地球与气候——板块、大气、季节

1.地球内部与板块运动

地球是半径约6,400 km的球体，从外向内分为地壳、地幔、外核和内核。我们生活的地壳像苹果皮一样薄；下面的地幔大部分是固体，但在极长的时间尺度上能缓慢流动。外核被认为是液态，内核是固态。人类并没有真的挖到地球内部去看，这些结构主要是通过分析地震波穿过地球内部的方式推断出来的。

地壳和地幔上部合起来的坚硬岩层（岩石圈）分裂成许多块，这些块叫板块。板块以每年几 cm 左右的缓慢速度移动。在板块与板块相接的边界，板块相互碰撞、分离或错动，地震和火山活动集中发生。喜马拉雅山脉就是板块碰撞隆起形成的。像这样用板块运动来解释地壳变动的理论，叫板块构造学说。

2.大气与水循环

包围地球的空气层即大气，其中氮气约占78%，氧气约占21%，其余是极少量的氩气、二氧化碳、水蒸气等。按照气温随高度的变化，大气分为对流层、平流层、中间层和热层。云和雨等天气现象大多发生在最下面的对流层，平流层中有吸收紫外线的臭氧层。

水吸收太阳能，从海洋和陆地蒸发，在高空凝结成云，再以雨或雪的形式降落，沿河流和地下水重新流回海洋。这个过程叫水循环。水蒸发时吸收的热，在形成云时释放到大气中，所以水循环还起着搬运热量的作用。这可以看作第5讲中讲过的物态变化和热量进出，在地球尺度上发生了。

3.天气和气候不一样

天气是特定地点、特定时间的大气状态。“今天首尔下雨，气温12 °C”说的就是天气。气候是一个地区在长时间里表现出的天气的平均趋势和变化范围，通常以30年的记录为基准。

所以，不能仅凭某年冬天格外冷，就说气候没有变暖；反过来，也不能只凭一天的炎热就谈论气候变化。气候要看几十年的趋势来判断。有人打比方说：天气是每隔几个小时就换的穿着，气候则是这个人的衣柜。

4.温室效应的原理

来自太阳的光主要是可见光等波长较短的光，大部分能穿过大气，使地表变暖。变暖的地表又向外释放能量，而像地球这样的温度下释放出的是肉眼看不见的红外线。大气中的水蒸气、二氧化碳、甲烷等气体吸收这些红外线后，再向四面八方重新释放，其中一部分返回地表。结果，地表附近能保持得更温暖。这就是温室效应。

温室效应本身是自然现象，对生命来说必不可少。如果没有温室效应，地球的平均气温估计只有零下18 °C左右，而实际平均气温约为15 °C。问题在于，燃烧化石燃料等人类活动使温室气体浓度升高，温室效应增强。这就是全球变暖。科学界根据观测资料和气候模型评估认为，人类活动是当前变暖的主要原因。

这个名字取自温室，但真实的温室之所以温暖，主要是因为玻璃挡住了变暖的空气、不让它散出去，所以它与大气的温室效应原理并不完全相同。

5.用数字看全球变暖

大气中二氧化碳的含量通常用 ppm（百万分率）表示。1 ppm 指每100万个空气分子中有1个。工业化以前，二氧化碳浓度约为280 ppm，由于使用化石燃料等原因持续上升，到2020年代已超过420 ppm。夏威夷莫纳罗亚观测站等几十年来用同一方法测量的记录，清楚地显示了这一趋势。

420 ppm 只不过是0.042%。为什么这么少的量也很重要？因为构成空气主体的氮气和氧气几乎不吸收地表发出的红外线，而二氧化碳会吸收红外线。空气中起这种作用的，只有水蒸气、二氧化碳、甲烷等少量气体，所以它们的浓度稍有变化，影响就很大。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估认为，2011~2020年的全球平均地表气温比1850~1900年高约1.1 °C。1 °C 多一点，放在一天的天气里是很小的差别，但这是整个地球几十年平均的数值，意义完全不同。即使是这种程度的变化，也已经观测到对热浪的频率和强度、海平面高度等的影响。

6.季节的成因——不是距离，而是倾斜

“夏天地球离太阳近，所以热”是一个流传很广的误解。地球公转轨道是非常接近圆的椭圆，距离差别很小；而且地球离太阳最近的时候，恰恰是北半球处于冬季的1月初。再说，如果是距离造成的，南北半球的季节应该相同，可实际上正好相反。

真正的原因是：地球的自转轴相对于垂直于公转轨道面的方向倾斜约23.5°，并保持这个倾斜绕太阳公转。北半球倒向太阳一侧的夏季，太阳升得高（正午太阳高度角大），相同面积上的阳光更集中，白昼也长。冬季太阳升得低，阳光斜射、铺得很开，白昼也短。这和手电筒垂直照在地上与斜着照在地上时亮度不同，是同一个道理。