地球實驗室

總序 激發出「半」個愛因斯坦 高希均 導讀 地球的捍衛者　　陳正達 　　　　作者序 史奈德 引言 尺度的問題 －－透過窗戶看世界，世界看起來會十分不同， 端看你選擇的窗戶大小。 第一章 生物與非生物的動態結合 －－生物和非生物以動態方式結合在一起， 織就了巨大且錯綜複雜的演化網。 第二章 氣候與生物的共同演化 －－氣候和生物彼此進行交互作用， 形成各種十分複雜的循環系統。 第三章 全球變遷的導因 －－有了模式，我們就擁有工具預測未來的改變， 並且能解釋過去所發生的重要事件。 第四章 模擬人為的氣候變遷 －－我們不希望以地球為實驗室， 所以就以模式為試驗場所。 第五章 生物多樣性與鳥類之爭 －－「人類排第一」到了最後， 肯定會變成「自然排最後」。 第六章 政策選項的整體評估 －－以整體評估作為分析工具， 決策者便能知道許多真實系統中的可能反應。 附錄 絕對地質年代表 　　　　名詞注釋 　　　　注解

生物和非生物的動態的結合 　　如果能乘坐時間機器，實地測量在過去漫長歲月中，地球自然發生的種種變化，並為這些變化一一訂出時間，我想任何地球科學家都會忙不迭抓緊這個大好機會。只要搭上時間機器，科學家便能一步跨越千年，在歷史中來回穿梭，觀看載著大陸的板塊在地球表面滑動，板塊的滑動不僅會改變大陸的位置、大氣的組成，就連過客般居住在大陸上的生命也會被改變。時間機器內的科學家能監看空氣、陸地和水體，看它們的變化如何影響生命演化；然而透過適當的角度，科學家也能觀察到生命回過頭來改變空氣、陸地和水體的性質。 　　有機和無機的世界是相連貫的，正如地球化學和生物學、地質學和氣候學都互有關聯一樣。在時間機器的尺度下，每件事物都處在變動之中，都持續不斷地改變；生物和非生物以動態方式結合在一起，織就了巨大且錯綜複雜的演化網。但如果從未經歷故事的神奇，觀察者恐怕無法輕易捕捉到這個原型，除非他們隸屬某個特殊團體，該團體能以嚴謹而洗鍊的方法，揭露歷史長痕中浮現出來的絕妙模式。這個團體以及它所使用的方法，就是今天我們所通稱的地球系統科學（Earth systems science）。 生物和非生物間動態結合的現象，在地質年代中不斷上演，但地質年代又長得令人難以想像，一千年眨眼即過，通常要像這樣眨好多次眼，地球的變化才足以吸引地質學家的注意。威爾斯（Wells, H. G.，康乃爾大學古生物家）筆下《時間機器》（The Time Machine）裡的人物，能夠目睹幾世紀以來人類文明的演化。如果生物學家、地質學家或氣候學家有機會乘坐更堅固的時間機器，往回航行更長的時間，而回到極遠的過去，便能親眼觀察生物的演化過程，以及生物與棲息地地球間的相互關係。 　　生命萌芽的年代可能是特別值得造訪的時期，那大約是三十五億年前，也就是我們現在所稱的太古時代（Archean Age）。我們也許因此有機會解開一個重大的科學謎題，那就是全球增溫以及人類無心的實驗所引發的地球危機，這個謎題不僅有關地球系統科學，也是現代熱門議題的中心。 　　我們很可能看到太陽自天空的雲層後方升起，高聳的火山冒著白煙，海浪輕輕拍打在一片不生樹、不長草的光禿平原，岸邊則矗立著外型奇特、寬數公尺、狀似蘑菇的岩石。我們如果沒有先為眼睛和皮膚做好適當的防護，恐怕沒有膽量冒險踏出時間機器半步，因為危險的高強度紫外線輻射正在外面伺機而動。不論生活在陸地或空中，任何已知的生命形式若暴露於這種環境，其長期生存都會受到威脅。除了保護眼睛和皮膚，我們還得戴上氧氣罩，因為那時的大氣主要由二氧化碳組成，雖然也有一些氧氣，但濃度大約只有現在的十億分之一。 　　時間機器外的氣溫很高，約攝氏三十八度（華氏一百度），但正午的太陽和我們所習慣全新世間冰期（Holocene interglacial，即目前的地質時代）的太陽相比，則顯得比較陰暗，也略小一些。太陽能電池板接收到的能量大約是六百瓦，與現在相比，少了百分之二十五左右。 三十五億年前的太陽比現在的小一些。 　　然而這是為什麼呢？如果將核子物理學應用到太陽燃燒的過程上，核子物理學將會告訴我們，當太陽發生熱核反應時，氫原子會轉變為氦原子，同時太陽本身會變得較大，也較明亮。大部分科學家都認為，大約四十五億年前地球形成至今，太陽的光度約增加百分之三十，而過去六億年間則增加了百分之五。過去六億年正是生命快速演化的時期，我們今日從岩石中挖掘出的化石，便是當時生命演化所留下的難以磨滅的遺跡。　　 ■超溫室效應 　　如果把今天太陽帶給地球的熱量阻斷百分之二十五，絕大多數氣候學家必然會肯定地說，地球將陷入極低溫的狀態。但是太古時代卻明明很溫暖，一點兒也不寒冷，別忘了，我們乘坐的時間機器外，溫度計顯示著熱烘烘的攝氏三十八度。 　　這種邏輯上的兩難，就是眾所周知的「早期微弱太陽的矛盾」（faint early sun paradox）。一九七○年，康乃爾大學的薩根（Sagan , Carl ,1934-1996）和馬倫（Mullen ,George）提出一項假設，試圖解決這項矛盾，他們的假設被稱為「超溫室效應」。薩根和馬倫認為，甲烷和氨這兩種氣體，能非常有效地保留地表附近大氣層內的紅外線輻射，而且在太古時代，大氣中這兩種氣體的含量，正好足以彌補太陽能的不足，因此能維持地球的氣溫。 　　批評者將薩根和馬倫的構想譏為空想，因為甲烷和氨的化學活性很強，在大氣中的生命期很短，得隨時補充才能維持一定的濃度，不巧的是，能為大氣補充甲烷和氨的應該就是生命。那麼，甲烷和氨又是如何維持較高的濃度，使地球保持溫暖，讓生命得以延續呢？我們無從得知，這也正是對地球充滿好奇的人們，為何對時間機器這麼感興趣的原因。 太古時代的甲烷和氨是不是由生物活動所製造的？這個問題至今仍沒有答案，但大部分科學家還是接受薩根和馬倫的基本想法，只不過做了一點修正。現在的科學家認為，二氧化碳才是當時主要的超溫室氣體（super greenhouse gas），而不是甲烷和氨。直到今天，我們仍深受這項理論影響：如果二氧化碳曾在太古時代使地球維持高溫，那麼同樣的歷史是否會重演呢？ 要回答這個關鍵性的困難問題，我們得先了解影響大氣組成及結構的各種過程。 就科學來說，了解的東西愈多，並不代表能確定的事情也愈多，至少一開始的時候都是如此，一個問題的答案才剛被找到，往往又會馬上引發出另一個問題。以現在這個例子來看，如果太古時代的二氧化碳真是現今濃度的數百倍，而且也的確是讓氣候保持溫和的原因，那麼，在接下來的三十億年間、太陽的亮度增加大約百分之二十五的同時，又是什麼因素使氣候不至於過熱呢？ 有兩派理論為這個問題提供了答案（兩種都還只是假說，而且有時會相衝突）。一派理論認為，無機的地球化學作用會移除大氣中多餘的二氧化碳，並控制溫度；另一派理論則認為控制二氧化碳和溫度的，是會移除二氧化碳的生命活動；又或者，化學作用與生命活動共同控制了溫度與二氧化碳。不論答案為何，這兩派理論都是以負回饋（negative feedback）過程為基礎。 所有溫血動物都具有維持體內穩定的負回饋機制，其中也包括人類在內。人類本身便是生理學家所稱的「內環境穩定系統」（homeostatic system）：當體溫變得太高，我們會流汗以便降低體溫，這是一種負回饋，也是穩定回饋（stabilizing feedback）；當體溫變得太低，我們會打哆嗦，這是加快身體新陳代謝速率及產生熱能的機制，同樣是一種穩定回饋。 氣候系統內也有許多回饋作用，有些作用使氣候維持穩定，就好像維持恆溫的溫度自動調節器，但有些作用卻會反過來破壞氣候的穩定。舉例來說，當地球溫度升高時，落雪和冰塊會如何變化呢？有些冰雪會融化，結果原本明亮、雪白、能反射光線的冰雪，被翠綠的樹木、棕色的塵土、或藍色的海洋所取代，它們的顏色都比雪地深，所以會吸收較多光能。因此不管用什麼方法，我們只要把地球的溫度提高一點點，使一些冰雪融化，屆時地球將吸收更多陽光。這個回饋作用將加速地球增溫的現象，為一種正回饋（positive feedback）。但是接下來，當更多水分因增溫現象而蒸發，並在空中凝集成雲時，顏色較淺的雲會把較多的陽光反射回外太空，緩和太陽對地球的加溫作用，則成為一種負回饋。 讓我們回到移除二氧化碳的爭論上。一九八○年，三位密西根大學的教授：沃克（Walker, James）、海斯（Hays ,Paul）和卡斯汀（Kasting ,James），針對地球化學作用控制大氣二氧化碳濃度的模型，提出一項「風化─氣候穩定回饋系統」（weathering-climate stabilizing feedback system）的假設，此假設被他們的同僚命名為ＷΗΑΚ，是取三人姓氏的第一個字母縮拼而來的。這三位教授認為，當氣候變得溫暖，就有更多水分蒸發，連帶降水量（precipitation）及逕流（runoff）也會增加，導致水循環（hydrological cycle）進行得更為劇烈。 ＷΗΑΚ機制在數千萬至數億年的時間尺度下運作，本身並無法解釋短時間內的二氧化碳變化。對於恐龍全盛時期極度溫暖的氣候，以及約兩萬年前距今最近一次冰河期極度嚴寒的氣候，則要靠短期的二氧化碳變化才能解釋。我們稍後再討論這個主題。 大氣中二氧化碳濃度高，便會與雨水混合形成含碳酸的逕流，成為一種會導致風化現象的液體；當降水量增多，地表的礦物質就會暴露在大量的風化液體之中。在ＷΗΑΚ提出的風化過程中，矽酸鈣與矽酸鎂等礦物質會與大氣中的碳結合，降低空氣中二氧化碳的濃度，並將碳元素留在沉積岩裡面，例如以碳酸鈣的形式留在石灰岩內，或以碳酸鎂的形式留在白雲石中。大氣中二氧化碳的濃度降低，意謂著溫室效應減弱，因此在整個地質年代中，太陽照度變強所產生的效應，便被這種無機的負回饋過程抵銷掉了。　　 ■大地之母存在嗎？ 當太陽愈來愈明亮，太古時代大氣中高濃度的二氧化碳如何被除去？關於這個問題，還有第二類答案，這類答案是以生物作用為理論基礎，其中一項生物負回饋機制，是由英國科學家兼作家洛夫洛克（Lovelock ,James, 1919-）提出的「蓋婭假說」（Gaia hypothesis），試圖解釋生物如何成為整個地球的自動負回饋控制系統。「蓋婭」原本是希臘語，意思為大地之母，洛夫洛克接受作家鄰居戈爾丁（Golding ,William, 1911-，一九八三年諾貝爾文學獎得主）的建議，採用這個名字。蓋婭假說認為，地球的大氣層是生命本身不可或缺的一部分，具有調節作用，數十億年來，生命控制著大氣層的溫度、化學組成、氧化能力、以及酸鹼度等特性。 科學家起初並未把蓋婭假說當一回事，直到現在仍多有批評，但蓋婭假說的支持者斷言，生命主動操控著地球的環境。洛夫洛克提出的機制建立在一項假設上：在二氧化碳濃度較高的環境中，行光合作用的微生物（如植物性浮游生物）生產力旺盛，因此能快速（以地質年代的時間尺度來看）移除空氣和海洋中的二氧化碳。在這些微生物死亡後，它們由碳酸鈣組成的外殼便沉到海底，相當於二氧化碳變成了碳酸鈣沉積物。 長久以來，洛夫洛克和微生物學家馬古利斯（Margulis ,Lynn, 1938-，《演化之舞》作者）一直主張：如果不是有生命存在，地球應該會像姊妹行星火星和金星一樣，被主成分為二氧化碳的大氣所環繞。洛夫洛克與馬古利斯認為，這種富含二氧化碳的大氣將產生強烈的溫室效應，會使氣溫比現在高出攝氏六十度左右，這種高溫足以烤乾地球。 批評者反駁道：在地球能支持生命存活的歷史中，極晚才演化出植物性浮游生物，那麼，移除二氧化碳的生物機制，如何在「不久」之前（也就是過去數億年）解決「早期微弱太陽的矛盾」呢？一位支持蓋婭假說的人士指出，幾乎在生命起始之初，藻類就已經存在於海洋，它們所製造的固態物質裡很可能含有碳。的確，當我們乘坐時間機器造訪太古時代的海邊時，曾看到許多蘑菇狀的疊層岩。行光合作用的藍綠藻居住在自己所分泌的堅硬含碳物質中，它們的群體便形成了疊層岩。我們現在也還看得到這些藍綠藻的後代，最有名的地點便是西澳大利亞的鯊魚灣地區。 疊層岩出現於演化史的年代，要比恐龍滅絕的年代早五十倍之久。產生疊層岩的生物可能曾經大量存在，足以在漫長的地質年代中，除去多餘的二氧化碳。然而，沒有人實際定量過，這個議題仍有待討論。 有時會有全新的理論出現，使原本相衝突的假說得以並行不悖，這些相衝突的假說也就是哲學家孔恩（Kuhn ,Thomas,1922-1996）所說相互衝突的典範。就我個人的看法，現在要斷言蓋婭假說是否真確還言之過早，不過這個假說的支持者，的確提出了某些巧妙且具原創性的想法，能支持氣候變化係受生物調控的假設，並解釋早期微弱太陽的矛盾。舉例來說，霍華德大學的施瓦茲曼（Schwartzman ,David）教授和紐約大學的伏克（Volk ,Tyler）教授兩人，便提出一項完全脫離傳統認知的假說（圖一．一）。 他們認為，太古時代的氣溫既非酷熱，也非嚴寒，相反地，他們認為只有當非生物因子使地表溫度下降到足夠低的「低溫」（約攝氏六十至七十度，或華氏一百四十至一百六十度），使原始細菌能夠生長之後，蓋婭假說的機制才開始控制氣候的變化。經過後續數十億年的生物演化，在距今數億年前，地球表面終於出現花草樹木的蹤影。生物的演化日漸蓬勃，消耗掉大量二氧化碳，連帶結束了超溫室效應。隨著漫長的時間過去，地球溫度逐漸下降，更多的生物形式得以存活，這些新生物陸續加入大地之母的行列，進行移除二氧化碳的負回饋作用。 伏克和施瓦茲曼針對前述有關二氧化碳移除的過程，提出一項特殊的機制，稱為「風化生物促進作用」（biotic enhancement of weathering）：土壤內的生物相會增加礦物質與風化化學物質的接觸面積，因此和沒有生物存在的無機過程比起來，等於是大大加速了二氧化碳移除的速率。提出這項重要想法的學者承認，在他們的理論和地質學事實之間，有一項嚴重的矛盾：有明顯的證據顯示，從十億年前到現在這段期間，岩石表面有多次被物體刮擦過的痕跡，就和現今冰河刮擦岩石所留下的痕跡類似。因此，傳統地質學的認知認為，地球過去曾經歷多次冰河時期，如果這是事實，那麼從太古時代到約六億年前複雜的生物演化出來為止，這段期間的氣候勢必不曾如蓋婭理論所假設的那麼炎熱。然而，新蓋婭理論的支持者卻像優秀的審理律師一樣，使勁兒地為與蓋婭理論相抵觸的證據尋找其他的解釋。以前述的矛盾來說，施瓦茲曼和伏克便將岩石表面受到刮擦留下的痕跡，解釋為是來自外太空物體如隕石、小行星等撞擊地球之後，其殘骸破片在地球表面移動所造成的。 二氧化碳移除和古氣候的問題一直惹人爭論，相對於此，有關空氣中最為重要的物質「氧氣」是由生物所製造的這一點，倒是沒有人懷疑。光合作用利用太陽能，將二氧化碳和液態水轉變為碳水化合物及氧分子，其逆反應則是呼吸作用和腐敗作用。在呼吸作用和腐敗作用中，碳水化合物和氧氣結合，釋出熱，並產生二氧化碳和水蒸氣。光合作用以太陽為能量來源，打破無機的二氧化碳分子，產生有機的碳水化合物以及氧氣；相反地，呼吸作用和腐敗作用則是藉著氧氣，釋放出碳水化合物分子鍵結所儲存的化學能。 生物量所含的能量提供溫血動物體內的熱能，也使木材能夠當燃料燃燒，另外也說明了化石燃料為何能提供能源。化石燃料都是有機物質的化石遺跡，裡面具有含碳的有機分子，蘊藏著遠古時代的太陽能，這些太陽能將當時的二氧化碳轉換為植物，而植物則藉由某些方式，逃過正常的腐敗分解過程（腐敗分解是絕大部分生物死亡後都會面臨的命運）形成化石。也就是說，化石燃料裡的碳原子被保留住且化石化了。 生物之所以能逃過腐敗的命運，通常是因為死後即被深埋在缺氧的環境中（例如淺淺的內陸海底），接著被固定、壓縮，經過長時間後，其中有機碎屑經過化學作用轉變成化石燃料，如煤炭、石油、甲烷（即天然氣）等等，我們現在燃燒煤炭，其實就是將恐龍時代保留在有機化石內的二氧化碳和太陽能重新釋放出來。煤炭要經歷數百萬年才能形成，但人類只花了數十年，就將二氧化碳及其他埋藏的化學元素釋放殆盡。人類如此加速釋放二氧化碳與化學元素的過程，造成最嚴重的全球問題，同時也是氣候學家和生態學家最憂心的事。 不過在科學家能夠明智地辯證我所提出的問題之前，他們需要定年的方法，確定岩石的絕對年齡，也就是岩石形成的年代；並且依照岩層的上下位置，確定各岩層比較上的年齡，即相對年齡。　　 ■為古老的地球定年 人類並非一直認為地球已存在數十億年之久。 一七○○年代，法英兩地的人對地球的年齡有極大的爭論，起初是神學家和科學家僵持不下，接下來即使是科學家本身的意見也頻頻相左。最早為地球訂定絕對年代的是神學家，而且凡是對此提出質疑的，都被視為異端。一六五四年，亞爾馬（Armagh）地區的愛爾蘭大主教尤薛爾（Ussher ,James）根據聖經的內容指出：上帝於公元前四○○四年十月二十六日上午九時正創世。早在十九世紀初，大部分地質學家就已經清楚地知道，尤薛爾主教為地球訂定的年代是錯的，而且還錯得離譜。 一七○○年代，蘇格蘭地質學家赫頓（Hutton ,James,1726-1797）以及當時的人都認為，地球表面受各種物理及化學作用影響所形成的地貌，已經清楚地證明地球至少有數千萬年的歷史。他們的估計是根據地質學定律中的均變說（uniformitarianism），均變說是相對於災變說（catastrophism）的定律，它主張過去的地質作用和現今的地質作用完全一致（在接下來的文章中，這個概念還會不斷被提出來討論）。舉例來說，赫頓強調黏土和粉砂在河口處的沉積方式是值得注意的，藉著觀察新形成的各層沉積物，以及這些沉積物硬化形成頁岩和粉砂岩的過程，就可以推估古老沉積層的形成大約需要歷經多少時間。假設過去數百萬年來，同樣過程的沉積作用一直在進行，赫頓就能測量相近地層的年代，然後得到地球的大概年齡。這種定年方法是以岩石沉積當作定年的指標，然而決定這項指標的，卻還有許多太過複雜而無法測量的變數，像是氣候的變化和陸地海拔高度的不同，都可能影響侵蝕作用和沉積作用進行的速率。 圖一．一是用現代定年方法所建立的地質年代表。有一點應該先知道：十九世紀時，地質學家還無從得知岩石的絕對年齡，於是發展出岩層具相對年齡的概念。新岩層逐漸在古老的岩層上方形成，這個假設稱為疊積定律（Law of Superposition），多數時候這個定律都成立，但有時並非如此。 地質學家發展出一套命名系統，描述不同岩層的組成和年齡。這套系統包括時間分界，以及各段時間內沉積形成的岩石的名稱，其中，各時段為地質年代的簡單劃分。過去六億年中，「最近的」地質年代包括三代（era），分別為古生代（Pleozoic，五億七千萬至兩億兩千五百萬年前）、中生代（Merozoic，兩億兩千五百萬至六千五百萬年前）和新生代（Cenozoic，六千五百萬年前到現在）。 大部分的生命形式都在新生代中演化出來，各種生命形式所遺留下來的化石，經常被用來決定相對年代。地質學家根據化石，在「代」當中細分出紀（period）和世（epoch）。我們已經知道許多生命演化的步驟，也就是不同動、植物出現的先後次序，因此根據岩石中的化石種類，就能判定各岩石的相對地質年代。由另一個角度來看化石也同樣重要：比對採自不同地區的化石，找出具有相同的化石的地區，就能夠回溯過去大陸在地球表面移動的情形。此外，後續的文章將提到，化石也是判斷過去氣候相當有用的指標。 十九世紀地質學家所訂定的地質年代順序，已經解決大部分有關相對定年的問題，但絕對定年的技術仍有待找尋。找出一具可靠的鐘來重建地質日曆，成了一項重要的課題。　　 ■凱文定年法 在尤薛爾宣告地球的年齡兩百年之後，科學家凱文（Kelvin ,Lord, 1824-1907）嘗試以科學的方法和推理，有系統地歸納出另一個答案。 凱文是維多利亞時代格拉斯哥大學的自然哲學教授，也是當時最具影響力的理論物理學家。他利用當時已知的熱力學原理來斷定地球的年齡。藉著觀察由地球內部深處流出的熔岩，以及過去深入地底礦脈的探勘活動，凱文了解地球內部的溫度遠高於地表。他希望藉著考察所謂的地熱梯度，也就是地表和地球內部之間的溫度變化，能推斷出地球的年齡。凱文假設地球最初是一塊熔融的星體，溫度大約是攝氏三千八百五十度（華氏七千度），經過計算，凱文認為地球的地熱梯度若要達到現在的數值，需要花上一億年的時間。他肯定地說，這就是地球的年齡。 凱文的估計在理論物理學家和地貌學家之間，引發了一陣爭議，理論物理學家支持凱文的看法，地貌學家則不表苟同。地貌學家以均變說為基礎，計算出形成幾種特定地貌所需要的時間，並因此認為，地表的某些特徵，說明地球遠比一億年更古老。然而，他們也無法證明這些地質特性所指出的年代確實超過一億年，因此許多理論物理學家拒絕考慮地貌學家的論點。這一回，物理學家所提供的新知識，其實更增添科學家對地球絕對年齡的不確定感。不過，這種不確定的情況只持續了數十年。 有時候，新的科學見解或發現會引導出修正的典範，並能整合相衝突的理論和觀察。在地球年齡的爭議中，情況是這樣的：一九○○年左右，人類發現放射性物質，於是有關地球年齡的問題變成可以探討的議題。凱文並不知道地心還有放射過程所額外釋出的熱，如果他將這一點考慮進去，就能夠使估算的數值更接近地質學家的最佳猜測（地質學家將均變說用於地貌的演化，進一步推估出地球年齡）。當地質學家進行絕對定年的工作時，放射性物質也提供了必要的獨立基準。　　 ■放射性定年法 放射性原子會隨著時間衰變，而且除非該原子以幾近光速的速度運動，否則衰變速率是穩定不變的。實質上，放射性原子的衰變速率不因壓力或溫度而改變，也不因原子所在物質（如岩石、水或空氣）的物理性質改變而有所變化。放射性元素會自然散發質量和能量，進而衰變為其他元素〔稱為子元素（daughter element）〕和粒子。放射性元素的衰變速率是以半衰期來表示，在放射性元素原有的原子中，半數衰變為子元素所需花費的時間就稱為半衰期。 如果我們知道子元素以何種固定速度形成，那麼要斷定岩石的年齡，只需要再知道原始元素和子元素之間的數量比例即可。由於這項知識，科學家能計算出含有原始放射性元素的礦物在何時形成。以岩石的放射性衰變為準則，地質學家和地球化學家便能斷定岩石以及地球各岩層的絕對年齡。科學家已經找到能成為可靠時鐘的元素，並應用於這項被稱為放射性定年法的技術上。 被用來為岩石定年的放射性元素有幾種，其中包括：半衰期在七億至四十五億年間的鈾，會衰變為鉛的同位素；另外還有銣，半衰期為五百億年，會衰變為鍶；鉀，半衰期為十三億年，會衰變為氬。 一九○○年至一九三八年，科學家初步以放射性定年技術進行實驗，但因為分析方法較粗糙，對牽涉其中的核反應也了解不夠，所以研究受挫。但他們仍舊測量出鈾礦中的鉛鈾比例，以及不同岩石和礦物內的氦鈾比例，並藉此做出一些粗略的估計。 由於半衰期很長，銣鍶法和鉀氬法能應用的地質年代範圍，橫跨了整個地球的歷史（現在認為大約四十五億年），因此為最可靠的方法之一。反之，發生在過去數千年中近期的事件，就得靠半衰期較短的放射性元素來定年。　　 ■放射性碳定年法 一四四七年，美國化學家利比（Libby ,Willard）找到一種不可或缺的定年方法。於是，氣候學家、海洋學家以及考古學家，便能精確地重現過去的氣候變遷、地質事件、以及動物和人類文化的演化。利比和他的合作者找到一種方法，能夠為過去四萬年內死亡的動植物殘骸定出年代，包括木材及其他的植物殘骸〔如泥炭層（peat bed）〕，或是海水及淡水貝類留下的貝殼等等。另外，利比也能估計含碳的地下水及海洋的年代。 碳十四（C14）是碳元素三種天然同位素中的一種，在大氣、海洋及生物圈中的蘊藏量頗豐富。碳十二（C12）和碳十三（C13）是碳的穩定同位素，碳十四則是不穩定的。然而，源源不絕的宇宙射線（cosmic ray）打到大氣中的氮分子時，氮分子會轉變為碳十四。因此，雖然碳十四的性質不穩定，在大氣中仍能夠維持一定的濃度。（太陽活動的變化的確會使碳十四的產生發生變化，但這並非使用碳十四定年時的主要障礙。）經由光合作用，大氣中的碳（當然也包括碳十四）就轉變為有機的碳化合物。 當植物還活著的時候，植物組織內碳十四的含量會維持相對的平衡，因為植物行光合作用時，會由大氣中的碳得到碳十四。動物則因為以植物為食（不論是活的植物或是死去沒多久的植物），或以草食性動物為食，所以體內碳十四的含量，也幾乎能和大氣維持平衡。但是，當植物或動物死亡後，牠們組織內的放射性碳十四便開始減少，因為已經無法再補充新的碳十四了。 碳十四和其他所有的放射性元素一樣，也有半衰期。碳十四的半衰期為五千七百五十年；也就是說，要經過五千七百五十年的時間，半數的碳十四原子才會完成放射性衰變。既然衰變的速率不受外在環境影響，碳十四在特定樣本中消失的速率，應該就只和它在該樣本中的時間長短有關。因此，科學家藉著測量樣本中碳十四的相對量，就能斷定該樣本的年齡。 氣候學家採用碳十四定年法，並結合記錄岩層內化石的傳統技術，建立了氣候變遷的年代表。科學家挖出深埋在大團冰塊下的樹木樣本，再用碳十四定年法推斷樹木的年代，便可重建大陸冰河向前推進的年代表。另外，沼澤地的泥炭樣本或湖邊的浮木，若同樣以放射性碳定年法定年，也能得到冰河作用的時間表。深海沉積物中，各種浮游動物外殼裡的碳十四含量，能讓我們知道海洋發生變動的時間，因為海洋的情況會直接影響每種動物的數量。如此一來，我們便能推測海洋的溫度及相關的氣候狀況。 氣候學家已經能夠應用利比的定年方法，取得過去四萬年內全世界的氣候概況。由穴居者壁爐邊取得的木炭，經由放射性碳定年，有助於人類學家描繪人類的歷史，以及人類歷史和氣候變動的關係。　　 ■氧的來源 有關生命影響大氣的過程，化石碳的埋葬是很重要的一件事，這不僅是因為我們預期化石燃料的燃燒，將造成二十一世紀全球增溫的環境危機，更重要的是，碳的埋葬也是氧氣累積過程的一部分。 生長在海洋中的藻類，已經連續製造了十億或二十億年的氧氣，但是氧的 化學活性很強，古代海洋中又有許多還原態的礦物質（例如鐵，它一旦遇到氧就很容易氧化生銹），因此生物製造的氧氣大多輕易地就被用完，根本來不及跑到大氣中，更何況，氧在大氣中的化學活性也很強。因此，大部分地質學家都認為，在地球上存在有生命的這段時間裡，前半段時間內大氣中氧的含量，只是今天極小的一部分而已。雖然在那段無氧的時光中，演化過程已經「發明」出更複雜的生命形式，但新的生命形式卻也很難嘗試到陸地或空氣中生活。這並不只因為空氣中沒有氧氣供牠們呼吸，更糟糕的是，來自太陽的紫外線沒有經過任何過濾，足以殺死登陸所需的突變，使生物來不及演化成為能夠脫離水生活的生物。 地質化學家提出，一直到距今二十億年前，海洋中大部分的還原態物質都被耗盡後，大氣才慢慢累積了較多的氧氣。對於那些剛演化出來、製造能量時需要消耗氧氣以進行有氧代謝作用的生物來說，這無疑是為牠們開闢了一塊新的生態區位（ecological niche）。　　 ■臭氧的救贖 對那些嘗試在陸地或空中生活的新生命形式來說，大氣中出現氧分子還提供了另一項很大的好處：能過濾對生命有害的紫外線輻射。 紫外線會破壞許多分子，例如遺傳物質ＤＮＡ。也因此，有項道德禁令禁止製造惡名昭彰的人造氟氯碳化物（chlorofluocarbons, CFCs），因為該化合物會使平流層的臭氧枯竭。氧氣分子（O2）含有兩個氧原子，經過紫外線照射後，便會分裂為極不穩定的氧原子，接著氧原子再回過頭和氧氣分子結合，就形成了非常特別含三個氧原子的分子（O3），也就是臭氧。陽光中的紫外線大都能被臭氧吸收，但除非大氣含有足夠的氧氣，否則也就無法製造足夠的臭氧，讓生命在陸地上「立根」或「立足」。 生命由原核生物（prokaryote，無細胞核的單細胞生物）發展到真核生物（eukaryote，具細胞核的單細胞生物），再由真核生物發展到後生動物（Metazoa，多細胞的生物），這段進展快速的演化過程，大約就發生在過去十億年間，此時也正是大氣同時開始存有氧氣和臭氧的時代，這一點，應該不只是巧合而已。　　 ■火山氣候與大陸漂移 我們不要以為在氧氣出現、二氧化碳消失的過程中，地球的氣候是一成不變的，當然也並非均勻改變（圖一．一）。生物由單細胞的細菌或藻類演化到霸王龍的過程，可說是生物演化的大爆發，在這段時間內，地球氣候及大氣組成都不停地變動。大陸漂移並相互碰撞，高山隆起又被風化侵蝕，中洋脊的火山激烈而持續地噴發，海底於焉形成。 構成海底的物質，其密度要比構成大陸的來得大，當大陸彼此碰撞時，海底便沉到大陸板塊下面，在地質學上這稱為隱沒作用（subduction）。位於太平洋的「火緣」（Rim of Fire）就是一個很有名的隱沒帶（subduction zone），這兒剛好是兩個漂移的大陸板塊交接的地方。大陸板塊的滑動與相互擠壓，正好可以解釋火緣上各地區頻繁的火山活動及大地震，這些地區包括日本神戶、阿拉斯加的安克治、舊金山、洛杉磯、庫頁島以及墨西哥城。 我先前曾經提過，風化岩石內的某些礦物質，會與大氣或海洋系統中的碳結合（有時是透過生物作用而結合），而後變成沉積物被埋藏起來，這些沉積物也會隱沒到大陸板塊之下，被擠壓到大陸底下。進入地表下面岩石圈（lithosphere）的物質，並非再也回不到大氣圈，相反地，藉著火山裂口接連不斷湧出的熔岩流，以及偶爾發生的劇烈噴發，「固態」地球的上層中確實進行著某種循環過程，使隱沒物質可以重返大氣和海洋。整個循環過程以非常緩慢的速度進行，一次循環可能要花上好幾億年的時間才能完成。循環物質經由火山噴發而排出的過程稱為沉積循環（sedimentary cycle），沉積循環與二氧化碳的移除及氣候穩定的維持也有密切的關係。　　 ■向前漂移 一九六○年代，大陸漂移的概念雖然還有許多不確定的地方，不過已儼然成為一種新的典範，使地球科學產生了革命性的變化，當時不論是地質學家或地球物理學家，大都能接受大陸漂移的基本原理。然而，這項概念的原始創見第一次以科學的態度被提出來，卻是在十九世紀初，提出這項創見的就是德國氣象學家兼地球物理學家韋格納（Wegener ,Alfred ,1880-1930）。 如果人們的想像力夠強，在韋格納之前數個世紀，大陸漂移應該早就已經成為流傳甚廣的想法。當舊大陸和新大陸的地圖描繪出來時，地理學家注意到一個現象：某些大陸的形狀，就像剛好吻合的兩塊拼圖，能夠密合地拼湊在一起：南美洲和非洲就是典型的例子。另外，在整個十九世紀中，地質學家不斷地在不同大陸彼此位置相對應的地方，發現類似的岩石、礦層、化石和其他不尋常的一致之處。舉例來說，南半球的大陸都留有二疊紀冰河作用的遺跡，像是南美洲和非洲：現在的南美洲和非洲之間雖然有海洋相隔，不過卻不免讓人懷疑它們從前可能曾經相連接，在南極附近構成一塊巨大的大陸，並為冰河所覆蓋。現在，這塊可能曾經存在的巨大陸塊，被授予剛得瓦那古陸（Gondwanaland）的封號。 大陸曾經相連的證據之一，是岩石上形式相近的溝痕，那可能是冰河拖著巨礫在岩石上經過時所留下的痕跡。藉由這些溝痕，科學家已經能夠斷定古冰河行進的方向。 存疑者對於這類證明以及這類證明所支持的理論深感不屑。一九二○年代，美國哲學學會會長公開宣稱大陸漂移為「糟糕透頂的荒唐事」，接著，這種情況便一直持續到第二次世界大戰之後。二次世界大戰結束後，韋格納的想法因為兩項更具革命性的發展而顯得更為可信，那就是大陸曾經移動（它們現在仍在繼續移動）的物理學直接證據，以及能合理解釋大陸漂移的理論。 一九五○年代，科學家發現中洋脊，接著有關大陸漂移的物理學證據亦隨之出現。中洋脊是位於海底的山脈，長約六萬五千公里，幾乎繞行整個地球，這一連串海底山脈的中線上，有一條既深又狹窄的裂縫。高溫的岩漿自中洋脊裂縫湧出，岩漿一邊向外流竄、一邊凝固，形成新的地殼物質，我們稱這個過程為海底擴張（sea floor spreading）。 一九六○年代之前，科學家就已經利用古地磁技術（paleomagnetic technique）證明海底擴張的現象的確存在。新岩石形成的同時，就被永久磁化；當時的地球磁場方向指向哪裡，該岩石的磁場方向也就指向哪裡，當地球磁場反轉時，反轉的磁場就被記錄在洋脊兩側相互平行的帶狀區域上。海洋學家只要測量洋脊中線的裂縫處與地磁反轉處之間的距離，就能斷定海底擴張的速度有多快，因為地磁反轉的大概年代是已知的。海洋研究船拖著磁力計，在海底「帶狀區域」上方的水域中來回穿梭，判別各區域內的磁極，科學家便是藉此蒐集到古地磁證據。 直接證據在一九六○年代末期，由「格洛瑪挑戰者號」取得。當時，格洛瑪挑戰者號在中大西洋脊採掘岩心，這是屬於深海探鑽計畫的一部分。就和先前的預測一樣，科學家證實中洋脊裂縫處的岩石最年輕，由裂縫處向兩側延伸，則愈遠處的岩石年代愈古老。 海洋地殼不斷被埋起來，也不斷循環，這也就是為什麼相對於大陸的年齡，海底算是很年輕的原因。海底的平均年齡大約只有一億年，但最古老的陸地岩石卻有將近四十億年的歷史。 當新地殼形成時，舊地殼會發生什麼事呢？地殼更新對大陸又有什麼影響呢？使韋格納的理論更為可信的第二項革命性發展，就是板塊構造學，板塊構造學的發展是為了回答前面兩個及其他問題而來的。 我們已經觀察到一些事實，能夠支持大陸漂移的現象的確存在，同時也提出一些假說，解釋這些事實發生的原因，但我們應該在事實與假說之間做一個區分，我們可以在生物演化中做類似的區分。像前面所提到的，上百萬件確確實實的化石證據，以及其他較為現代的證據，都為演化的事實提供了證明，雖然目前演化機制仍飽受科學家爭論，更別提來自創造論者的指責與反對，達爾文的天擇說便是飽受指責與反對，用來解釋演化機制的古典科學理論。解釋現象發生過程的理論雖然並不夠完整，但是，支持現象本身確實存在的大量證據，卻不能因此受到否定。 同樣地，不管到最後廣為人們所接受的板塊構造理論，能夠被證實的機會有多少，有關大陸漂移的證據俯拾皆是，也受所有在行的地質學家和地質物理學家所肯定。 已故的加拿大籍地質物理學家威爾遜（Wilson ,J. Tuzo），在一九六五年提出板塊漂移的概念。根據板塊構造理論，地殼分為幾個大塊，或稱為板塊，板塊受到地球內部熱能的推動，在柔韌的地函上行進。這些板塊（即大陸和海洋地殼）有數千公里寬，厚達一百三十公里，當板塊因水平移動而彼此分離時，地殼就產生裂隙。海底的裂隙位於中洋脊，新的地殼物質會經由中洋脊裂隙由地心湧出。當陸地上產生裂隙時，大陸便開始分裂，非洲的阿法爾裂谷就是一例。 至於板塊互相碰撞時，可能發生兩件事：板塊可能推擠出皺摺形成山脈，也可能是其中一塊板塊隱沒到另一塊下面。板塊碰撞的過程造成了火緣地區活躍的火山活動，因為隱沒到板塊下的一些物質，會因地熱和壓力而融化，最後又由地殼裂隙處湧出，重新形成新的地殼。大陸地殼的板塊相互碰撞時，山脈便形成了，例如喜馬拉雅山系便是印度板塊撞上亞洲板塊所形成的。就像我們所注意到的，地震在板塊交界處發生的頻率，比其他地方高出很多。這一點更進一步支持著板塊構造理論。 有關我們的討論，最重要的目的就是要說明地球表面一直在變動。之前我們曾經暗示過，冰河時期發生頻率較高的世代，或多或少和大陸漂移有關。至少，有一次氣候變化上的巧合，能與大陸位置的重新排列拉上關係：南極洲孤立後，接著就被冰河覆蓋了。 第三紀前半時期（大約是六千五百萬至三千五百萬年前）的大部分時間內，南極洲尚未成為孤立的大陸。那時，許多落葉樹（季節性樹木）及針葉樹（常綠樹木）生長在那裡，西南極洲島上的化石木塊可以證明這是個事實，因此，南極洲那時的氣溫要比現在溫暖許多，也許高達攝氏十到十五度（華氏十八到二十七度），至少，發現到化石的大陸邊緣地帶是如此。 五千五百萬年前，澳洲開始和南極洲分離，南極洲明顯的氣候改變由此展開。同時，澳洲也開始出現特殊的生物演化，例如全世界只有澳洲才有袋鼠。當時，南美洲和南極半島之間打開了一道德累克海峽，澳洲塔斯馬尼亞和東南極洲之間也產生了一條海路。從那時候開始，一道環繞南極洲的海流開始自成一格、暢流無阻，這道海流將溫暖的海水阻隔在北方，這很可能是造成南極洲周圍海水溫度較低的原因。大約四千萬年前，南極海逐漸結冰，接下來又形成冰帽，這些變化與南極洲被孤立之間的關係，幾乎不可能只是巧合而己。七百萬至四百萬年前，南極洲上肯定結了厚厚的冰，雖然有些人認為在那之前的數千萬年前，南極洲就已經被冰所覆蓋。今天南極洲的冰裡面所留住的大量海水，正好與海平面下降約六十公尺（一百九十英尺）的體積相吻合。有證據顯示，另一個主要的海流也在這段時間裡慢慢成形，那就是墨西哥灣流。 當海流愈來愈強，各大陸重新排列，大約到達現今的所在位置時，在赤道和兩極地區間，形成了各種差異十分明顯的氣候區。當地球兩極地區的氣候較溫暖時，動、植物廣泛地居住在地球各處，但現在牠們的分布範圍變狹窄了，只被局限在氣候或暖或冷的區域，完全視牠們的生態需求而定（物種的生物性演化也會改變牠們的生態需求）。在物種的活動範圍受到限制的同時，更多的生態機會和生態區位也被創造出來，因為和新生代早期比起來，今日地球的氣候差異更為普遍。這一點可能和生物學家〔如哈佛大學威爾森（Wilson ,Edward O.,1929-）〕提出的現象有關：隨著地球逐漸冷卻，地球上物種的絕對數目逐漸增加（但物種的豐富度卻不一定增加）。白堊紀高度的生物生產力曾留下廣布四處的煤礦和油田，但隨著現今的世代到來，地球冷卻、二氧化碳濃度降低，生物生產力也隨之逐漸減弱。 地球慢慢走入第四紀，也就是最近的兩百到三百萬年。在這段地質年代內，大約每四萬年到十萬年，就會重覆發生一次大規模的冰河擴張與收縮。 我們現在正生活在第四紀全新世中，身處於氣候非常穩定的全新世間冰期，而且這個時期已經持續了一萬年之久。今後的氣候能維持得多穩定？這個問題將留到後面的章節中討論。

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