汪品先：地球科学的历程——从现象描述到机理探索

一部地球科学发展史，其实也就是人类扩大视野的历史。

地球科学的用处，无非是资源与环境。从资源着眼，更多的是要面向过去，了解资源的形成；从环境出发，重点在于面向未来，预测环境的变化，尤其是灾害。20 世纪晚期以来，人类生存环境的压力剧增，地球表层流态圈层的定量研究快速发展。然而新世纪的研究越来越表明地球是个整体，需要站到地球系统科学的高度，跳出学科的分界，才能揭示地球系统运作的机制和演变的方向。

地球科学的理论探索

什么是地球科学的理论？从“板块理论”到“米兰科维奇理论”，地球科学的各个分支学科，各自都有自己的“理论”，但是有没有地球科学整体的理论？

我们知道，在地球科学历史上，确实出现过许多“定律”，为各自的学科发展作出了贡献。以地层学为例，丹麦的N. Steno 在1669 年提出：先形成的岩层位于下面，后形成的岩层位于上面，这就是著名的“地层层序律”；德国J. Walther 在1883~1884年提出：横向上成因相近且紧密相邻而发育着的相，才能在垂向上依次叠覆出现而没有间断，这就是著名的“瓦尔特相律”。这些现在看来“太简单”的定律，都曾经在学科建立的早期发挥过开拓作用。

地理学自从引进遥感技术之后，遇到了地理空间信息的新问题。于是美国的W. Tobler（1970）年提出了“地理学第一定律”，主张“万物皆相关联，但是近者比远者的相关度高”。乍看起来这是天经地义的一句哲学真理，其实却涉及空间距离的概念问题，什么叫“远、近”都缺乏定义，于是有人提出关于空间异质性问题的“地理学第二定律”（Goodchild，2004）。所有这些都关系到地理学上空间邻近度、甚至于“时空邻近度”的定义，属于地理学从定性人文科学转向定量自然学科时新产生的概念问题（李小文等，2007）。

覆盖面更大的，是美国的R. Fairbridge 在1980 年提出的“地球五大定律”。这位古环境地质学家很早就将地球环境演变作为整体来看，指出了调节地球环境演变的宏观因素，他将①太阳系变化，②银河周期，③月地演变，④生命演化和⑤动态平衡或者译为自我调节（homeostasis）原则，称作为五个“地球定律（Earth Laws）”（Fairbridge and Gornitz，2009）。这里所谓的“地球定律”实质上是分析古气候演变的控制因素，其中第五条涉及地球系统的演变规律，对于深入理解地球表层系统具有指导意义。这里“地球定律”的名称是否妥当姑且不论，Fairbridge 将地球系统放在太阳系、银河系的大框架里考虑，无论如何都标志着地球科学界宏观思维的一种进步。

其实地球科学的不同学科，各有各的定律，只是命名的方式不一。分析起来，往往是物理、化学等兄弟学科在地球科学中的应用。比如瑞典V. W. Ekman 在1902 年提出的埃克曼螺旋，C.-G. Rossby 在1940 年发现的位势涡度守恒定律，都是流体力学在大气、海洋科学中的运用，属于广义的地球物理范畴。地球物理、地球化学里的定律，本质上就是物理、化学在地球科学中的应用，古生物学也是生命科学向地质时期的延伸。

那么地球科学有没有自己的理论？“地球系统过于复杂，不大可能用牛顿定律或者门捷列夫周期表这样简明的基础理论加以概括，但是必然会有地球系统运行、演变的自身规律”（汪品先，2003），这种规律，可能就是地球科学所寻找的理论。

重大学术争论期望中的终点，应该是科学上重大的理论突破，但是突破的主题，不一定就等于开始争论的问题。回顾历史，19 世纪争论的起点是物种能不能变，而最后理论突破产生的是地球演化过程的“均变论”，远远超出了生物属种的范围；20 世纪争论的起点在于大陆能否“漂移”，而最后理论突破得出的“活动论”，囊括了深部过程和全球构造，也远远超越了起初的争论。同样，当前全球气候变化之争，也触动了地球科学中的一个根本问题，那就是地球表层圈层的相互作用，预期中的突破有可能就是地球系统的理论。当前的气候变化之争一旦提升到地球系统的理论高度，就可以发现：其实有关学术思想的萌芽，在学术界早已产生。

寻求地球系统科学的理论

当前“全球变化”的理论问题中，突出的是两个要点：一是生命活动能够产生气候效应，二是人类活动成为地质营力。在这两方面贡献最大的学界先驱，首推苏俄科学家、地球化学的创始人维尔纳茨基（В. И. Вернадский，1863~1945）。他是提出“生物圈”和“生物地球化学（Biogeochemistry）”概念，从化学角度将生物和地球科学联接起来的第一人。“生物圈（Biosphere）”的名词，最先是奥地利地质学家E. Suess 于1875年提出来的，指的是岩石圈上所有生物的总和；而维尔纳茨基将生物圈放在地球系统里，作为利用太阳能、运行地球化学过程的现生生物的整体。他所建立的生物地球化学，首次将生命活动视作地球化学过程，从而开拓了研究的新领域（Вернадский，1993）。

维尔纳茨基还和古生物学家、北京猿人发现者之一、法国神父德日进（T. de Chardin），以及法国哲学家E. Le Roy 共同提出了“智慧圈（Noosphere）”的新概念。但是与后两位不同，他还将地球的历史演变分为生命产生前的“地球圈”，生命产生后的“生物圈”和人类智慧作用下的“智慧圈”三个阶段，其中“智慧圈”与近年来克鲁岑（P. Crutsen）提出的“人类世”概念有异曲同工之妙。维尔纳茨基这些思想早在1920 年代就已经产生，但是因语言等障碍，直到20 世纪40 年代以后才为西方学术界所认识（如Vernadsky，1945，2006）。

20 世纪晚期，朝向地球系统科学的理论方向跨出的一大步，是“盖娅假说（The Gaia hypothesis）”的产生。60 年代美国准备探测火星，目标之一是探索火星上有没有生命，关于如何检验的方法众说纷纭，而英国化学家洛夫洛克（James Lovelock，1919~）力排众议、另辟蹊径，提出用火星的大气成分来检验有无生物存在。他认为，尽管地外生物的成分、结构都无从猜测，但凡是有新陈代谢的生命活动，必定会改变大气圈的成分（图12-4），为此提议用测量大气来检验火星是否存在生命（Lovelock，1965）。

生命活动和大气成分的关系，启发了地球演变理论的新思路。生命起源几十亿年来，地球的无机环境曾经多次遭受巨大变迁，太阳辐射量的增加、地球自身的地质变化，但是都没有毁掉生命存在的基础。无论大气温度还是海水的酸碱度，都只在某种范围内变动，始终保持着相对稳定而且适于生物圈存在，可见地球上的生命体和非生命体，形成了一个互相作用而有利于生命体的复杂系统。于是洛夫洛克提出了大胆的假设：认为地球本身就是一个具有自我调节能力的巨大有机体，并且借用希腊神话中地神盖娅（Gaia）的名字，称之为“盖娅假说”（Lovelock，1972）。这项假说得到了美国微生物学家L. Margulis 从生物学角度的支持和发展，正式为地球表层系统的演变提出了崭新的、也必然引起争论的盖娅假说（Lovelock and Margulis，1974）。洛夫洛克后来在科普性的表达中，又进一步把他的学说称为“地球生理学（geophysiology）”（Lovelock，1995），甚至于“行星医学（science of planetary medicine）”（Lovelock，2000），认为地球犹如有机体，出了问题能够治愈。

乍一看来，“盖娅假说”有点邪乎：地球怎么成了个生物？为了论证新假说的科学性，洛夫洛克做了个著名的“雏菊世界”计算机模型（Watson and Lovelock，1983）。“雏菊世界（Daisyworld）”是个最简单的假想星球，没有大气、没有地形、更没有动物，只有灰色的土壤和一种植物——雏菊。而且这小小的菊花还分白色和黑色两种：白色的反照率高、很少吸收阳光；黑色的反射率低、大量吸收阳光。计算机模拟从太阳光度的增强入手，在没有雏菊的星球上，温度随着光度上升（图12-5 红色线），而在雏菊世界里温度就会被雏菊调控（图12-5 蓝色线）。具体说来，太阳光度增强到一定程度时，就适宜于黑色雏菊生存，而黑色雏菊吸收阳光、增强了星球的升温；于是环境就变得适于白色雏菊生长，逐步排挤黑色雏菊，因为白雏菊的反射力强、使得温度下降。这时候，黑、白两色的雏菊达到平衡，通过两者间的消长保持着星球温度的大致平衡，也就是说太阳光度的增张会被白雏菊覆盖面积的扩张所抵消。如果太阳亮度再继续上升，超过了雏菊生存的温度极限，雏菊世界便告崩溃。这个“雏菊世界”模型被后人广泛采用和改进，用来模拟生物圈和地圈的相互作用，表明生物圈本身的变化可以对无机世界产生调节作用，使得环境适于生命的存在和演化，并不需要神秘的力量。 

 “盖娅假说”的提出，给地球科学和生命科学界同时带来了震动，尤其对当前人类生存环境的研究，产生了巨大的影响。从1988 到2006 年，在美国和西班牙举行过四届“盖娅大会（Gaia Conference）”，争论和发展盖娅假说。同时不出预料，盖娅假说也激起了众多的批评（如Kirchner，2003）。有人把盖娅假说分为软、硬两层，软的一层是指生物对气候的调控和生物圈与地圈的相互作用，这点已经证实、无需争论；而硬的一层指地球是个有机体，能够自我调节，这就成了争论的焦点。有人说这只能算个比喻，并不等于机制；有人质疑生物圈内如何能够相互沟通、共同调控环境。本书无意对盖娅假说进行评论，只是想从地球系统科学的角度，肯定盖娅假说是在理论突破上的一次重要尝试。到目前为止，认为整个地球具有自我调节气候能力的看法，仍是一个未经证实的假说；至于通过什么机制调节，那更是有待研究的主题。一种有趣的观点是生物群共生（symbiosis）的理论，这是前述共同提出盖娅学说的微生物学家Margulis 的主张，她的学生把“盖娅假说”比喻为“从太空看到的共生现象”，把整个地球上的生物圈全看成一个共生体。

总之，对于21 世纪气候变化的争论来说，地球表层系统的运作机制应该是它的本质问题，也是这场争论结果可以预料的归宿。地球科学历史上有过多次大争论，最近有人归为四次：地球年龄之争，大陆漂移之争，星体撞击之争和当前的气候变化之争（Powell，2014）。更有人把气候变化之争列为四百多年来物理学三大争论之一：17 世纪地心说与日心说之争，20 世纪相对论之争，以及21 世纪气候变暖之争，认为这类争论在时间尺度上都具有世纪规模，不能指望近期内能够结束（Sherwood，2011）。的确，地球表层系统过于复杂，仅从本书讨论的问题来看，想要建立一个能够解释其运行和演化机制的理论，还需要经过漫长的道路（《全球变化及其区域响应》科学指导与评估专家组，2012）。

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本文摘编自《地球系统与演变》（汪品先等著. 北京：科学出版社，2018. 6）一书“第12 章 探索地球系统的运行机制”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-057604-0

责任编辑：韩 鹏 孟美岑

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。本书是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，最后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。全书以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。全书版面活跃、形式新颖，各章均配有内容提要和思考题，适于地球科学各学科作研究生辅助教材使用；同时尽量反映国内外研究的最新进展，提供千余篇文献供读者追索，适于地球科学工作者或者关心环境变化的读者，用作拓宽知识领域、激活研究思路的参考书。

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（本文编辑：刘四旦）

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