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牛顿的预言

2009-06-16
牛顿预言
牛顿的预言

古典力学之父牛顿在1704年的信件中预期世界末日将在2060年到来,而这一年也正好是神圣罗马帝国立国1260周年。他是根据圣经的丹尼尔一章算出这个结论的,至于他是如何推理的,信件里面并没有披露。牛顿的这封信现在耶路撒冷的希伯莱大学展出。

如果我们仅仅把牛顿看作一个业余神学家的话,我们不妨来看看他的另外一个与神学有关的预言:犹太人将在世界末日之前返回他们的故园,而犹太复国是作为一个邪恶帝国的毁灭而梦想成真的。无独有偶,他的这一预言显然恰恰是在纳粹德国化为废墟的时候实现的。

站在巨人的肩膀之上的牛顿的逻辑大概不是每个凡夫俗子都能够洞悉的奥秘。但是,既然我们爬不上巨人的肩膀,就不妨钻入地下深处去探索,或许也能够殊途同归。
我这里说的是煤矿 — 不错,就是那黑不溜啾的煤炭的所在。

其实,煤炭与牛顿并非没有渊源。Thomas Savery 在1698年发明蒸汽机的时代也是牛顿的理论和声望如日中天的时代,而 Savery 的蒸汽机最终正是靠煤炭来作燃料的。一直到二十世纪后半叶,蒸汽机车仍然在许多国家包括中国的铁路运输中扮演着不可或缺的角色。

煤炭和后来发现的石油都属于化石燃料。化石燃料的燃烧将化学能转变成动能,以杠杆的运动来代替骨骼肌收缩做功,大大提高了单位时间内工人的工作效率和工业产出,支撑了今天的整个现代西方文明。考古学家在研究人类社会发展进程,提出了旧石器时代、新石器时代、金石并用时代、铜器时代、铁器时代,那么我们的时代当之无愧地可以称作化石燃料时代。至于计算机、核能、宇宙航行都只不过是这个时代的全盛期的一些衍生性特徵,而不是其贯穿始终的基本特徵。

从英国工业革命开始,化石燃料的氧化反应不断地向地球大气层输入二氧化碳,使得大气层的二氧化碳浓度从工业革命前的280 ppm 增加到今天的384 ppm,共增加了100 ppm 以上,其中70 ppm 的增量发生在过去五十年之内。按照今天的工业化和城市化速度,本世纪末的大气层二氧化碳浓度会比现在高出许多,从而造成大气层升温和气候变化。
目前全球的二氧化碳排放主要是石油和煤炭的燃烧造成的,其次是天然气。但全球石油的产量已经见顶。随着石油资源的枯竭,煤炭可能在不久的将来重新夺回第一把交椅,直至新能源能够取代化石能源为止。已经有人在研究如何将煤炭转变为液化汽车燃料,让煤炭充当化石能源的战略预备队。据称,全球的煤炭储量共8470亿吨,足够开采144年,尽管这比2000年公布的277年储量已经大为降低。但是有些专业分析家相信这个官方储量含有太多的水分。比如说,中国的煤炭储量自从1992年以来就没有调整过,而俄国则从1996年也没有调整过。

不过,国际分析家已经发现了如何从煤炭产量增量对于累积开采量的二维图中推算煤炭产量的历史高峰点和累积总开采量。这个由 Marion King Hubbert 在1956年发明的方法已经成功预报了1970年美国石油的历史高峰。使用这一方法,加州理工学院教授 Dave Rutledge 分析算出全球煤炭可开采量仅4500亿吨,而不是8470亿吨。这意味着全球煤炭资源如果按照目前的开采速度将在70年左右消耗殆尽。事实上,煤炭的开采速度将随着人口增长、工业化和石油耗竭而加快,资源可能在50年之内消耗殆尽,其历史高峰会在2025年前后来临。因此,Rutledge 预期大气层二氧化碳的高峰浓度将不会达到由目前经济增长速度所预期的那么高 (750 ppm 以上),而是在2070年前后达到460 ppm 的历史高峰,然后开始下降。不过,Rutledge 的估计可能有一个大漏洞:他没有考虑到煤炭耗竭会迫使许多人使用木柴取暖、做饭,其结果不见得会比烧煤炭好到哪里去。
但是,即使 Rutledge 的估计也已经超过了气候危机的警戒线。大部分气候专家目前相信警戒线在440 ppm。一旦超过这条警戒线,全球大气层温度将进入正反馈调节模式,导致急剧加速的温室效应。

地球大气层温度的变化受到正负两种反馈机制的调节。气候变化的怀疑论者强调二氧化碳浓度 (以及热量) 的增加会被海洋吸收,并且加快森林的光合作用,形成负反馈机制,阻止大气层升温进程。其实,这种负反馈已经早已经在起作用,这也就是为什么在人类活动累计释放出18000亿吨之多的二氧化碳之后,大气层升温仍然不太明显的缘故。问题是这一负反馈能够持续到什么时候?地球人以每秒1000吨的速度向大气层排放二氧化碳的行为还能够持续多久而不受惩罚?“发展是硬道理”这个教条还能硬多久?“摸着石头过河”还能走多远?

有迹象表明南美洲的亚马逊雨林以及赤道非洲和东南亚的雨林可能在本世纪中期死亡,并且释放出大量二氧化碳。英国的一个研究中心预期,从2070年开始全球森林可能变成二氧化碳的净输出源而不是吸收物。与此同时,高纬度苔原的解冻会使长期累积下来的植物尸体 (估计合5500亿吨碳元素) 腐败而释放出更多的二氧化碳。在这种情况下,大气层二氧化碳浓度可能超过预期的高峰值。

至于海洋的二氧化碳含量更是难以估量:假如把海洋吸收的二氧化碳全部释放出来,地球表面的压力将达到600大气压而不是今天的一个大气压,表面温度将达到600° C,所有的生命包括微生物都会永久地消失。海洋一直在吸收人类活动带来的二氧化碳和热量,结果是海水的二氧化碳浓度增高,温度也升高。当海水表面温度升高到一定程度时,二氧化碳浓度达到饱和,无法再吸收二氧化碳。这时,只有海洋深处的较冷的海水上升才能够缓解局面,而这种冷海水上升并非自发过程,而必须由全球洋流系统来驱动。海洋学专家认为当极地的气温达到一定程度时,冰川融化导致的海洋表面密度下降将会使全球洋流循环崩溃。与此同时,高纬度地区的海洋中的浮游植物数量正在减少,进一步减少了海洋的二氧化碳吸收能力。

另外一个麻烦制造者是储存在海洋里的两万亿吨甲烷包合物,其中哪怕一小部分释放出来的后果也是难以想象的。5500万年前的古新世 (Paleocene) 后期大灭绝就是甲烷的释放造成的。当时大气升温达到5° C左右。两亿五千万年前的二叠纪 (Permian) 末期大灭绝则是由西柏利亚的火山爆发喷出大量二氧化碳并引发海底甲烷释放,大气层升温达到6° C (不是600° C),但已经足够造成全球95%的物种灭绝。目前官方科学家对于本世纪人类活动造成的大气层升温估计是1.4-5.8° C,再加上已经发生的0.8° C的升温,其上限可能达到或者超过二叠纪末期大灭绝时候的升温,当然也超过了大气层升温的警戒线。

在如此复杂的背景下,究竟什么时候会达到大气层升温的警戒线还是众说纷纭:Rutledge 的估计最为乐观,离现在还有60年左右;英国学者 Eric Wolff 的估计仅剩下10年;而澳大利亚学者Tim Flannery 最为悲观,他认为警戒线在355 ppm,我们在2005年就已经跨过了这条警戒线!必须指出的是,温室气体的效应有30年左右的滞后期,所以我们目前所感受到的仅仅是1970年代即我们的父辈那一代的工业发展的后果,至于我们自己所欠下的债务,只好由儿孙们去偿还了。不管谁对谁错,只要由看不见的手操控的资本主义市场经济制度不改变,只要人口繁殖的原动力不消失,只要人们与生俱来的物质主义价值观无法改造,那么我们迟早是要在本世纪中期之前跨越这条红线的。

全球气温一旦进入正反馈调节,地球上的许多物种将因为无法适应生存条件的快速变化而大量死亡,并直接引发全球性的大饥荒。与之俱来的是冰川融化造成海平面快速升高,淹没大陆的沿海城市:纽约、洛杉矶、伦敦、阿姆斯特丹、东京、上海、孟买、悉尼…… 在大饥荒与大洪水的双重夹击下,工业文明的崩溃显然会让历史上所有的类似崩溃如前十一世纪铜器时代文明的崩溃和古罗马帝国的崩溃相形逊色。据透露,五角大楼正在为人类历史上最后的资源争夺战和国土保卫战作准备。由此看来,牛顿三百年前的预言并非没有被证实的可能。

退一万步来说,假如人类能够克服经济、政治、宗教和传统文化的一切惰性,采取果断行动 ─ 不管这种果敢现在看起来多么渺茫,多么遥不可及 ─ 来阻止全球升温和灭种,那么我们到底需要减少二氧化碳排放到什么地步才能够达到目的?目前科学界的共识是,二氧化碳排放必须在未来40年内减少60-80%。

另外一方面,为了维持经济增长速度和满足人口的快速增长和可支配收入的增加带来的新需求,全球食品生产到2030年必须翻一番才能满足寻求。按照目前的经济发展模式,全球煤炭产量到2030年必须增加60%,而不是减少。

很明显,以目前的技术与经济模式,消除贫困/饥饿和维持社会稳定的目标和保护生态和防止大灭绝的目标彼此矛盾,不可能兼顾,除非在新能源研究方面出现奇迹。大部分国家的决策者由于自身任期的短暂性不得不选择短期目标,即促进经济增长以增加就业、稳定社会秩序为最高优先,而这样做也容易获得既得利益集团 (即所谓“精英”阶层) 的支持。即使各国决策者选择生态优先,这种选择必定会在不久的将来导致购买力和生活水平的普遍下降。以低密度住宅和私人交通工具为代表的二十世纪美国生活方式将一去不复返;在穷国,这将导致贫困与饥饿的加剧和人口的大幅度减少。弄得不好,有可能两个目标都无法达到:不可再生能源的历史高峰的到来 (石油,2006-2010;天然气,2010-2020;煤炭,2025;铀,2035) 将首先引发饥饿和社会动荡,然后引发生态毁灭。世界银行曾经在十几年前警告说二十一世纪将是一个短缺世纪(1) ,但我觉得最好还是用危机世纪来形容更加恰当。
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