第十六章 矿物燃料

族特征

第十三章描述了 1973—1974 年阿拉伯石油禁运给美国带来的一部分创伤。禁运暂时（幸亏是暂时）震动了我们，使我们脱离了舒适但又是虚假的对于能量供应的安全感。能量这个词属于部类其一般意义与技术意义没多大关系的词，科学家把能量定义为做功的能力或潜力，而做功则是另一个这种类型的词。在告诉初学物理的学生如果他们在头上顶一个大铁砧呆一个小时，那么他们什么功也没有做时，他们会大为震惊（而且有点不相信）。做功意味着物体在一种力（另一这样的词）的作用下运动一段距离，不管你信不信，这个词意义名副其实。这应该阐明一切了。

人们最多想到的能量是其来源，对美国来说，它们是：矿物燃料（煤、石油和天然气），在古代的树木和植物这种物体的燃烧残余物；水电；在海拔较高地区让水在阳光下蒸发获得的太阳能；核能，地球某些原生成分中储存的能量；以及其他一些较小的来源。在人类历史的大部分时期，能量通过动物的力获得（力是能量使用率），而最常使用的动物是人类自己。我们使用所谓的生物量转化；我们吃的食物（化学能）被转化成其他形式的能，后者又被用来做功。我们是以食物为燃料的发动机，而我们可花费的大部分能量过去是被用来使我们持续获得燃料。

驯服较强壮的动物来替我们做功是人类福利中的一个主要步骤。一头公牛一天中能做的功是人的 10 倍，而马则更多。“马力”这个词的发明是为了描述一匹好马一天平均的做功率，所以机械引擎可以直接与标准的马相比。

（实际上，真正的马做一整天的功不到一马力，发明这一词的詹姆斯·瓦特也许认为他的马没有尽力。）如今甚至小型的汽车和拖拉机做的功都相当于一匹马的 100 倍，因此我们局限于人的肌肉的日子已过去很久了。这一解放

的重要性很容易被低估。在美国，我们每个人的日均能量消耗率相当于 15

匹马的工作，而且是很卖力的工作。这就要求我们每个人拥有一个可容 50 匹马的马厩——马也需要休息。

能量最重要的一个事实是它不能从无到有。我们所能做的只是从形式上把不太有用的能转换成较为有用的能，从自然中收集原始的能。太阳就是在这样做，它在燃烧它形成时继承的那些成分。幸运的是，太阳所拥有的能量足以持续几十亿年，因此没有理由立刻发出警报。这一难以了解的事实，即能量的守衡，古人并不知道，而其全部含义只在过去一个半世纪人们才明白， 这最早是在 19 世纪中叶，人们认识到热是能的一种形式，接着是本世纪初爱因斯坦认识到质量可以转换成能量，反之亦然。我们现在知道能有多种形式， 而且科学也比以前发达得多，但能量守衡定律没有任何迹象显出它的弱点。我们使用我们所继承的，仅此而已。

能量的各种形式和使用可以概括为所谓的能量预算，收入对支出，而美国多年来一直处于赤字状态。这一赤字一直由进口其他国家的石油所填补， 以金钱作为给他们的报酬，这是造成目前的贸易赤字的巨大因素。（目前大约三分之一的贸易赤字，每年将近 500 亿美才，用于进口石油，这一数字只会增大。）1973-1974 年石油禁运后很短的一段时间里，我们通过储存来削减进口，但现在又恢复到了以前的水平，而代价则更高。我们最终将对这种

挥霍承担费用。 1988 年，我们的进口石油占我们石油总供给的一半，而这一比例在上升。最大的供应国是沙特阿拉伯、加拿大、委内瑞拉和墨西哥， 读者可自己对供应国的政治稳定性作出判断。

当能量从一种原先的形式转化成一种更有用的形式时，大自然的一个不可改变的定律要求付出一个代价。能量没有丧失——这是热力学的第一定律

——但第二定律注定了它不能被完全转化。从一种能源中获取的有用功的比例被称作转化过程的效率，它总是不到 100％，不仅仅是你得到的比你投入的少，而且通常要少得多。历史上有力我们设计“永动”机的发明家，他们违反了热力学的第一或第二定律，有时同时违背了两条定律。这些全是欺诈， 许多人自己都被欺骗了。像癌症庸医或其他假医生一样，他们的事业仍然兴旺，只有对相信他们的人造成伤害。

热是一种形式的能，可用来做功，（以一辆蒸汽机车甚至汽车作证）效率不高的能量转化所丧失的能量通常表现为被丢弃的热量。人体在把食物的能量转化为有用的功时效率为 25％，原来能量的 75％变成了废弃的热。所以如果我们作强度较大的运动就会“过热”——我们的身体在努力处理那些废弃的热。身体通过提高皮肤的温度并最终通过出汗来做到这一点。

因此能量转化时的损失不可避免，我们把它作为能量转化时的代价来接受。我们的能量总供给的三分之一以上用于发电，通常的效率在 30％和 40

％之间，尽管水电的转化效率很高。（大多数较好的水力资源已在使用，对剩下的进行开发会造成不可接受的环境破坏。）汽油和柴油发动机的效率大约在 20—25％之间，太阳能光电池（吹嘘过分但仍在改进）的效率大约在 5

—20％之间，电力发动机（在其他东西已经生产电力以后）的效率大约是 90% ，等等。

我们的大部分能量由燃烧矿物燃料而来（1987 年将近 90％），而且矿物燃料快要用尽。最有潜力的燃料是煤，根据目前的使用率，它也许能持续几百年——估计各有不同。对能量长期供应的问题没有已知的解决方案，特别是世界人口还在增长，第三世界渴望达到工业化国家的生活水平。有大多的人提供简单的却又是虚幻的解决方法，没有任何用处。

有一个有趣的关于能量供应的事实，它是里查德·威尔逊指出的，它也许有助于正确地看待问题。所有的煤都含有微量的铀和社，一般是百万分之几。如果有可能从一吨煤中收集这些微量的铀和钍，在核反应堆中燃烧，提供的能量是直接燃烧煤的 10 倍，当然这样做从技术上和经济上都不合理，但

这表明核燃料含有多少能量。铀 -235 的一个原子的能量相当于煤中一个碳原

子能量的 1 亿倍。以同样的重量计算，我们曾说过，比率接近于 1000 万。矿物燃料主要通过燃烧碳和氢产生能量，就像我们吃食物一样。煤主要

由碳构成，石油含有碳和氢，而天然气中的氢多于碳。要燃烧这些物质，我们让它们与空气中的氧气化合，释放热量。热量接着转化成更有用的能的形式或者直接用来供暖，同时把它的化学废物倾倒到大气之中。燃烧碳剩下的废料是二氧化碳，而燃烧氢则得到普通的水。这与我们燃烧我们自己的燃料所呼出的废气一样，不管是巧克力块还是肉排。我们没有其他选择，只能倾倒。

煤和石油中还有其他一些不可燃烧的成分，这些或者形成灰烬或者被直接倾倒到大气中。在现代的燃煤工厂中，使用洗涤器减少这些有问题的残余物的释放，而洗涤器的工作可以做得很好。然而，这些工厂做得并不完善，

释放的废料可以引起对环境和健康的一些危害，这是燃烧矿物燃料的代价。最大的问题，而且是真正具有毁灭性的问题，是由二氧化碳造成的，本章后面将讨论这个问题。

许多年以前，奥托·冯·弗里希写了一篇古怪的文章，描述一个想象中的社会，其成员长期把核能作为唯一的能源。他们知道某种埋藏在地里的黑色物质已经有一段时间了，这种物质在部落仪式上被用来给物件上色。最后他们发现了如何燃烧这种物质并释放能量。当然他们立即认识到其排放物、燃烧生成物和污染物都很危险，因此把它们释放到大气中是不可想象的。这一显然无法解决的废物处理问题使他们一直没有开发这种本来很有前途的能源。有些人提出一些疯狂的建议，例如把废气收集在巨型气球中，把气球放在地球轨道上，但这些只是不切实际的解决方案。似乎没有什么好办法。因此他们很妥善地舍弃了这一发现，从此在空气清洁、能源充足的环境中幸福地生活。

这个故事并不太牵强。如果我们没有养成燃烧矿物燃料并把垃圾倒入大气的习惯，现在开始也许不太可能。但我们的习惯已养成。嗜好毕竟是嗜好。

大气的平衡和构成问题不仅仅与燃烧矿物燃料有关，但它们是主宰因素。倾倒废物的习惯，和我们所有的倾倒习惯一样，可上溯到人类对地球的影响很小的时期，那时“自然”过程可以轻易地吸收我们的垃圾。这一吸收非常有效，以致于考古学家找到古老文明的剩余遗物或人工制品时欣喜若狂

——大部分古代文明早就消失了，没留下任何痕迹。这一古老习惯变成目前的一大问题是因为人类已成为地球的一个主要组成部分，并且人口的增长没有止境。引言中曾说过，在污染问题从仅仅是有害和令人不快变得难以控制之前，人口增长问题早已殃及自身了。

酸 雨

煤和石油不仅仅由碳和碳化氢构成，甚至连天然气也是不纯的。其燃烧产品因此混合着各种污染物，大部分是有害的。即使燃料本身是纯的，它们释放能量所燃烧的空气也不是纯粹的氧气——它含有 78％的氮气，在很高的燃烧温度下会受到化学影响。内燃发动机里的高温还会形成更多的有毒排放物。大约 40％的石油用来供应汽车和卡车，一半的煤用来发电。

在燃烧生成物中，由煤和石油中的硫污染物形成的二氧化硫，是酸雨的主要来源；我们在进行控制中所作的努力大多都是针对二氧化硫的。

问题何在？酸一词通常让人想起给沙拉调味的醋（醋酸与水的混合）， 或者汽车电池中浓度较大的硫酸溶液。然而有一个用 pH 值衡量的准确定义。酸的反面是碱，例如碱液，而 pH 值则测量一种物质是在一条线上的这一头还是那一头。纯净的水被认为是中性的，其 pH 值为 7.0，而酸溶液的 pH 值则只有 2 或 3 或更低，而碱的 pH 值则是 10 或 12 或更多。当我们遭受酸中毒时， 我们肚子里的 pH 值太低，当我们摄取碱以“中和我们的胃酸”时，每年有数十亿美元换了手。所有生物机体包括人类的活动对环境的 pH 值都很敏感，并依赖于保持一个较稳定的内在 pH 值。人体的正常 pH 值是 7.4，稍稍偏向碱性这一边。每个园丁都知道山杜鹃在酸壤中长得最好，pH 值在 4 至 5.5 之间， 而大白菜则更喜欢稍具碱性的土壤，pH 值将近 8。 pH 值度量法是对数式的， pH 值的增加变化会导致酸度的乘积变化。 pH 值从 5 到 4 意味着酸度是原来

的 10 倍。

尽管纯蒸馏水的 pH 值为 7.0，但天上下的雨从来都不纯净。雨从地面水的蒸发而来，但它在变成雨落下之前的很长一段路程使它有时间溶解大气中的一些成分，这改变了它的 pH 值。远在人们开始把垃圾倾倒入大气中以前， 雨就有些酸，而地球对这种东西已习以为常。这当中的机制很简单，大气含有一些来自有机物质腐烂的二氧化碳，而其中有些发生了溶解。这使得正常的雨变成了很稀薄的苏打水，或碳酸。典型雨水的 pH 值大约是 5.6，在中性的酸性这一边，但我们的植物和动物是可以接受的。

最近几年在世界的某些地区，包括美国的东北部和加拿大的东部，雨水的 pH 值稳步下降，给庄稼、鱼类和树木带来严重损害，甚至著名的德意志森林也未能幸免。这是我们的错——我们人类把大量可溶解的气体排入大气， 它们溶入了雨水。主要的罪魁是二氧化硫和氮气的氧化物。两者都来自矿物燃料的燃烧。

有的煤含硫量较低，石油也一样。低硫燃料显然更受人欢迎，但它们也更加昂贵，距离使用地点也更远。我们已经提到过燃煤工厂的洗涤器。最佳的解决方案是少烧些煤——法国的问题就不太大，其电力的 70％来自核能。如果我们坚持燃烧煤，“清洁燃烧”的代价非常之高，我们不愿意支付。

然而，酸雨丝毫也不尊重国界，出于国内原因不愿付此代价的国家也许由于国际关系而被迫这样做。其惩罚不可避免的是能量费用的提高，无论是通过改进燃烧技术，使用较纯净的燃料，还是减少能量的使用。所有这些都会强制造成生活水平的下降，很少有国家会自愿地接受。

迄今为止我们的国会有“勇气”通过了一项法律，即 1980 年的《酸雨法案》，该法案下令对这个问题进行研究和估价，我们甚至对我们的加拿大朋友承诺要对酸雨“干些事情”。环保局具有控制空气污染的广泛权威，但这个问题实在是太庞大了。美国上空的大气如今每年吸收 2500 万吨的二氧化硫和几乎同样数量的氮氧化物，主要来自东部各州。东部有些地区雨水的平均pH 值下降到 4.0，森林受损，水系——湖泊、溪水和鱼类受损。不幸的是最纯净的煤离这很远，在西部。没有一项清洁燃烧多杂质煤的技术特别有效， 尽管有许多方法现在在使用，而且所有的方法费用都很高。人们可以梦想从煤的排出气体中去除 80％的硫，而实际做到的要低得多。而硫并不是唯一的祸害。除了放弃燃烧矿物燃料外，没有永久的解决方案。即使在那些部分解决的方案中，没有一种不会影响我们的生活水平，或不造成很高的费用。当对环境的关注与我们的生活方式相矛盾时，我们对环境的热心受到了考验。

致命的污染

燃烧矿物燃料生成的排放物也有害于人类健康，而二氧化硫对此也有作用。氮的氧化物，臭氧（氧气的一种），粒子和其他数量较少的成分，对我们的肺部造成损害。肺的损害很可能是接触少量物质积累起来的后果——在一个充满烟雾的城市呆一天会刺激肺但通常不会致命——但有关致命的信息很多都来自一些极端的插曲。

我们不想一一列举这些事件。对于覆盖着许多大城市的黑色浓雾已有许多文字记载，伦敦是最糟的之一，因为工业革命传播了煤的燃烧。然而，有关人类健康受影响的数据不久以前还是逸事，人们没有去收集统计数字。即

使没有详细的数据，也有足够的信息证明严重的空气污染事件会夺去一些人的生命。最经常的情况是大气逆温，它造成洛杉矶定期的烟雾。即使对这些戏剧性的事件，也几乎不可能整理出不同的燃烧生成物的后果——所有的事情同时发生。

美学方面的论点就足以说服许多国家和城市努力控制大气污染物，因此不太可能重复本世纪中叶发生的污染插曲。此外，主要的健康问题和通常一样，是大量人口长期接触较小浓度的肺部刺激物，因此存在着人们熟悉的对微弱后果进行数据解释的问题。健康问题与癌症不同，癌症有着假定剂量与后果的线性关系的长期历史。与此相反，大气污染物引起或加剧支气管和其他肺部疾病，并有可能使那些本来就身体虚弱或特别敏感的人加速死亡。这些插曲没有一个严重到使健康的人突然倒下，尽管有些事件（例如 1984 年宾

州的多诺拉发生的）影响到人口中很大一部分，而其他一些事件（例如 1952 年的伦敦）与那么多的死亡相关，而其死亡人数毫无疑问具有统计上的意义。

有些人对空气污染比其他人更敏感，还有一些人有着使他们更易受到侵害的个人习惯（例如吸烟），这似乎是合理的，当然，患气肿同时又呆在刺激性空气中当然不好。但如果想要以数量表示这些陈述，我们缺少硬数据。许多调查者曾尝试进行统计学家所说的回归分析——清理出两种或两种以上原因的后果——但令人困惑的变量非常多，数据非常分散，而又互相矛盾。例如，收入较低的人往往居住在靠近大城市中心的地区，这里的空气较为肮脏，而且他们吸烟的人也多。如果他们的健康受到影响，那么其原因是空气、贫困，还是吸烟？回归分析必须说明这些题外的因素。

尽管问题很复杂，奇迹在于对燃烧矿物燃料造成的死亡的不同估计取得了较为一致的结论。不算煤或石油的采矿和运输造成的死亡，分析报告的数字表明燃烧矿物燃料每年在美国杀死的人在 5000 到 5 万，尽管不太精确，但数字在这一范围内这个事实本身就意味着这些排放物使得矿物燃料成为迄今最致命的能源。而烟雾中的辐射污染物还没有提到。

温室效应

1988 年的夏天炎热异常，不仅仅是由于总统竞选的激烈论战，而且并不

是只有这一年炎热。自从上个世纪中叶全球性气温记载开始以来，最热的 5 年都在 80 年代，它们是 1980、1981、1983、1987 和 1988 年。这使人印象深刻，这也许是纯粹的巧合，也许不是。

造成这种情况可能有多种因素，许多人认为这只是统计波动。这不一定是温室效应的早期显示，许多专家预测温室效应将在 30 或 40 年后出现，但也可能是。不管怎样，现在对此并无太多的事可做。那么什么是温室效应呢？园丁们非常熟悉温室的使用，这是用玻璃笼罩的空间，保护脆弱的植物

不受酷寒或酷暑的影响，同时又给予这些植物足够的光线，使其成长，没有供热的温室通常比外面温暖，因此春天的发芽季节来得比外面早些，而秋天的生长季节则比外面长一些。寒冷的天气并不能阻止温室里结冰，但温室总比外面暖和一些，特别是在晴天。

这都是源于光线的一种特别和奇妙的特征，它的多种颜色。光是电磁辐射，电磁辐射的波长（单个波的长度）各不相同，从很短的由 X 射线集中体现的波长到很长的给我们带来音阶音乐的中波无线电的波长。每一种可见的

波长都有电磁辐射。光，我们所能看见的电磁辐射，其波长在我们的眼睛感觉到的很少范围之内，这些波长很小——20 万个将布满这一页——但没有这些波长这一页上的字你就看不见。光的较长波长称作红色，是较短波长长度的两倍，较短的波长称作紫色。彩虹展示了所有颜色的光供我们享受，紫光在里面，红光在外面，它是一个圆圈，对站在地面的观察者来说这个圆圈的中心总是略低于地平线。最后当然总是一团金黄。

太阳光的主要波长在我们的视觉范围内。这似乎是一种奇怪和惊人的巧合，但这当然不是巧合——我们在这种光中进化，我们的眼睛逐渐进化到能够看见这种光。如果你能看见周围的事物，生存的机会就大大增加了。太阳也散发一些波长长得我们看不见的光——叫作红外线——和波长短得我们看不见的光——叫作紫外线。大气挡住太阳这些光的一部分，幸运的是正好是紫外线，当我们进行彻底的日光浴时，紫外线会造成晒黑的斑或皮肤癌。不管好坏如何，太阳是我们在地球上生活的热量来源。

不幸的是，太阳并未很好地胜任其工作。如果地球在离太阳这样远的距离（9300 万英里）吸收跟现在一样的太阳光，而且没有温室效应，平均的温度将是华氏零下 20 度左右。在这种温度下难以生存，更不用说很不舒服了。地球之所以能够居住的唯一原因是大气层像一个温室那样发挥作用，利用太阳辐射和地球辐射的波长的区别。

的确，地球也散发辐射，正如宇宙中一切物体一样，但其辐射的波长长得多，肉眼看不见。物体温度越低，其辐射的波长越长。有些特别的红外线胶卷使你可以拍摄一块热铁上看不见的辐射。金属工人和铁匠能从一块红色的钢的颜色深浅中看出它的温度有多高。

地球的红外辐射的波长相当于正常太阳光的 20 倍，而大气层像温室的玻璃一样知道两者的区别。它让大部分可见光渗入，同时挡住红外光的入口。这样就留住了我们需要的热量，使得温度高于所注定的零下 20 度，足以使我

们生存。因此地球上的平均温度在华氏 60 度左右，这都是因为大气层的单向透明。这也是温室的工作方法，用玻璃代替了大气层。

这是个脆弱的平衡，80 度的温度处于危险之中。当然地球上有较热和较冷的地方，通常也有冷季和热季，甚至通常还有冷年或热年，但这个行星上的平均温度在很长一段时间里一直保持稳定。几度的差别会对农作物的生长季节造成巨大变化，会使某种作物的成功耕种的地区向赤道或向极地移动。在上次冰川期的中期，大约 2 万年前，平均温度很可能下降了不到华氏 10 度，但冰川当时在我们中间，地球的平均温度很重要。

阻挡红外辐射的并不是空气本身，而是一些细小的成分，主要是水蒸汽和二氧化碳。另外还有其他一些东西，例如臭氧、甲烷和碳氟化合物，但它们的作用不太大。臭氧在可见光谱的另一头非常著名，它帮助阻挡来自太阳的紫外线辐射，这种辐射会引起皮肤癌，臭氧被其他大气污染物破坏，包括碳氟化合物，但那是另一个论题。我们对大气中的水蒸汽没有多少控制—— 地球表面的五分之四是水，它想怎样就怎样——但我们的确影响二氧化碳， 这是整个故事的起因。

正常的大气一一我们呼吸的空气——含有 78％的氮气，21％的氧气（生命之源），不到 1％的氩气（主要由原生钾衰变而来的一种辐射气体），和其他一些微量气体。水蒸汽很丰富，它甚至形成可见的云、雷和雨的形式。在那些数量较少的气体中量最大的是二氧化碳，另一个生命之源。我们的动

物与地球上的植物舒适地相处，这稍微有点一头热，因为没有人植物也可以很容易地生存。我们吸进氧气，呼出二氧化碳，而植物吸进二氧化碳，在太阳的帮助下制造出氧气和我们饭桌上的食物。二氧化碳被持续不断地制造， 氧气也是这样。这种安排确实行得通。这并不像我们假装的那样简单，因为我们只是二氧化碳的许多来源之一，而植物则是氧气的唯一来源。

二氧化碳要给那些为我们提供养料的植物提供养料。它还有助于挡住红外辐射，保持那宝贵的华氏 80 度。大气中有多少二氧化碳很重要，即使它所占的成分很少——它对地球的温度有着直接影响。不多不少最好。那么二氧化碳有多少呢？它又发生了多大的变化？

对遥远的过去所知不多，但一百年前大气中的二氧化碳欠约占 0. 027

％，通常表示为百万分之 270，或 270ppm，从那时起它一直在增加，现在刚刚超过 350 ppm，而且不见它有停止增长的迹象。为什么会发生这种事？这很糟吗？能够做些什么？最后一个问题的答案很容易——非常少。倒数第二个问题的答案也很简单——是的，这很糟。那么我们从第一个问题开始：为什么会发生这种事？这个问题起码要困难一些。

一个二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子构成，氧气供应非常充足

——大气中的 21％都是氧气——因此二氧化碳浓度的关键在于碳的供应，而这很容易得到。我们美国人每年把 50 多亿吨的碳倒入大气。发电所燃烧的每

一吨煤要把将近一吨的碳倒人大气，每燃烧一加仑汽油要把 5 磅左右的碳倒

入大气，燃烧 1000 立方英尺的天然气排出大约 30 磅的碳，等等，等等。这些几乎都是以二氧化碳的形式排放的。这发生在全世界，制造出的二氧化碳的数量极其庞大。更重要的是，随着世界越来越工业化，对能源的需求也相应地增加，二氧化碳的倾倒量也在增加。

1950 年，美国徘放的碳的数量占全球总量的 40％，但世界正在赶上来， 尽管现在我们的人均排放量高于 1950 年，但我们只占全球总量的 20％。1950 年，苏联人的二氧化碳排放量是我们的四分之一，现在几乎赶上了我们。1950 年中国是第十位，现在成为第三位。日本当时是第九位，现在变成了第四位。新兴的工业化国家需要能源，只要矿物燃料存在，燃烧矿物燃料是获得能源的最容易和最便宜的方法。几乎所有国家人均燃烧的燃料都高于 1950 年，而世界人口翻了一番。全球消费的矿物燃料在过去 35 年中以每年 3.5％的平均速度增长。日积月累。世界人口的增长又以另外一种直接的形式起着作用， 因为人不得不吃饭和生存，地球上的森林被清除，给人类提供生存空间，给农业腾出地方。在要求饥饿的人们用眼前的一顿饭换取将来对气候的担心时，他们当中很少有人会犹豫不决。这一趋势不仅减少了通过光合作用把碳从流通领域中清除所需要的植被的数量，而且被清除而又未被补充的植被自己也会变成二氧化碳。一棵树是被烧掉还是自己腐烂并不重要，它体内的碳总是以二氧化碳的形式进入大气。

由于我们知道每年大约有多少碳被倒入大气，也知道二氧化碳增加了多少，因此问一下这些二氧化碳是否全部都有下落是很合理的。是不是所有的碳最后都在大气中积聚，或者是否有什么自然程序参与某种大气净化行动？ 1958 年，斯克里普斯海洋地理学研究所的戴维·基林身边的一个小组开

始对远离地方燃烧中心的地点的大气二氧化碳进行定期测量。（在福科纳斯的燃煤工厂的下风地带进行测量不会有什么好处。）他们选择了夏成夷岛上的冒纳罗亚火山的斜坡，在海拔刚刚超过 11，000 英尺的地方设立了一个冒

纳罗亚观测所。从那时起进行了定期测量，对清洁空气中二氧化碳的稳定增长进行了最为完整和持续的记录。

结果很明显。1958 年的浓度大约是 315ppm，现在则是 350ppm ，世界其他地区的测量，最值得注意的是在南极的测量，结果与此相符。不仅浓度在不断增加，随着矿物燃料的加速使用，增长率也不断提高，似乎二氧化碳简直就在积聚。计算方法很简单。大气的重量大约是 5200 万亿吨（地球上大约

每人 100 万吨），而目前我们每年向大气倾倒 55 亿吨的碳。由于一吨碳能制

造出稍稍多于 3.5 吨的二氧化碳（氧气也有重量），我们可以及计大气中的二氧化碳浓度目前每年增长 3.7ppm，如果二氧化碳纯粹是在积聚的话。

实际上二氧化碳的增长速度是这个数字的一半，因此我们排放到空气中的二氧化碳只有一半固定不动，而其余的不知为什么消失了。其目的地仍然是个谜，但大部分人认为海洋是个合理的储藏地。当然二氧化碳可在水中溶解（所以我们才可以享受香摈和软饮料），但海洋如何净化空气的理论仍不完善。即使一半的二氧化碳被清除，一半留在大气中，但人类极不可能很快就放弃燃烧矿物燃料。

事情甚至更加糟糕。我们说过世界对这些燃料的使用每年以 3.5％的速度增长，这意味着每 20 年翻一番。如果发生这种事，而且一半的碳继续在大

气中积聚，目前的二氧化碳增长率（大约每年 1. 5 ppm）也将翻一番。我们并不很了解碳的最终命运，无法成为厄运的真正预言者，但我们也不知道这一定不会发生。我们正在对地球作一个巨大的试验，而且赌注很高。

如果二氧化碳像过去一样继续积聚，世界人口继续增长，并增加对燃料和可耕地的需求，不可避免的结果是大气中的二氧化碳浓度将在下个世纪中叶左右翻一番。或早或迟，但一定会发生。那么可能会产生什么结果呢？

这似乎是一个简单的问题，如果二氧化碳挡住了红外辐射，二氧化碳数量又在增加，它应该能更好地留住热量。这意味着地球将变得更暖，中纬度地区的生长季将延长，我们国家北部地区有时很悲惨的居民不必在冬天去佛罗里达或加利福尼亚，每个人都会高兴。当然事情不会这么简单。

热空气会上升，它比冷空气轻。热气球只要保持热度就会悬在天空，但冷却下来就会落到地上。地球赤道附近的较热的空气也会上升，而极地附近较冷的空气则会下沉。因此会产生某种环流或对流，暖空气在赤道附近上升， 向北行进，接着下沉，最后又被带到南部以完成对流。其结果是太阳的热量被从最为丰富的赤道运输到最需要热量的极地地区。这是某种热量慈善机构。

但事情还不止这么简单，因为在发生这些事时地球没有坐在那儿不动。它也在绕着自己的轴心转动，大约每天转一圈，这种自转打乱了风向。其结果非常复杂一它被称之为科里奥利效应——观察溜冰或跳水就会熟悉这一点。溜冰者或跳水者如果绕的圈子越小转得就越快。由于地球多少是圆的， 北半球的风在移动时容易向右偏。如果听起来觉得太复杂，请相信我。

这种加热，对流和自转的相互作用的结果并不是简单的高处的风向北走，低处的风向南走的格局，而是由信风，赤道无风带和盛行风等等构成的复杂格局。这叫作全球环流，给无数的气象学家、数学家和计算者带来收益丰厚的就业机会。对这一格局的了解还不完全，因为实际的因素比这要多得多。处理这一格局的计算机模式被称为全球环流模式。有一些较好的模式， 它们经常得出一致的结果。

另外还有其他一些后果。如果地球更暖，海洋中蒸发的水更多，将形成更多的云，将有更多直射的阳光在到达地球表面之前被反射回来。这是一个冷却效果，这也许多少会抵消加热效果。进行理论上的计算异常地艰难。一开始必须从太阳对我们的辐射开始，跟踪太阳被反射、吸收、再辐射以及最后被处置的所有重要路径，不管其最终命运如何。要对大气中某种成分的变化所带来的后果进行较好的计算，所有这些结果都必须进行估价，现代的计算能够干这项工作简直是奇迹。

今天所使用的全球环流模式能够很好地计算出大气中二氧化碳如果翻一番所带来的结果，但的确还需要更多的研究。（音乐，如前所述。）即将到来的气候变化的细节仍然在我们的掌握之外，尽管主要的轮廓已很明显。

美国有四大团体作这种计算，询问一下这些计算能在多大程度上解释目前的气候就可以对模式的准确性有所了解。答案是它们计算的全球平均温度非常准确，误差在一个摄氏度之内（将近二华氏度），但描述地方气候时却没那么准确，常常相差五个摄氏度或更多。规模越大，结果越准。

所有的模式都表明最后的结果是全球普遍升温，只是各个模式对升值的多少有不同意见。没有一个模式表明后果很小，我 们尽可以继续干我们的事， 不用去理会它。各地的估计相差摄氏 3 至 5 度（5 至 9 华氏度），而这是巨

大的变化。记住上次冰川期是降低了大约 5 摄氏度，对于提高 5 度会发生什么事我们知道得要少得多。

肯定会给农业和生态系统带来巨大影响，有些地区毫无疑问将从气候的缓和中得益。有些勉强可以居住的地区吸引力将更小——华盛顿温度在华氏100 度的无数将迅速增加，迫使我们把首都向北移。否则只有被虐待狂和傻瓜才会为政府服务。惭量格局也许会发生巨大变化，破坏一些良好的耕作区域，同时又改善一些糟糕的耕地。也许气候效应将是可以容忍的，我们现在无法作出预测——这是一个全球试验。

另外一个后果已被广泛地公布。每个人都知道冰在温暖的天气会融化， 而地球的最北端和最南端都覆盖着冰。如果许多冰融化会发生什么事？幸运的是，北边的冰有许多只是在水上浮动，它的长时间的融化几乎不会影响海平面。在水上浮动的冰发生融化不会使海平面提高。要证明这一点，倒上满满一杯水，放进一块冰块，因此冰块肯定超过杯高。当冰块融化时，水仍会与杯口相平，不会溢出来。这是冰山和冰块所以高于水面的原因——冰的密度比水小。

然而有些冰不是浮动的，它凝聚在地面上，因此冰水会流向海洋。北边最主要的冰冠是格陵兰岛，它并不像墨卡托投影法所显示的那样大，但仍然很大。在南部，南极洲是一块覆盖着积累了好几个世纪的厚冰的大陆。如果所有这些冰都融化并流入火海，人们估计海平面将升高几十英尺，这是个最糟糕的极端的场景。更现实的是，本世纪以来海平面事实上一直在升高，每年大约升高一毫米，本世纪来升高了几个英寸。这个增长率会增加两倍或更多，因此到下个世纪末海平面可以很容易地比现在高几英尺。海平面如果真的升高，其社会后果将降临到我们的后代身上，而且不是太远的后代。沿海城市将被淹没，海岸线将后退，等等。这虽不是世界的末日，但也不是美丽的图景。

其他温室现象已被省略：大气中其他吸收红外光的气体的作用，温度升高的海洋会扩展，与大部分热涨冷缩的东西一样，这也会提高海平面，等等。

但是，尽管这个问题非常复杂，最低限度是地球会由于人造气体主要是二氧化碳的积聚而在很大程度上变暖，这一变暖可以想象将与恐龙时代的气候相似。海平面不一定但可能相应地提高，大概会升高几英尺或更多。我们在自作自受。

有没有办法减缓这一进程？唯一的长期选择是减少排放到大气中的废气。这就需要目前的全球合作和牺牲，以避免较远的未来的某件事，某件推测出来的事。人类历史上没有证据表明这可能会发生，但人不能总是希望。实际上有一个大气成分有所改善，而并未涉及太多的牺牲：致冷剂和喷雾壳中使用的氯氟化碳会严重破坏大气中的臭氧，它们逐渐被更容易分解的化学品代替，但没有任何证据表明有任何全球性的降低森林砍伐速度或减少矿物燃料的消费的意愿。没有任何东西可以代替这些方法。

当然，对电力来讲有核能，它一点也不会造成温室效应，但它有政治问题。我们已提到过法国现在正在用核能生产其 70％的电力，该比率比世界上其他任何国家都高，因此法国是优秀的世界公民。美国在向大气倾倒碳方面是世界最糟的公民，其核计划停步不前。随着温室效应的幽灵更加明显，观察专业反核人士对此的反应非常有趣。这显然提供了一个有利于核能的证据，而对大多数这些人士来说这是不可容忍的，他们的反应就像那些被告知患有不治之症的人——开始是否认，接着是愤怒和怨恨。根据正常的次序， 随后应该是接受，但这还没发生。

更多地转向核能将推迟全球变暖的后果，转向不太奢侈的生活方式也是这样（有些人把这叫作守恒），在这方面还有改善的余地。较多地使用天然气也会有一些帮助，因为它排放的碳少一些。但没有任何证据表明存在着真正起作用的任何解决方案。即使世界明天就停止增加大气中的二氧化碳—— 白日梦——大气中的二氧化碳已足以影响气候。很可能最近连续几年的天气炎热只是气候波动，而不是温室效应的出现，但人们并不能肯定。

如果这是一本科幻小说，我们的主人公现在就会找到一种无废物的制造能量的方法，与此同时学会既向世界提供食物和住房又重新植树的方法。我们还可以加上一个人口问题的解决方案。但这并不是科幻小说。