人类世造就“热室地球”

魏科

与地球46亿年的历史相比，人类短短300万年的历史犹如“一瞬间”，然而，就在这“一瞬间”，人类已将自己的印记深深“烙”在了这颗蓝色星球上。

地球迈入人类世

在2000年一个国际会议上，诺贝尔奖获得者、大气化学家保罗·克鲁岑，受不了主讲人反复强调地球正处于全新世（一个覆盖了从1.8万年前到今天的地质年代）的看法，提出了“人类世”的概念。

2002年，《自然》杂志发表了他的文章《人类地理学》，在这篇文章里，保罗·克鲁岑正式提出“人类世”的概念，并对“人类世”一词给出了具体阐释：“自1784年瓦特发明蒸汽机以来，人类的作用越来越成为一个重要的地质营力；全新世已经结束，当今的地球已进入一个人类主导的新的地球地质时代—人类世。”

“人类世”概念的核心在于，人类活动对地球的影响已经大大超过了自然变化的影响，尤其是自工业革命以来，人类在土地利用、建坝挖河、水资源利用等方面极大地改变了地球的面貌和环境，更为重要的是，人类活动改变了大气成分，化石燃料的巨量燃烧造成大气中温室气体浓度飙升，改变了气候变化的方式，地球的历史演变自此进入了全新的阶段。

在过去的300年间，地球面貌发生了翻天覆地的变化。全球人口增长了10倍以上，克鲁岑在2002年发表文章的时候，全球人口为60亿左右，而到2018年初，全球人口已经飙升到了74.4亿以上。因为化石燃料燃烧引起大气中温室气体增加，2002年，大气中的二氧化碳浓度达到370ppm（百万分之一浓度），比工业革命前高30%；到2018年中期，大气中的二氧化碳浓度达到410ppm以上，这比工业革命前高了45%以上，比过去80万年中的任何时候都高，甚至是过去300万～500万年以来的最高值。

克鲁岑把人类世的起始地质年代精确定为1784年，即从瓦特改良蒸汽机开始。而人类世的最后时限，应当是到人类自然消亡的那一天，这个时间长度目前未知，保守估计至少应该有数万年。

按照克鲁岑的说法，除非发生全球巨灾，例如小行星撞击、世界大战以及全球性瘟疫等，彻底改变全球的演变历程，人类将始终是影响地球未来环境的最主要因子，这一影响也许会持续很多年，因此在人类世里，科学家和工程师们任务艰巨，他们需要为人类寻找一条可以保持环境继续稳定发展的新路，毕竟在人类世里，一切都是未知，在地球历史上没有经验可供借鉴。

尽管围绕着人类世的概念还有很多学术争议，但是人类世的概念深刻影响了全球各界看待世界的方式。我国“黄土学之父”、已故著名地质学家刘东生院士指出：“人类世的提出是一个值得考虑的问题，因为它不仅是一个地质学分期的问题，同时还涉及到人在自然界的地位的问题和人类认识自己的问题。”

2011年5月，约20名诺贝尔奖得主向联合国提交《斯德哥尔摩备忘录》，建议将人类现在所处地质年代改为人类世。

2016年，《科学》杂志发表综述《人类世在功能上和地层上与全新世截然不同》，来自英国地质调查局的科林·沃特斯等人依据大量数据，提出人类世应该被认作是一个新的地质时间单位，其开始的时间应该为20世纪中期，即1950年左右，当时核能时代开始、人口膨胀、工业急剧发展、矿产和能源加快使用。人类活动给地球留下了无处不在而且持久的印记，与之前的全新世截然可分。

2016年8月29日，第35届国际地质大会在南非召开，会议正式通过“人类纪”“人类世”和“人类期”的概念，随着地质年表的修订，被世界公认的人类世彻底到来。

人类世的气候挑战

人类世概念的确定，标志着地球气候系统的演变再也不是纯“自然”的过程，人类活动不断参与气候系统的演变并起到重要作用。

根据对两极冰芯的分析，自从进入第四纪以来，随着地球轨道参数的变化，地球气候大概维持着10万年左右的周期，進行冰期-间冰期-下一个冰期……的循环演变。自从全新世以来，地球进入温暖的间冰期，高纬度冰雪消融，海平面上升，农业和生产工具不断进步，人类社会繁荣发展。

全新世里，人类成为地球系统演变里不可忽视的力量，甚至成为重要的改变因子。人类活动已经改造了至少50%的陆地表面，对生物多样性、土壤结构和气候都造成了重大影响。人类每年向大气排放1.6亿吨二氧化硫，这是所有自然排放量的两倍以上。人类燃烧化石燃料产生的氮氧化物总量，远远超过自然过程的排放量。人类活动引发的风化率比自然风化率高出一个数量级。更为重要的是，人类活动引起大气中温室气体数量飙升，目前大气中的二氧化碳浓度达到410ppmv（体积比，百万分之一），这比过去至少80万年中的任何时候都高，由此导致全球温度升高，目前的地球气温几乎和第四纪里间冰期的历史最高温度一样高。

2018年8月6日，由瑞典学者威尔·史蒂芬领衔，澳大利亚国立大学、瑞典斯德哥尔摩大学、丹麦哥本哈根大学和德国波茨坦气候影响研究所等研究机构的科学家共同撰写的文章发表在《美国国家科学院院刊》上，文章分析了人类世里地球气候系统的可能演变轨迹。他们指出，在全球变暖的过程中，地球系统存在不少的临界点，如果超过这些临界点，容易引起多米诺骨牌式的正反馈过程，突破一个个临界点，会使得地球气候系统脱离冰期-间冰期的旋回/循环，最终导致地球系统不可避免地滑入“热室地球”的深渊。在“热室地球”状况下，全球平均气温较工业革命前高4～5℃，这将超过数百万年间冰期的最高温，甚至比中新世时期的气温还高，海平面比今天高10～60米。

因此，伴随地球进入人类世，人类的第一生存要义就是摆脱“热室地球”的命运。

被触发的气候变化临界点

研究人员提出了以下至少10个可能加剧全球变暖的地球系统变化，包括：高纬度永久冻土消融释放甲烷和二氧化碳，海底甲烷水合物中的甲烷逸出，陆地和海洋储存碳能力削弱，海洋微生物呼吸作用增强，亚马孙雨林退化，北半球中高纬度针叶林退化，格陵兰岛冰盖消融，北极夏季海冰丧失，南极海冰减少，南极冰盖消退。

按照触发以上过程的难易程度，可以分为三档：

第一，1℃～3℃。全球增温在这个范围内时，容易引起夏季北极海冰消融、格陵兰岛冰盖消融、阿尔卑斯山冰川消亡、南极洲西部冰盖消融和珊瑚礁的白化。

第二，3℃～5℃。当全球增温达到这个强度时，可能会导致亚马孙雨林向草原退化、北半球中高纬度针叶林退化、季风区变化、全球海洋温盐环流变化。

第三，当全球增温超过5℃时，很有可能引起北极冬季冰雪量减少、高纬度永冻土消融并释放温室气体、南极洲东部冰盖消融等。

地球系统本身的演变包含着众多的正负反馈机制，人类每年通过燃烧化石燃料排放400亿吨二氧化碳，其中大约一半被海洋、树木和土壤吸收并储存。然而，我们正通过砍伐过多的树木、大量土壤退化、超量使用水资源，排放过量的二氧化碳，把自然系统的调节潜力推到极限，一旦越过极限，自然过程的作用就有可能发生逆转。

大规模热带雨林的存在，能够调整湿度和降水分布，即使系统短暂脱离平衡，也可以通过自身的调整恢复过来，从而使自身的生态系统达到新的平衡。然而如果气温持续升高，这种机制会慢慢变弱，一旦全球升温达到3℃，40%的亚马孙雨林可能会“顶梢枯死”，这一过程一旦开启就无法逆转，热带雨林会逐渐退化成稀树草原。在这一过程中会释放出大量的碳，必将进一步加剧温室效应。

冰雪在地球气候系统中起到重要的作用，南北极海上浮冰的存在，反射了80%的太阳短波辐射，调控着进入地球系统的能量，然而如果增温导致浮冰融化消失，太阳辐射会直接进入海洋，使得海水温度升高，进一步引起全球温度的升高，更高的升温反过来会造成更严重的冰雪消融，通过冰雪-辐射的正反馈机制，加剧全球增温。

据估计，到本世纪中叶，北冰洋夏季将出现没有浮冰的状况，届时冰雪-辐射的正反馈机制会推高全球温度的走势。

在俄罗斯、加拿大和欧洲北部等地区，永久冻土层内封存有大量甲烷和二氧化碳，甲烷所产生的温室效应能力大约是二氧化碳的25倍。一旦地球温度升高，寒冷地区的冻土融化，就会导致甲烷释放，而随着全球增温的加剧，高纬度的野火发生频次也在进一步增加，在极端情况下，也有可能导致大面积土地过火，从而引起冻土融化，释放甲烷，加大火势并使温室气体进入大气层，造成更强的温室效应。

森林和植物一直被看作是碳汇，随着大气中二氧化碳浓度的升高，植物的生长会更为茂盛，进而吸收更多的二氧化碳，然而這个关系并不稳固，随着温度的增加，过高的叶面温度会导致植物光合作用效率降低，并且随着温度增加，土壤中微生物的呼吸作用增强，这会把更多的土壤碳释放进大气。对于植物来说，更大的风险在于，随着温度增加、副热带地区降水减少及干旱区的扩展，北半球中纬度森林的南部区域容易受干旱的影响，从而导致植被退化，从针叶林转变为干旱的草原，这些都会降低森林和植物作为碳汇的作用，甚至出现反作用，成为碳排放的来源之一。

上述正反馈机制的临界点可能并不相同，有高有低，然而当一个临界点被触发之后，可能会像多米诺骨牌一样，一旦一张牌被推翻，就会推动地球系统朝向另外一个方向变化，而要阻止整排多米诺骨牌的倒下将异常困难，甚至是不可能的。当地球气候系统最终滑向“热室地球”时，地球上许多地方的宜居性将大打折扣。与此同时，洪涝地区的暴风雨强度和频次将大大增强，而全球范围内的干旱和酷暑也会更加剧烈，如果西南极洲和格陵兰的冰盖融化，大量淡水注入海洋，会导致全球海平面上升13米；而一旦东南极洲的冰盖融化，海平面还会再上升12米，这种结果是毁灭性的，因为全球三分之二的特大城市处于海拔低于10米的区域，全球80%的人口生活在距离海岸线100千米之内。

这无疑是一个可怕的前景，也是人类难以承受的。

摆脱“热室地球”

如果全球温室气体排放“一切照旧”，那随着全球温度的持续升高，气候系统的关键的临界点必然会被一一触发，最终导致“热室地球”的悲惨命运。因此，应对之策首先就是要改变原有的发展方式和生活方式，采取更加积极的应对策略。

目前，地球温度已经比工业革命前高1.1℃，并且依然保持加速上升的势头，这使得气候系统再难以恢复第四纪冰期-间冰期的旋回/循环。另外，我们要努力避免地球进入到“热室地球”中。让气候平衡到“企稳地球”的状态可能是我们目前唯一的选择，虽然这个状态也许不是气候系统内在的平衡态，但是在人类活动的参与下，有可能会实现这样一个稳定状态。在这个状态里，气温和海平面温度的数值几乎是冰期-间冰期旋回/循环里最高的，但尚未触发到各种气候临界点，从而保持了全球气候的稳定性。