20世纪后期，当人们第一次看到地球像一个悬在空中的球体，于是人们开始重新审视自己的家园。从空中看到的景象给人以整体的印象：海洋、云、沙漠、森林，以及一些人类活动的迹象都是整个地球系统的组成。因此，当科学的“地球系统”的范例被推演出来时，“地球飞船”就无疑地被大众所接受。而“地球系统”的概念则成为“世界变化”项目中的基础概念。在整个人类历史中，尤其是最近的100到200年里，很明显地，人类只是“地球飞船”唯一的“乘客”。但现在，人类已从自己的“乘客”座位上走了出来，要作为这架飞船的“飞行员”。

当我们了解大气层中的化学成分时，维护生态环境便是调控“地球飞船”的主要内容。在大气中，被保存在冰柱（通过对各时期的冰层的研究而获取信息）中的气候和大气层中成分的历史揭示了一个在大气中生物产生的微量气体和全球气候之间的紧密联系，进而认识到生物群和地球物理及地球化学环境都是通过强有力而复杂的反馈中相互联系的。IGBP（国际地圈—生物圈研究计划）的前十年已经确定了一些反馈和联系，并同时确定全球变化的研究需要更广泛的合作才能深入理解“地球系统”。

生物区、烟雾、云、气候

1987年，我们提出一个生态—气候反馈链概念，此概念中浮游生物放出挥发性的含硫物质（DMS）——从水中散发到空气中。在空气中，DMS被氧化成硫化烟雾，并作为云形成的核心（CCN），越多的CCN就产生更多的小水滴，使云层变得更明亮，同时减少了地球对阳光的吸收。这样的反光使地球变冷，改变了浮游生物的生活环境，也同时改变了它们释放DMS的速度。这个自然界DMS—CCN—云—气候的循环链是一个重点研究项目。在最近几年内，由于人类产生的CCN对自然界可能造成的影响逐渐成为人们关注的中心。

CCN—云—气候相互作用的三个机制是不同的。因为它们包含对云的成分的改变，从而增大了烟雾对气候的作用，所以为了和“直接作用”进行对比，它们被称为“间接作用”。而“直接作用”是指阳光对烟雾产生的直接影响。

人类生产的烟雾（主要来自大量被燃烧的有机物和燃烧含硫和碳的石油类产品）将会增多空中云层的小水滴的数量，并且和前面介绍的DMS释放以同样方式增加云层的反光。这个效应被称作“第一间接效应”。这可能是烟雾作用对气候影响最严重的一部分，因为人类释放的烟雾有-1 Wm-2。不幸的是，以当前我们的认识水平，很难定量且可靠地衡量这个效应。相比陆地，它能更多地在海洋上被强调，因为这种云层在海上形成。

在一个大小确定的云彩中，小水滴的数量有可能多多少少有些不同。若在云层中含有更多的小水滴则意味着这些小水滴的体积更小，这样对造雨就产生了影响。因为一个小水滴要变得足够大才能离开云层落下并变成雨滴，为此它就必须和其他小水滴融合。这样的过程仅发生在云层中一些体积较大的小水滴下落速度足够快时，在下落过程中它能融合其他小水滴，并且越来越大，速度也越来越快，最终形成雨滴。然而当没有小水滴的半径比15 mm更大时，这个融合过程就不会发生。云也会在没下雨的情况下消失。这将延长一朵云的生存周期，同时增加出现在大气中的云的总量，也增加了地球的反光并使地球降温。这是“第二间接效应”。所有的这些烟雾效应都降低了太阳对地表的辐射，并降低地表温度和蒸发，进而影响水文循环后产生一个气候负面效应。

如果一个能产生雨的云有足够的对流潜能使其升高到能够形成冰晶，可能产生的雨-冰转化机制便会发生，雨便能从受污染的云层中降落。从低云层到高云层转变而产生雨的过程有几个后果：雨的密度增大，更容易打雷，水结冰时会释放出更多能量，继而引起大气内的热量上移。这些造雨机制和相关的能量转移过程造成的干扰，影响了大范围内的气候动态平衡，这就是“第三间接效应”。

最重要的是，由人类产生的CCN对气候产生的影响被认为在海洋上是最严重的，而对大陆气候的影响比较小。因为有些人通常认为大陆地区CCN浓度是较高的，新增加一点CCN算不上什么，然而在亚马逊的研究显示出这样的推理是错误的。潮湿季节里在偏远的亚马逊盆地，那儿没有监测到人类的影响并且绝大多数的CCN是由生物产生，自然产生和衰退的平衡造成CCN的数值几乎可以确定在一个海洋的数值，这种情况称之为“绿海”。这出现在原始状态中，水中和陆地的生物区控制了CCN浓度，使其维持在一个合适的低浓度范围内。

总的说来，我们发现在向自然界提供CCN的过程中，在云层反射和微生物物理中，以及在气候和水循环中，生态圈都起到了一个很重要的作用。同时也发现，自然界的调控机制正被人类释放的物质势不可挡地影响着。

大气中的生物区和自净机制

每一刻都有大量的多种化合物被排放到大气中，最多的是由生物排出的甲烷和其他一些碳水化合物，混合流动每年有十亿多吨。如果在大气中没有一个特别迅速而又有效地自净机制，这些化合物和其他一些化合物将很快达到无法接受的浓度。因为，碳水化合物在水中溶解度很低，它们无法被雨水有效溶解。要溶解它们则要进一步或更多地氧化反应去产生可溶化合物，如极化有机物或CO2。最重要的第一步反应就是和氢氧根（OH，被称为大气中的清洁剂）发生反应。这种生存时间短且活跃的物质是由以下方式形成的：由于辐射分离了臭氧，变成氧气和氧原子，然后氧原子和水蒸气发生反应。由在热带UV（紫外线）辐射量和湿度相当大，氢氧根的含量很高。它们同大部分的CO（CH4的氧化物）及其他一些微量气体在热带对流层中具有较高OH含量的地区产生“大气热反应”。热带地区由此扮演了一个重要的角色——不仅在调控气候的热平衡，同时也在保持大气的化学成分。

当我们深入到研究碳水化合物的光化学反应的氧化过程中，可以发现除了水和紫外线辐射，足够的臭氧和相应数量的碳水化合物和氧化氮都起到重要而相关的作用。在氧化氮浓度非常低时，碳水化合物被氧气氧化并消耗OH；而在氧化氮浓度较高时，碳水化合物则被更多的臭氧氧化，同时产生一些化合物。在非人工干扰的情况下，生态环境是碳水化合物和NOX在中低对流层中主要的来源。并且，它们释放相关数量的气体使NOX浓度保持较低，并且能使对流层中的臭氧较保持在一个较低的范围内。

在热带雨林，这一过程由生态的、物理的、化学的相互作用而完成，使氮的转化率足够好（氮是一种重要的肥料），并且防止它轻易就散发到空气中。NO在氮被转化的过程中产生，通常是由于生物体在土壤中的腐化过程中，气体散入地表空气中。在这一过程中，NO能够和臭氧反应生成NO2，NO2在树林的上方分布广泛并对植物生长有益，只有适量的一小部分从土壤中散发的NO气体能离开树林进入大气层，进而对臭氧层的形成起到作用。

雨林被变成草地或耕地，都会造成地表环境的破坏，同时也破坏了NOX循环系统。因为从地表到植被顶层的距离变短，NO被氧化成NO2的几率变小，而且NO2的分布量也减少。在破坏森林和田地管理过程中，埋入地下的生物体在地区上空产生更多的NOX和碳水化合物，结果是从一个低臭氧的“大气热反应”状态变成高臭氧光化学烟雾的状态。

气体化学成分的变化同时影响烟雾的产生。在自然条件下，烟雾由烃类的光氧化形成，其含量很低，因为普遍存在的反应链产生挥发性化学物质，进而不会形成聚合。然而，高的臭氧浓度会产生挥发能力差的物质，这些物质则能产生烟雾。热带的毁林和土地使用的变化从三方面增多了烟雾：1.生物体的腐败；2.车辆对石油产品的使用和电站等；3.由生物产生的碳水化合物在氧化作用下也增加了烟雾的释放。就如前面所述，增高的烟雾量改变了云层的动态平衡，闪电的次数也增加。在受污染的云层中，由于微物理受到改变，使它们清洁大气的能力变弱，而且，增多的闪电会形成更多的NOX，这两个因素促使了臭氧数量的上升，同时增加了对流层上部的污染。

在这里，我们强调热带地区是研究全球气候的重要区域之一，但我们只是研究了复杂的生物、化学、物理内在联系过程中的一部分。即使是这些简单又表面的研究，仍然揭示了一些互连的复杂的联系，这些联系还需更科学更全面的研究。当前，我们对土地使用、生态和化学环境变化的后果，以及它们对气候物理机制的认知水平，还不足以建立有效的模型。而建立这种能显示真实的交叉协调机制的全球气候模型，对“地球飞船”及其乘客们的安全是十分必要的。

[Global Change NewsLetter issue，2002年12月]