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人类与环境的相互联繫(一)北极的回馈圈(Feedback l

2020-06-16 10:36:47 来源 : 分享地理 点击 : 764


人类与环境的相互联繫(一)北极的回馈圈(Feedback l

图1:热带雨林乃世界上最大的生态系统,存活了地球上最多的陆上物种。(图片来源

人类活动与环境的密切关係

人类活动(如农业、林业、渔业)可以满足人类的生活需要,特别是可以在短期内满足人类的民生需求,因此对人类福祉有积极而不可或缺的影响。但是,如果这样的活动没有按照永续发展的模式进行管理,也可能给环境造成不利影响。这些部门在利用生态系统服务和自然资源方面是重要的,它们影响了生态系统(图1),反过来又受到生态系统变化的影响。

例如,农业部门和很多环境变化之间存在密切关係,包括气候变化、生物多样性减少、土地退化以及水质恶化等。同时,农业也在很大程度上依赖于生态系统,如可预测的气候条件、生物资源、水源、土壤成分、害虫治理以及土地和水源的基本生产能力等。要想满足人类对粮食的需求,就必须确保生态系统能提供这些服务。

人类活动因为生物物理的互相联繫,可以对环境造成多重影响。土地、水和大气通过多种方式相互联繫,特别是通过碳、氮以及水的循环进行联繫,这些循环对于地球上生命的生存是必要的。环境回馈又进一步影响生态系统的边界、构成以及功能,最终可能导致原本平衡稳定的生态系统的崩溃。回馈圈的一个典型例子就是影响北极融冰的相互作用过程。

北极的回馈圈(Feedback loops in the Arctic)

回馈表示用系统的输出来修改系统输入的过程,修改的结果可以是正面影响,也可以是负面影响。在气候系统中,「回馈圈」表示一个相互作用的模式:系统中一个变数的变化与系统中其他变数的相互作用,结果将增强最初的过程 (正回馈),或者抑制最初的过程(负反馈)。即使最初这个变化是很微小的,透过回馈圈的作用,也可能对整个系统产生巨大的影响,这就是有名的「蝴蝶效应」(注1)。

现在我们逐渐认识到北极系统中存在与区域气候快速变化有关的主要回馈。很明显,北极系统处于强烈的动态变化中(图2),各种变数会在不同时间形成回馈,这样就增强了这些回馈和相互联繫的複杂程度。目前科学家已知有关北极融冰的回馈圈主要有三类:

温度—反射率回馈(Temperature-albedo feedback)

温度上升可以促进雪和海洋冰层的融化,这样不但会降低地表(冰层)反射率,而且又增强阳光吸收率,从而导致温度进一步的上升,并改变植被的覆盖率。上述的回馈圈也可以按照相反的方向运转。例如,如果地表温度下降,冰雪在夏天 的融化量将减少,从而提高地表反射率,此时更多的阳光会被反射,而不是被吸收,可以让温度继续下降。因为最初的温度变化是增强的,所以,目前北极这种温度—反射率回馈是一种正回馈。

温度—云层—辐射回馈 (Temperature-cloud cover-radiation feedbacks)

温度、云层覆盖率、云层类型、云层反射率及太阳辐射之间的回馈,对区域温度有很大的影响。相关资料显示:北极的云层对北极地区有升温作用(夏天除外) ,因为云层的“毛毯效应”(blanket effect) 要大于云层表面的反射效应导致的短波辐射下降量。这种情况与世界上其他区域的情况不同。因为最初的温度变化被抑制了,因此温度—云层—辐射回馈是一种负反馈。

云层的毛毯效应又可以阻止地球大气层长波辐射的损失。在这个过程中,地表温度上升,水气量增加,导致云层厚度增加,它进一步导致温度上升,因此这是一种正回馈。

永冻土融化与甲烷排放量之间的回馈 (Melting of permafrost and methane emissions)

北极地区的永冻土,特别是苔原沼泽地区的永冻土,包含上个冰川时代 (大约10 000~11 000年以前) 形成的甲烷。气候变化会导致永冻土融化,从而缓慢释放出甲烷,而甲烷的温室效应比二氧化碳高出20倍。这是一种正回馈,可以极大地加速气候变化过程。

人类与环境的相互联繫(一)北极的回馈圈(Feedback l

图2:从藻类到北极熊,气候变化影响着各类北极生物 (图片来源:《全球环境展望4》p.280)

北极地区正发生的变化,包括区域气候变化对陆地覆盖率、永冻土、生物多样性、海洋冰层的形成与厚度、以及冰雪融化水向冰层渗透的影响,这种影响加速了在海洋边际冰层的瓦解速度。回馈可以导致进一步变化,这样就对北极地区乃至整个世界的人类福祉造成了不利影响。

检查多重环境挑战之间的相互联繫,类似于将相互联繫锁定在更广泛的全球系统,或者子系统中的系统方法。生物物理联繫构成了环境挑战本身的一个重要特点。要确定和评价人类和环境之间的相互联繫,我们应该认识到大多数社会和生物物理系统,都具有典型的动态系统属性,如非线性变化、门槛值、转换、惯性、时间延迟以及回馈圈等。在确定管理选择过程中,有必要检查其中的「因果关联」,因为上述的系统属性经常随着时间和空间而累积。

了解人类活动与环境之间的多重影响,对环境议题的分析才能透彻,避免只是表象的处理。同时,也更能清楚环境议题的严重性与複杂性,需要全球各部门一起改善才能收到实效。

[注]:

「蝴蝶效应」来源于美国气象学家劳侖次60年代初的发现。在《混沌学传奇》与《碎形论——奇异性探索》等书中皆有这样的描述:「1961年冬季的一天,劳侖次(E‧Lorenz)在皇家麦克比型电脑上进行关于天气预报的计算。为了考察一个很长的序列,他走了一条捷径,没有令电脑从头运行,而是从中途开始。他把上次的输出直接打入作为计算的初值,但由于一时不慎,他无意间省略了小数点后六位的零头,然后他穿过大厅下楼,去喝咖啡。一小时后,他回来时发生了出乎意料的事,他发现天气变化同上一次的模式迅速偏离,在短时间内,相似性完全消失了。进一步的计算表明,输入的细微差异可能很快成为输出的巨大差别。这种现象被称为对初始条件的敏感依赖性。在气象预报中,称为『蝴蝶效应』。……」「劳侖次最初使用的是海鸥效应。」「劳侖次1979年12月29日在华盛顿的美国科学促进会的演讲:『可预言性:一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会在德克萨斯引起龙捲风吗?』」

人类研究的物件还涉及到其他複杂系统(包括「自然体系」与「社会体系」),其内部也是诸多因素交相制约错综複杂,其「相应的蝴蝶效应」也是在所必然的。「今天的蝴蝶效应」或者「广义的蝴蝶效应」已不限于当初劳侖次的蝴蝶效应仅对天气预报而言,而是一切複杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语,其含义是:对于一切複杂系统,在一定的「阈值条件」下,其长时期大範围的未来行为,对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感,即初值稍有变动或偏差,将导致未来前景的巨大差异,这往往是难以预测的或者说带有一定的随机性。

参考资料:
1. 英文维基百科:Climate change feedback (http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change_feedback)
2. 中文维基百科:蝴蝶效应(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9D%B4%E8%9D%B6%E6%95%88%E6%87%89)
3. United Nations Environment Programme 2007: Global Environment Outlook – environment for development (GEO-4). (中文版:联合国环境规划署2007:《全球环境展望4 ——旨在发展的环境》),第八章。(http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf)
4. ACIA 2004, Stern and others 2006, UNEP 2007a

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