩石的绝对年代，但他们多少知晓某一地层的相对年代。年轻岩石发育在年老地层之上，这一假定在大多数情形下是正确的，但也不尽然。这一假定就是所谓的地层层序律。

　　地质学家们针对不同岩石地层的成分和年龄设计了一套命名体系。这一体系由一系列时间段以及在这些时间段内沉积的岩石的名称所组成。这些时间段仅仅是地质时间的次级单元。过去6亿年的"晚近" 时期由古生代（5．7～2．25亿年以前）、中生代（2．25～0．65亿年以前）以及新生代（0．65亿年以前至今）组成。大多数生命是在这一地质时代进化而成的。这些生物的化石残余被广泛地用来确定地层的相对年代，并将地质年代进一步细分为纪（Period）和世（ePoch）。我们已经掌握了生物进化的许多阶段，知道哪些动物和植物在进化过程中先出现，我们也就因此能够根据岩石所携带的化石的类别来确定岩层的相对年代。（化石的价值还体现在：通过在不同地区地层之间进行化石的对比，有可能追踪地球表面大陆漂移的轨迹。我们在下文还将看到，化石也是有用的古气候标志。）19世纪的地质学家们建立起来的地质时间序列主要解决了相对年龄问题，但绝对测年技术在当时仍是一个悬而未决的问题。寻找一种可靠的时钟来重建绝对地质年表，已成为学者们此后致力研究的一个主要目标。

开尔文勋爵的测年方法

　　在詹姆斯·厄舍宣布地球年龄200年之后，开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球的年龄。

　　作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授，开尔文是当时最具影响的理论物理学家。他采用当时已知的热力学原理来计算地球的年龄。根据对来自地球内部的熔岩

　碳元素在大气圈一水圈一生物圈中极为丰富，它有三种天然同位素，"C是其中的一种。与"C和’’C这两种碳的稳定同位素木同，"C是不稳定的，但相当连续的宇宙射线的照射会将大气圈中氮分子转化为"C，从而使"C不断得到补充。（太阳活动的变化会引起"C产量的变化，但这些不会对碳测年方法构成大的阻碍。）大气中的碳（包括"C ）通过光合作用转化为有机碳化合物。

　　当植物活着时，其组织中的’’C会保持着一种相对的平衡，这是因为它们不断通过光合作用从大气中补充"C供给量。动物总是吃活着的或刚死不久的植物（或食草动物），它们也保持着一种与大气圈密切平衡的"C水平。但是，当动物或植物死亡之后，由于没有新的"C的补充，它们组织中的放射性"C就发生衰减。

　　与所有放射性元素一样，"C也有其半衰期--约5750年。也就是说一定量的’’C原子要经过5750年才能使其一半原子发生放射性衰变。由于这一衰变速率不受外界条件的影响，一个样品中"C的消失速率与’’C进入该样品的时间之间存在一种绝对的关系。因此，通过测量一个样品中’’C的相对含量，科学家能够确定该样品的年龄。气候学家们利用"C测年技术以及记录含化石地层的传统方法来建立气候变化年表。通过利用’’C测年技术确定冰块覆盖下的树木标本的年龄，我们可以建立大陆冰川扩展的年代表。对沼泽中的泥炭样品和湖岸中的浮水的测年同样也可获得冰川作用的时间表。对深海各种浮游动物沉积物中"C含量的测定，能够确定适于各种动物繁殖的海洋环境之变更的时代。通过这种方法我们能够推测海水温度及相关的气候条件。运用利比的测年方法，气候学家们得以获得一张过去4万年来的全球气候图。对取自山洞聚居者的炉边的木炭所进行的放射性碳测年工作，则有助于人类学家获得有关人类历史及其与气候波动的关系的大致认识。

氧气的起源

　　矿物燃料在地下的形成在研究生命对大气的影响中至关重要，这不仅是因为21世纪人类正面临着由于矿物燃料的燃烧而带来的全球变热的环境风险，而且还因为这种形成过程也是氧气形成过程的一部分。

　　大约在10亿年或20亿年的时间里，海洋中的藻类一直在产生氧气。但是由于氧气极为活跃，而且在远古海洋中存在大量的还原矿物（例如，铁遇到氧气就很容易被氧化），因此，生物产生的大部分氧气在进入大气圈之前就已耗尽。当然，氧气在大气圈中也是极为活跃的。基于这一原因，大多数地球化学家相信，在地球生命历史的前半段，大气圈中氧气的含量只有今天含量的极小一部分。即使进化过程在这一厌氧微生物时代"发明"了更复杂的形式，如果这些生命想在陆地或空气中生存的话，它们不仅将缺乏呼吸所需的氧气，而且来自太阳的未经过滤的紫外线也会在这些生命有可能进化到更高级的形式之前将其扼杀。地球化学家们曾经指出，20亿年前，当海洋中的大多数还原矿物都被氧化之后，大气中的氧气含量才开始显著增加。这也为当时一些刚刚进化到要靠氧气来驱动其代谢机制的生命形式打开了其生存所需的生态空间。

拯救臭氧层

　　对于那些试图在地表或大气中生存的生命形式来说，大气圈中氧气的存在还有另外一个非常有益的作用：过滤对生命有害的紫外线辐射。紫外线可以破坏许多分子，比如DNA。禁止生产臭名昭著的含氟氯烃（CFC）也是基于这一原因，因为氟氯烃促进了平流层中的臭氧层耗损。在紫外线的照射下，由二个氧原子组成的氧气分子Oz，被分解成相当不稳定的单分子O（它可以重新组合为O。）以及非常特殊的由三个氧原子组成的臭氧分子O。。臭氧分子能吸收太阳辐射中的大多数紫外线。只有大气中存在充足的O。，才能产生维持陆地上的生命（植物或动物）所需的O。。生命从原核生物（无核的单细胞生物）到真核生物（有核的单细胞）再到多细胞生物的快速进化大致发生在过去10亿年间（又称为大气的氧气和臭氧时代），看来确实不是偶然的巧合。火山气候和漂移的大陆我们不应得出这样一种印象，即地球大气圈在向氧气阶段的过渡以及CO。的消耗过程中，地球经历的是一种均稳的或均一地变化着的气候（见图1．1）。在生命从单细胞细菌或藻类向霸王龙进化的巨变阶段，气候以及大气成分均不是稳定的。大陆发生漂移和碰撞，引起山脉隆起并风化，导致火山喷发，上述效应作用在洋中脊，形成海底。由于海底的物质密度要大于大陆，因此当海洋板块与大陆板块发生碰撞时，海底下沉（潜没）到大陆板块之下。一个"声名狼藉"的潜没带就是太平洋中的"火环带"，它是漂移的大陆板块之间的交界，交界处板块之间的滑动和挤压导致了该地区（神户、安克雷奇、旧金山、洛杉矶、库页岛、墨西哥城）火山和地震的高发生率。在大陆底下被挤压进入岩石圈的物质并不见得就此永远从大气层中消失。回想一下部分潜没物质的组成：它们是一些遭受风化的岩石，这些岩石中的矿物与从大气和海洋系统中带来的

　　20世纪50年代，伴随着全球洋中脊体系的发现，大陆移动的物理证据也开始出现。全球洋中脊体系由基本上环绕地球的长约65000千米的海底山脉组成。沿着这一山链的中央部位存在一条窄而深的裂谷。热的岩浆沿着这一裂谷上涌，在岩浆凝固的同时，它们向两侧扩张形成新的地壳物质。这一过程被称为海底扩张，到了20世纪60年代时它已被古地磁方法证实。随着新的岩石的形成，它们被永久磁化，其磁场则沿着形成时地磁场所指的方向排列。当地磁场发生倒转时，在洋中脊两侧的海底均可见到平行对称的反向磁异常条带。如果已知发生这些磁极倒转的大致年代，则通过测量裂谷与反向磁异常条带之间的距离就可以确定海底扩张的速率。

　　当一艘考察船拖着磁力仪在海底"裂带"上方的海区来回穿梭时，磁力仪会获得这些裂谷的有关古地磁证据，并进而确定其极性。20世纪60年代晚期，作为深海钻探计划的一部分，"格洛玛·挑战者"（Glomar Challenger）号考察船从大西洋洋中脊直接获得了岩芯，从而为科学家们提供了直接的证据。如同所预测的那样，裂谷处的海底被证实是最年轻的。沿中轴往两侧，海底的年龄逐渐变老。由于海底的地壳不断被埋葬和再循环，因此，相对于大陆来说，洋底的年龄较为年轻。洋底的平均年龄大约为1亿年，而测年所得最老的大陆岩石的年龄为近40亿年。

　　当新的海底形成时，老海底发生什么变化？海底的更新又是如何影响了大陆？使魏格纳的理论变得可信的第二个革命性的进展--板块构造学来自于试图回答上述及其他问题所进行的科学探索。

　　有必要将支持大陆漂移的观察到的事实与试图解释这些事实的假说区分开来。生物进化也有类似的情况。如前所述，数以百万计的化石碎片以及其他更新的证据支持了生物进化这一事实，但达尔文（Darwin）用来解释进化机制的经典理论--自然选择，在今天仍是一个令科学家们争吵不休的话题（神创论者当然也要对这一理论提出挑战）。当然，解释这些现象的理论的不完善并不能否定支持这些现象的大量的证据的存在。

　　类似地，且不管已被普遍相信的板块构造学本身的正确程度有多大，大陆漂移的证据是随处可见的，并为所有有远见的地质学家和地球物理学家所接受。

　　已故加拿大物理学家威尔逊（J．T．Wilson）1965年提出了漂移板块的观点。根据板块构造学理论，地壳可划分为一些巨大的块体（板块），在来自地球内部的热量的驱动下，这些板块在柔韧的地慢上漂移。这些由大陆地壳和海底地壳组成的板块，方圆可达数千千米，厚可至130千米。当板块在水平方向相互离开时，在板块之间会形成一些裂谷（洋中脊），从而为新海底的上涌打开通道。如果这样的裂谷出现在大陆上（非洲的阿法尔裂谷就是一例），大陆就开始分裂。当板块发生碰撞时，它们或者是发生弯曲形成山脉，或者是一个板块潜没（下冲）到另一板块之下，二者必居其一。后一过程就形成了太平洋地区火山活动频繁的"火环带"。热量和压力使部分潜没物质发生熔融，这部分熔融物质最终将沿裂谷上涌形成新的地壳。当两个大陆板块发生碰撞时，将形成山脉（如印度板块撞到亚洲板块，形成喜马拉雅山脉）。板块交界处的地震活动也较其他地区频繁，这也进一步支持了板块构造理论。

　　我们在此介绍板块构造理论的主要目的，是想说明地球表面是处于不断变化之中的。前文我们已经暗示了大陆漂移与冰川活动期有某种联系。至少可以将一种气候上的巧合事件与大陆的重新调整联系起来：比如南极大陆与周围大陆的隔离以及随后的冰川作用。

　　在南极大陆被隔离开来以前，即地质第三纪前半段（约3500～6500万年以前）的大部分时间里，南极洲曾发育落叶树（季节性的）和针叶树（常青树）的许多种类。南极洲西部一些岛屿的树木碎片化石证实了这一事实。因此，当时南极洲（至少在发现树木化石的南极边缘）的温度比今日要高约10C～15C。

　　5500万年以前，澳大利亚大陆开始与南极大陆分离，这一事件不仅导致了南极洲显著的气候变化，而且还使澳大利亚发生特殊的生物进化，例如袋鼠的单独出现。自从南美洲和南极洲东部之间的德雷克海道打开之后，环南极洲海流从此畅通无阻。这一环流阻挡了北方的暖流，从而使南极洲周边的海水温度较低。因此，相对于南极大陆与周边大陆的隔离这一事件来说，大约4000万年前，南极海水的发育以及随后南极冰盖的形成远远不是偶然的。到了距今400～700万年前，南极大陆确确实实发生了强烈的冰川作用。当然，也有人认为南极被冰覆盖的时间要比这一时间早数千万年。不管怎样，南极冰盖今天所容纳的水量与全球海平面曾下降60米相吻合。有证据表明，另一支重大的海流--海湾洋流也在逐渐增强。

　　与洋流的增强以及大陆逐渐漂移到各自目前的大致位置这一过程相伴，从赤道到两极气候也出现了差异分明的分区。一些植物和动物在极地气温较高时曾广泛分布于全球各地，后来，随着极地变冷，这些植物和

第二章 气候和生命的共同进化


　　气候既影响着地球上的生物，也被地球上的生物所影响，两者似乎是共同进化的。两者还都与一些奇妙而复杂的循环发生作用。
　　环境就是一个由循环构成的复杂网络。这些循环对生命的产生、进化及生存至关重要。水构成了雨、雪和海洋，导致沉积物的沉积。作为一种关键的营养成分，氮无论是在大气中还是在进入土壤和水的过程中，均在其自身的循环结构中发生迁移。氮还与疏循环相关。硫不仅产生酸雨和其他构成潜在危害的状态，它还在蛋白质的功能中发挥必要的作用。对地球上的生命来说，碳是最重要的一种元素，碳循环与外界的一切发生联系。上述循环是如何工作？这些循环内部又各有什么样的危险（如果有的话）对这些问题的解决只能借助于科学家工具箱中最先进的一些仪器，特别是人造卫星和电脑。电脑模拟技术的发展，将使我们中的大多数人尽可能地接近时间机器所观察到的真实状态。营养成分在一个所谓的生物地球化学循环中发生迁移。生物地球化学循环这一术语是由韦尔纳兹基（V．Vernadsky）在20世纪20年代提出的，它描述的是生命、空气、海洋、陆地和其他化学成分之间的相互作用。气候影响上述循环的途径之一是通过控制物质在这些循环中的流动来实现的，部分地是通过大气环流的作用来实现。与此相应，营养成分有助于大气成分的确定，而大气成分又决定了气候变化。水蒸气就是这种营养成分的一种。当它凝缩成云的时候，更多的太阳射线被反射回太空，影响了气候。水蒸气和云还是温室效应的重要成分。另一方面，水还是维持地球上生命的生存的最重要的营养成分之一。

水文循环与沉积循环

　　任一时刻，穿越整个大气层的某一垂直柱体所包含的以水蒸气形式出现的水的含量，只有同一柱体下的海洋和冰盖中水的含量的50万分之一。与海洋的含水量相比，每年通过降雨形式降落到全球地表的淡水量也是可以忽略的。但是，不断遭受水文循环的蒸馏和扩散作用的只占地球总水量极小比例的淡水，相当于年降雨量50万立方千米。这一数量足以使地球表面5亿平方千米的面积接受每年约1米的降雨量。

　　大气和海洋环流的能量当然源自于太阳。它使水从湖泊、海洋和陆地蒸发上升。然后，凝聚作用和雨滴生长等作用使这些水以降雨形式回到地表。水的分布地点和数量，很大程度上决定了在各地得以生存的生命形式。

　　水还通过蒸腾作用从植物树叶转移到空气中。植物的蒸腾作用与水体和土壤的蒸发作用一起，构成土壤水文蒸发和蒸腾作用。在全球平均水平上，海水的蒸发量6倍于陆地的土壤水分蒸发蒸腾总量，尽管后者在某些大陆中央部位可以是主要的局部蒸发源。由水文循环引起的降雨过程既形成沉积物，也使沉积物遭受侵蚀。水将物质从陆地搬运至海洋，使之最终以沉积物形式在海底沉积。在一个相对较短的时期内，沉积循环包括了侵蚀、营养成分搬运及沉积物形成等过程，其中水流起着重要作用。在一个更长的地质时代，沉积、抬升、海底扩张及大陆漂移等过程变得更为重要。水文循环和沉积循环与以下6种元素的含量分布及迁移相互交织在一起：氢、碳、氧、氮、磷和硫。这6种元素又被称为常量营养元素，活着的有机体的95％以上是由这些元素构成的。要维持各种生命形式，就需要这6种元素之间保持合适时空间和量的平衡。尽管大量的这类营养元素以多种方式（有时不易提取）蕴藏在地壳中，但任一时刻这些重要元素的自然供给量却是相当稳定的。因此，为了使生命得以不断再生，需要这些元素进行反复的循环。

氮循环

　　作为一个重要的营养元素，氮也是化学上最为复杂的元素之一，其循环以多种形式进行。作为氮的原始形态，氮气（N。）占大气的78％。氮气的一部分在土壤和水中转变为含硝酸控的化合物（亚硝酸盐群）。这种转变就是所谓的固氮作用。氮被"固定在"或依附在其他化学元素上，并与其他原子（典型者如氢原子）之间形成牢固的化学键，这一过程亦被称为是氮的硝化作用。氮可以通过火（包括闪电或汽车引擎的点火或经化学施肥的植物的燃烧）以非生物形式固定下来，也可以通过特殊的固氮有机物而以生物方式固定下来。

　　被固定的氮残留在空气、土壤和水中。一些特殊的细菌在固氮时从植物中汲取能量来完成其工作。这些细菌常常生长在豆科植物的根瘤中，这些植物包括豌豆科的首精、蚕豆、豌豆和三叶草。由于这些植物具有固氮功能，人们通常在农作物生长季节之间种植这些植物，来补充由于大麦、玉米、西红柿等不具固氮功能的植物的生长而造成的土壤中氮的含量的耗损。通过将这种天然肥料吸收到它们的根茎中，使得这些植物能将适当形式的固定氮引入它们的组织中。这些植物然后通过化学过程将固定氮转变为氨基酸，再转为蛋白质。

　　生物体内以蛋白质形式固定下来的氮，最终将通过氮循环而转变为其原始状态，即大气中的氮气。当含有固定氮的植物死亡或被动物吞食时，这一转变过程也就随之开始。如果它们被动物

在北半球，每年的春季和秋季之间，空气中CO。的含量下降约3％。每年碳的吸入量相当于数百亿吨的CO。。在植物较为稀少的南半球，空气和植被之间CO。的交换量大约只是北半球的1／3。

　　随着秋冬季的开始，由于可将CO。转换为碳水化合物的太阳能减少，温度下降，光合作用的速率变慢。因为活着的植物的呼吸作用以及衰亡植物或死亡有机物的腐败作用超过了光合作用的速率，此时，植物碳循环中的另一部分起主导作用。

　　诚然，介入碳循环的因素并不限于CO。。海水内部复杂的生物学和化学过程控制着空气和海洋间的CO。交换。地球上植物的产地和数量则是另一类控制因素。此外，诚如我们所知道的那样，诸如水、氮等其他营养成分也是维持生命所必需的。它们与碳和生命在一连串环环相扣的生物地球化学循环中相互作用。

　　前文提及CO。是地球大气圈中的微量气体，这意味着CO。的含量相对来说是不高的，目前只占大气的0035％。但这一微小百分比所代表的大气圈碳的总重量则有7500亿吨，它对大气圈的热平衡具有显著的影响。CO。的气候学作用在于它能让大多数的太阳辐射通过，但它同时也吸收更大比例的红外辐射，捕获地球热辐射的一部分，否则这些热辐射将从大气圈逸散至太空（换言之，如前所述的那样，CO。是一种"温室气体"）。

　　大气圈中还有其他一些具有强烈温室效应的微量气体，它们的浓度有可能增加。其中比较突出的是甲烷（CH。）。工业革命以来，CH。的浓度已增加了大约150％。动物、细菌以及采矿、农业等人类活动所带来的污染物均可产生甲烷。氧化亚氮的含量也正在增加，这或许是氮肥使用量增长的一个后果。原始的CO。浓度来自于下列几种作用的组合：将气体带至大气圈的火山喷发活动，岩石的形成和风化作用，有机物质的合成和腐败作用，以及将未腐败的有机物质转变为矿物燃料的化学作用。所有上述作用都在较长的地质时期内发生。人类正在挖掘这些矿物燃料，并以比其形成要快得多的速率消耗它们。工业革命以来的150年间，为了满足能源和农业需求，人类活动已使大气CO。的含量增加了20％一30％，大多数的预测结果指出，到２１世纪中叶，大气CO。含量增加100％不是没有可能的。

大海洋

　　地球大气圈中总有足够的CO。来支持光合作用。我们也知道通过有机的及无机的机制，CO。不停地被风化作用所消耗。如果风化进行得很完全，地表将不会留下足够的CO。来支持植物的生存，而事实上这种情形还未发生。这里，火山作用，特别是沿海底洋中脊的连续的火山作用，发挥着一定的作用。

　　将格陵兰的所有冰块融化可使全球海平面仅仅上升5米左右，全球所有山谷冰）11融化也不过将使海平面上升一点儿。而将南极巨大的冰川融化则可产生一个大得多的影响，但即使是这一显著的、难以想象的事件，也将只使海平面上升60米。这一数字还不到地质学家们所知的白望纪海平面上升值的四分之一。1亿年前的白正纪，也是一个霸王龙主宰天下的时代。因此，虽然冰川消融确实能使海平面上升一部分，但它显然也不足以解释发生在白玉纪的海平面上升，这次上升使得当时普遍存在着大量的内陆海洋。与现代陆地占地球表面积的30％不同，白玉纪时期陆地只占地球表面积的20％。那么，引起如此高海平面的其他原因会是什么呢？

　　有两种合乎逻辑的可能性：一是当时地球的水量较现代为多；二是当时的大陆下沉到地壳更深的部位。这些推想并无支持依据，因而被大多数科学家认为是极不可能的。

　　一旦我们把自己放在地质历史时间框架内进行思考，一个最经得住推敲的解释相对来说也是颇为直观的，这就是在地球的那个早期历史时期，洋盆体积较小，因此当时的海水覆盖了更多的陆地。那么又是什么东西充填了早期的洋盆呢？

　　最有可能的是来自洋中脊的火山物质，因为l亿年以前洋中脊火山活动的速率可能比新近的要快得多。但是，如果当时构筑成洋中脊的海底火山活动更为频繁，那么，由于火山喷发释放出的气体之一是CO。，当时应有更多的CO。进入地表系统。

　　尽管今天我们仍未掌握测量恐龙时代大气温度的直接方法，但我们确实知晓下列几个事实：①当时曾经很热。白里纪中期的地表温度比今天要高出10C（或18C），这意味着当时过量的CO。加剧了温室效应并使大气温度升高；②地球各地普遍发育阔叶植被。更多的CO。有利于光合作用的增强；③相当数量的矿物燃料在当时形成。由埋藏的有机物质转变而来的矿物燃料反映了当时可能存在较高的植物或浮游生物生产率，这似乎又令人信服地表明，较高的CO。加剧了光合作用的进行。当然，上述所有证据都只是定性的。

　　宾夕法尼亚州立大学的埃里克·巴伦（EricBarron）绘制出了白尘纪时期的大陆漂移图。从图ZI我们可以知道，1亿年以前地模拟的艺术球的地理格局与今日相差甚大。一些内陆浅海将美国分成东西两部分。现今高达1千米多的洛矾山山麓上所见的蛤的化石即与此有关。

理查森注意到，气候类比图的问题在于气候并不总是沿一相同的模式发生演变的。虽然曾经发生过的可以再次发生，但我们并不能可靠地认定将要发生的必定曾经发生过。因为会出现一些独特的事件或情形。因此，理查森提出了以微分方程（已知自然规律的数学表达）的形式进行气候预报的设想。由于不能精确求解微分方程，因此他建议采用一种逼近的数值方法。他还提出了一系列方案用以将观测数据变成便于进行数值计算的术语。他非常清楚，用他倡导的数值方法来进行实际的气候预报所需的计算能力在当时仍只是一种梦想。在他的梦想中，他预见有这样一种巨大的装置（"像剧院那样的大厅"），这个装置内将有数百台可以进行气候计算的人类"计算机"。理查森使用初始微分方程中的数值法则（现在称之为算法），几次初步尝试都以失败而告终，但这并不意味着其基本思想是错误的。更确切地说，理查森只是没有意识到，除非对其算法稍作改变，否则他所选择的逼近方法会导致一些荒唐的结论。数十年之后，随着核武器竞争所带来的经费资助，使得数学家们找到了使理查森的数值方法取得成功的方法。事实上，这些方法已成为现代普遍采用的气候和天气模型的基础。

　　模拟的优势在于我们可以进行一些在现实世界中所无法进行或不切实际的实验。从本质上来看，一个模型就是一系列编译成电脑算法的数学方程，它们被用来在电脑中模拟现实情况。它使得科学家们能够提出一系列问题，这些问题一般是假定一些条件，然后考虑会出现什么样的后果。换言之，它使科学家们得以在某一较大的尺度上安全地进行与自然之间的游戏：如果某一条件改变了，气候系统的所有其他方面将会发生什么变化？如果人们改变一个变量，比如太阳的辐射能力，气候及降雨量等其他变量将会出现什么情况？最后，既然各种模型不大可能完全真实地反映实际情况，我们应在多大程度上相信模拟的结果？

　　要建立任何一个系统的模型，人们必须事先确定该系统中包含有哪些组成。例如，要建立一个铁路模型，人们必须在模型中包括一些诸如铁轨这样的基本组成单元，然后选择摹仿的机车类型。根据要模拟的铁路模型的真实程度，人们还必须考虑其他一些特征：如水塔、道口、信号、火车站等。

　　要模拟气候，模拟者必须确定系统的组成单元及所包含的各种变量。例如，如果我们选择模拟冰川期和间冰川期的长周期序列，我们的模型必须明白无误地将过去数百万年间发生作用的气候系统内所有相互作用的重要组分的影响包括进来。如我们所知，生物影响了气候，因此必须将生物包括在气候系统中。这些相互作用的子系统构成了一个模型的内部单元的一部分。

　　另一方面，如果我们只对模拟短周期（例如某一星期）气候事件感兴趣，那么，我们的模型中可以忽略冰川、深海、陆地形态及森林的任何变化，因为它们在短时期内的变化非常有限。这些因素将被称为模拟气候系统的外界条件。

　　气候模拟者所言的模型有一系列级别，这些级别可以大到简单的整个地球的、与时间无关的温度模型（即有关在一较长时间跨度内整个地球的平均温度的模型），小至高精度的、三维的、与时间有关的模型。后者将包括大气、海洋、生物圈中的变量，有时甚至包括地壳的变量。可以想象，这些更为综合的模型同时也是极端复杂、难以建模的，而且费用昂贵，其结果又不易验证。人们一般总会认为，随着模型复杂程度的增加，模拟的真实性也相应增加，但实际出现的情况并非总是如此，这使得模拟工作常常成为一项艰巨的任务。

　　当我们确定了模型所包括的各个过程和子系统后，我们编写出能最好地描述这些变量的算法，使得电脑能够根据这些算法来执行我们所给的命令。我们认为（有时并未加以证明）气候系统中的变量是在按照我们所理解的自然法则相互作用，并可将这些变量以数学形式予以表述。我们所采用的模型的精度及综合程度决定了我们所要表述的算法的数量和类型，使得模型能合理地接近（我们希望）已知的自然法则。对于非常简单的模型来说，描述各个气候变量的行为的数学方程，可以被任何知晓初等代数的高中一年级学生用解析的方法予以求解。尽管如此，一旦气候学家试图在一个模型中加入许多气候变量，或者在一维以上的空间中进行模拟，其数学及其引起的电脑算法的复杂性将大大增加。如果将全球表面划分成大约四万个网格，计算每一网格几天的气候变化通常需占用现代超级电脑一个小时的机时。天气或气候模型中的初始方程通常表达了每一气候变量在时空上的连续变化。但电脑求解的实际方程只是上述初始方程的近似。试以温度为例，现代电脑并不去求解一个针对所有地方的温度的方程，相反，它采用的是逼近法，它从网格中取数，或者说是在离散的时空中取数计算。取数的阿格之间或者测量和计算时间之外的其他时间段的一些模型数据，就需用平均的方法求得。最新的方法已在网格点之间取得了更好的逼近效果。虽然一些局部现象，如湖泊、山谷及各场雷暴雨，可以改变