《大气》 砚尘解读
《大气》| 砚尘解读
关于作者
加布里埃尔·布克是剑桥大学的化学博士，主要研究领域是气候的变化和能源工业。她身兼数职：作为科学作家，著有多本畅销书；作为科学节目策划人和解说人，她的多档节目都是 BBC 的热点；同时，她还是剑桥和普林斯顿大学客座教员，权威科学杂志《自然》和《新科学家》的特邀编辑。这些经历让她非常擅长深入浅出地讲述科学理论，将科学知识和实际生活中的环境问题结合起来。前美国副总统艾伯特·戈尔也读过她的书，曾评价布克的作品是“灯塔”。
关于本书
作者创作这本书的灵感，来自于一次奇妙的“探险”。1960年，美国空军上尉约瑟夫·基廷格带着装备，从3万多千米的高空一跃而下，在下落的15分钟时间里，基廷格经历了各种各样激烈凶险的大气环境，可地面的我们却毫无感觉。本书作者被这个实验吸引，想用类似的方式，带读者体验一把大气之旅，一层一层地了解大气。书中还穿插了许多科学家的故事，他们对大气的奥秘孜孜以求，他们的勇气和个性也为我们的大气之旅增色不少。
核心内容
大气是万物的起源，它给我们提供了呼吸的气体，让地球维持在适宜的温度，还替我们阻挡了来自宇宙的有害射线。在长期朝夕共处中，人类也学会了利用大气，来为生活提供便利。比如我们利用大气压来吸吮液体，发现风的规律来帮我们远行，利用天空这块巨大的反射镜来收发无线电。这些对大气的利用，曾经改写了世界历史，还挽救过许多生命。
不过现在，我们开始担心大气的问题，像是全球气候变暖、臭氧层空洞等等，这些问题跟人类的活动息息相关。所以，应该由我们来守护大气了，这同样是在守护我们共同的未来。
你好，欢迎每天听本书，本期音频为你解读的是《大气》这本书。
说到大气，你肯定不陌生，就是包围着地球的空气嘛。如果你只知道这些的话，那这本书可能会带你认识一个完全不一样的大气了。本书介绍的大气可以用“惊心动魄”来形容。1960年，美国空军上尉约瑟夫·基廷格做过一个实验，他带着装备，从3万多米的高空一跃而下。在下落的15分钟时间里，基廷格经历了各种各样的大气环境，沸腾的、电闪雷鸣的、要烧焦的、冰冻的。你会不会感觉很奇怪：天空如此激烈凶险，为什么在地面的我们却感觉不到呢？
本书作者就被基廷格的实验深深吸引，于是有了创作本书的想法。作者开始琢磨，一般人有没有办法像基廷格那样，一层一层地去感受大气呢？于是，作者设计了这么一趟旅程，由她来充当导游，带我们沿着地表奔向太空，去了解大气的构造，并且体会人类和大气该如何互动。
说起来，我们的“导游”来头可不小。本书作者加布里埃尔·布克是剑桥大学的化学博士，BBC 节目的主持人，科学界最权威的《自然》杂志还请她做过特邀编辑。美国前副总统艾伯特·戈尔就曾评价说，布克的作品是“灯塔”。
听过这本书后你会发现，除了呼吸的空气，大气提供给我们的东西，要比我们想象中更多。就像这本书的副标题，“万物的起源”，在作者看来，大气就是万物的起源地。
下面就让我们来仔细了解下无处不在的大气。我会通过三个问题来为你解读这本书：第一个问题是，为什么说大气是万物的起源；第二个问题是，人类是如何让大气为我们所用的；第三个问题是，我们现在担心的大气问题，比方说全球气候变暖、臭氧层空洞等等，是不是杞人忧天。
下面我先来说说第一个问题，为什么本书的副标题说，大气是万物的起源。
在回答这个问题之前，咱们像本书作者一样，先做个导游，带你逐层认识一下大气。按照大气跟我们的距离，可以把它分为三层。离我们最近的是对流层，从我们身边开始，往上10公里左右，都是对流层，这个厚度大概是一个半珠穆朗玛峰的高度，我们熟悉的气候活动，像是刮风下雨都发生在这一层，可以说，对流层跟我们的关系最密切。再往上的50多公里，是平流层，顾名思义，这里的大气以水平运动为主，天气晴好。平流层的上方，我们通称为“外层”，在这里，大气又性情骤变，有电光火石般激烈的反应，连基廷格都只能抬头仰望，感叹一句，“我上方的空气很不友善”。
在这几层大气里，底层的大气，也就是对流层，最容易跟万物的起源挂钩了。你可能马上会想到，动物要呼吸氧气才能生存、植物要呼吸二氧化碳才能生长。的确，没有可供呼吸的大气，就没有生命，甚至可以说，是大气决定了地球上的生物种类。打个比方，在地球刚诞生不久时，原始大气里其实是没有氧气的，那时的地球住民吸的是氢气，呼出的是甲烷。后来，在距今25亿年到35亿年间，出现了一种蓝绿藻，它们会利用大气中的二氧化碳，通过光合作用进行呼吸，这就很接近现代的植物了。蓝绿藻慢慢改变着大气中的成分，氧气越来越多。到了22亿年前，空气里的氧气终于充足，呼吸氧气的“高级生物”就登场了。
说我们的祖先“高级”可不是自夸，呼吸氧气的能量转化效率比氢气可高多了。不过，对于只呼吸氢气的地球早期住民来讲，这简直是场重大的空气污染。那些没被毒死的早期住民，只得躲进了沼泽中、水田里，或者寄居在动物的肠胃里，不引人注目地生存。
除了给生物提供呼吸的气体，底层大气还替我们调节了地球的温度，万物才能存活。为什么这么说呢？数学家傅立叶曾经做过一个计算：地球的热量来自太阳照射的热能，但是地球也会把很多能量辐射到太空。理论上，把这两个能量相减，能算出地球的大概温度，可矛盾的是，这么算下来，地球应该是一颗冰冻星球，是什么东西替我们捕获了额外的热量呢？傅里叶当时猜想，这种物质就存在于大气中。
1859年，物理学家丁铎尔继承了傅立叶的研究，模型发烧友们肯定会喜欢丁铎尔的研究方法：他搭了一片人工天空，下面是他的迷你大气，迷你大气的成分是空气中含量最多的氮气和氧气。因为太阳的热辐射主要来自红外线，所以丁铎尔用红外线照射迷你大气，他知道地球会向外辐射红外线，如果能观察到红外线被拦截，就可以解释额外的热量从哪儿来了，是大气帮我们拦截下来了呗。可是结果实验失败了。那是不是大气就没有用呢？丁铎尔突发奇想，修改了迷你大气的成分，加了一点点二氧化碳。丁铎尔对这点改变没抱很大希望，要知道，二氧化碳在大气中只占了差不多0.04%，实在太少了。但是没想到，就是这点微不足道的二氧化碳，吸收大量的红外线。
二氧化碳可以让温度升高，水蒸气、甲烷也可以，我们今天把它们统称为温室气体。温室气体是红外线的捕手，当它们拦截到地面辐射的红外线，就把它们甩向四面八方，其中，有一部分又回到了地球，就足够给地球保温。于是作者说，大气就像一条覆盖着地球的毯子，为地球的物种提供了适宜的温度。
好了，说完了对流层，我们往上看看平流层，它为“万物起源”做了什么贡献。你肯定听过防晒霜广告里说的“防护 UVA、UVB”，这指的都是紫外线。紫外线有多可怕呢？太阳光里紫外线会破坏人体的免疫系统，引发皮肤癌和白内障。对自然界的影响也很恶劣，它会杀死藻类，吃藻类为生的鱼虾就难以生存，然后再殃及吃这些鱼虾的大鱼，海洋的食物链就这样被层层破坏。不过别慌，平流层当中有一层特殊的大气，叫臭氧层，它像一把天然的遮阳伞一样，替我们遮挡了紫外线。
臭氧层是怎么保护我们呢？化学家查普曼告诉我们：臭氧就是一颗颗小地雷，它有三个氧原子，比普通的氧气多出一个原子。紫外线碰到它的时候，臭氧小地雷就“砰”一下爆开，射出其中一颗氧原子，顺便把紫外线炸飞。而最神奇的地方，是它也没有一杆子打死所有紫外线。顺利到达地面的紫外线，是其中能量比较低的部分，也就是波长比较长的紫外线，它们就像羽毛一样，不会触发地雷。这部分紫外线对人体很有用，可以促进皮肤制造维生素 D，帮助我们预防骨科疾病。所以，臭氧层的守卫工作很专业，如果没有它对紫外线的过滤，谁敢去晒日光浴啊！
再往上，就要说到外层大气了。究竟是什么，让勇敢站在宇宙边缘的基廷格都觉得“很不友善”呢？恐怕是外层大气的爆脾气吧。说起来也可怕，在那里，大量的宇宙射线照向地球，包括我们熟悉的 X 射线。虽然我们会照 X 光来检查身体，或者过安检的时候检查行李，但都害怕它的辐射，不敢频繁接触。来自宇宙的 X 射线跟我们用到的 X 射线可不是一个数量级的。照那个强度，应该瞬间就能把我们烤焦。
那我们为什么感觉不到它呢？这是因为有外层大气，X 射线来了，天上的大气层先遭到轰击，这层替我们“挡子弹”的大气，就是外层大气里的“电离层”。X 射线把电离层的原子击碎了，分解出自由电子和正负离子。电子会吸收 X 射线，让它没法再来伤害我们。就算来自宇宙的X射线不断轰击，就算它的威力再大一点，我们也不怕。比如，2003年就发生过一次日面爆炸。科学家估算，那一次射出的 X 射线相当于5000颗太阳的辐射。这是什么概念呢？把人类有史以来制造的所有原子弹头放在一块儿，同时引爆，才跟它的威力差不多。但有人感觉到了吗？是外层大气层坚守岗位，保护了我们。对于地面的我们来说，爆脾气的电离层恰恰是友善的。
回顾我们刚才说的，大气不仅提供了生物呼吸所需要的气体，还能调节地球温度，替我们阻挡有害的宇宙射线，让地球环境适宜生存。说大气是万物的起源，真是一点儿也不为过。另外，人类还让大气为我们所用。早在人类对大气的原理还一知半解的时候，一些幸运的人就已经利用起了大气。这些利用，为我们的生活提供了许多便利，还拯救过许多生命，改写了人类的历史。这就是我要说的第二个问题，人类是如何利用大气的？在这部分内容里，咱们还是按高度来，分别跟你说说人们是怎么利用对流层、平流层和外层大气的。
先从环绕着我们的对流层说起，其实我们每个人天生就会利用它。比方说，婴儿生下来就会吸吮母乳，这靠的就是大气的帮忙。那么，我们经常说的“使出了吃奶的力气”，到底是多大的力气呢？这得问问大气。
早在17世纪，伽利略就发现，大气其实很重。按照他的计算，一个空荡荡的音乐厅里有32000公斤的大气。伽利略没法解释这个现象，如果大气真的那么沉甸甸地压着我们，我们怎么没被压扁呢？其实，这是因为我们的身体习惯了这种压力，就像龙虾在海底漫步，却感觉不到海水的重量一样。而少数可能被压扁的器官，因为内部也有大气，就跟外部的压力正好抵消了。只有在大气压的平衡被打破时，我们才感受到它的力量。
我们说回婴儿吃奶的例子，婴儿吸走的是乳房周围的空气，然后，其他空气就来施加压力，顺利把母乳挤到了婴儿嘴里。利用这个原理，科学家还发明了真空吸尘器。虽然我们感觉上，吸尘器直接吸掉了灰尘，但其实分解动作是这样的：吸尘器内部有个高速运转的抽风机，它会把吸尘器内部的空气抽走，吸尘器内部的气压就远远低于外部了。于是，外部的大气涌入吸尘器内部，把灰尘也一起裹了进去。
接下来，我们要去征服平流层了，在这里让我们受益最多的就是飞机。在今天，飞机已经是最安全的交通工具了，不过，在上世纪三四十年代，飞机可一点儿也不安全。这种不安全，指的倒不是飞机制造的技术不达标，而是我们对大气脾气的不了解。有的人能完成环球飞行，有的人却在航行中莫名失踪，还曾被怀疑是外星绑架事件。这是运气的问题吗？在天空上到底发生了什么？要回答这个问题，只有亲身经历过的人最有发言权。
第一个完成环球飞行的人，波斯特就是这么一个人选，他曾经玩命一样地飞行，不断提升飞行高度，在那里，他感受到了高空空气气流推挤的力量，还亲眼看到过龙卷风一样的气流，其实，这就是飞机失踪的真相。波斯特看到的“龙卷风”，它发生在对流层和平流层之间，是环绕地球的一条高速气流，来势汹汹，那些莫名失踪的飞行员，就是因为碰到了它。你可能觉得，我们肯定得避开它飞行才安全。这话对了一半，现在的民用飞机通常会飞得更高，在平流层平稳飞行。可是，聪明的科学家不仅能监测到这股高速气流，还能利用它的推力缩短航行时间。如果你坐过跨大西洋航班，或许会发现，向东的航班要比向西的航班用时短一个小时。这就是这股高速气流的力量。
说完了平流层，再来说说凶险莫测的外层。可别以为外层跟我们没啥联系，早在我们了解它之前，就用上它了。比方说书里讲的，早期无线电的发明。1895年，意大利发明家，自学成才的诺贝尔物理学奖得主马可尼设计出了无线电的雏形。他发现了一种特殊波长的电磁波，它可以不依靠电缆，远距离发送点划电码，也就是当时的电报系统使用的摩斯密码。后来这种特殊的电磁波被科学家们验证，是短波电磁波，这种短波的无线电通信，成了现在几乎所有远距离无线电通信的基础。虽然当时马可尼发送的电码传到了山的另一头，但他并没有弄明白，为什么无线电可以绕过障碍物。
解答这个问题的是英国数学家亥维赛。他认为，这种电磁波的确是射到了天空，但是，天上有个带电的大气层，充当了镜子的作用，可以把无线电反射回地面。这个带电的大气层过去就被称作“亥维赛层”。还记得吗？它就是我们刚才说的，挡掉 X 射线的电离层。既然这种电磁波要到电离层去走一趟，而不是直奔目的地，那么不管地面上有什么遮挡，都不会影响它的传播。而且，只要合理设计信号站的位置，它可以传播到世界上任何地方。哪怕是大海上孤零零的船只，也可以通过这种电磁波跟陆地或者跟别的船取得联系。
这可不光是能发个旅行见闻，遇到危险和意外的时候，它真的可以大显神威。作者就举了个我们耳熟能详的例子：当年泰坦尼克号撞上了冰山，多亏船上配了这种电磁波的无线电，及时向附近的船只发送了求救信号，这才救下了船上的700多人。可以说，幸存者们都是受益者。
上面说的就是人类对大气的几种利用，包括出于本能吸吮母乳、做真空吸尘器、在海上和高空乘风远行、靠无线电传播信息。科学家摸索出其中的原理，让技术得到更广泛的流传，也造福了更多的人。可我们也经常说，技术是把双刃剑，出于善意发明的科技，也可能会带来意想不到的后果，好比说对环境的破坏。这就是我要说的第三个问题：我们现在担心的大气问题，像是全球气候变暖、臭氧层空洞，是不是杞人忧天？
这个问题可不像看上去这么好回答，连科学家都为此争论不休。因为造成这两个问题的元凶真的叫人又爱又恨，它们已经成为了现代生活的一部分。同时，许多人也对环境的自我修复能力抱有幻想，就算人类活动会对大气造成影响，也应该是微不足道的。我们真的可以这么乐观吗？
拿全球气候变暖来说，我们前面讲到过，多亏了大气中的二氧化碳，地球才没有变成一颗冰冻星球。正因为这样，理论化学家阿列纽斯对二氧化碳怀有好感，他想计算一下，大气中的二氧化碳流失掉多少，会触发地球的冰期，就是全球大降温的时期。但同事替他收集的数据表明，这个研究没有价值，因为大气中的二氧化碳含量已经升高了，其中有一半是人类制造的。阿列纽斯因此改变了研究方向，提出了对全球变暖的担忧。他认为，不光是二氧化碳本身会升高地球的温度，温度升高以后，还会让海洋蒸发出更多水汽。我们前面说了，水蒸气也是一种温室气体，会进一步暖化空气。不过，阿列纽斯说的全球变暖只是推测，很多人不相信。
到了1999年，科学家才出现了实质的证据。在地球上最冷的地方，俄罗斯的南极洲基地，科学家提取了到了远古的空气。听起来是不是有点不可思议？这其实跟在实验室里保存细胞有点像，都是在超低温的环境下急速冰冻，只不过，冰冻这些远古空气的是南极洲的自然气候。具体说来，是南极洲的雪花在降落的时候，捕获了一部分的空气。当这些雪花被后来的雪花掩埋后，会被挤压，转化成冰。一粒粒的冰，就像一个个微缩的冷冻管，里面保存着细小的空气气泡。
借助现代科技手段，科学家可以取出不同年代保存下来的冰，检测空气气泡里的二氧化碳含量，再拿它跟过去四十万年里的气温记录作比较。你可能猜到结果了，气温上升，二氧化碳含量也上升；气温下降，二氧化碳含量也下降。有了四十万年的样本，这个结果就很有说服力了，人们不再怀疑，大气中二氧化碳的含量越多，全球的气候就越暖和。
但这个结果来得有点晚，在科学家争论的这一百年里，人类制造的二氧化碳要比大自然产生的多了几十倍。可能有人觉得，温度高个两、三度也没啥，可是气候暖化之后的连锁反应却是灾难。比如海水上涨淹没海滨城市，沙尘暴席卷城市，还有2003年已经发生过的欧洲热浪，夺走了35000条人命。照这个速度发展下去，本书作者担心，地球的命运会像金星一样。
作为太阳系八大行星之一的金星，内部结构跟地球很像，但它是颗“火球”。要知道，很久很久以前，金星也没这么滚烫。可是某个时期，金星上的火山制造出了大量二氧化碳，它跟水蒸气一起，把逃离地面的热量甩回地面。气温逐渐升高，导致更多的二氧化碳和水蒸气进入大气，简直是个恶性循环。后来的事，我们都知道了，金星上的温度达到了四、五百度，本来有的海洋也全都被蒸干了。所以，光统计这些年温度上升了多少，人们可能不觉得怎样，但谁都不能预料，什么时候会触发恶性循环的开关。明智的做法是，跟那个开关保持距离，也就是说，现在就开始控制二氧化碳的排放。
而另外一个大气问题，臭氧层空洞，也被争论了半个世纪。我们前面说过，臭氧层可以帮我们阻挡掉有害的紫外线。而臭氧层空洞，顾名思义，就是臭氧层破了个洞，紫外线可以透过空洞，直接照射地表了，那该有多可怕！
导致臭氧层空洞的罪魁祸首是冰箱的制冷剂，更确切地说，是制冷剂里的一种化学物质，叫氯氟烃。说起来，氯氟烃的发现者米奇利算是好心办了坏事。1930年，冰箱还是个不太成熟的发明，里面的制冷剂会泄漏出来，要么气味刺鼻，要么会发生燃烧事故。米奇利想解决这些问题，找出既安全、又没有毒性的制冷剂，他发现，氯氟烃很符合这些要求。米奇利还设计了一段表演，用自己的身体告诉大家，氯氟烃对人体无害，而且不会燃烧。他深吸一口氯氟烃，朝一根点燃的蜡烛慢慢呼气，蜡烛熄灭了。
那之后，氯氟烃一下子成为广受追捧的“明星”。除了用作制冷剂，还开发出其他的用途，比如，拿来制作各种喷雾罐、做橡胶发泡剂等等。当然，人们之所以大规模地使用氯氟烃，很大程度上来自米奇利的成功灌输，相信了它的安全性。所以，就算有人发现，全球的大气中都有氯氟烃，结论也是，“不构成危害”。
但是，氯氟烃呆在大气中的时间好像特别长，它们最后会去哪儿呢？加州大学的两位科学家罗兰和莫纳利开始追踪氯氟烃。他们发现，氯氟烃的确很稳定，在低空都没有什么化学反应可以分解它们。于是，氯氟烃最后就会飘到大气上方，一直到臭氧层。到了那里，氟氯烃会接触到紫外线，氯原子就会跑出来。我们刚才说，臭氧就像个炸弹，那氯原子就是个拆弹专家，喜欢把臭氧里的氧原子拽走一个，于是臭氧就变成了普通的氧气，不能拦截紫外线了。而这个作怪的氯原子还没消停，继续寻找下一个目标，一个氯原子平均要破坏十万颗臭氧，效率高得吓人。
根据莫纳利的计算，在一百年里，光是当时已经释放在大气里的氯氟烃就可能破坏掉10%的臭氧层。实际上，人们开始重视臭氧层空洞问题时，南极上空的臭氧层已经破了一个洞，大小跟美国本土面积一样。紫外线在这里长驱直入。还记得前面讲过，臭氧层是如何保护我们的吗？万一破洞继续扩大，影响到有人居住的区域，那么皮肤癌、白内障、免疫系统缺陷都会找上我们。
现在，你还会觉得人类担心的大气问题是杞人忧天吗？我们在这部分说了全球变暖和臭氧层空洞问题，如果我们不及早约束自己的行为，守护我们共同拥有的大气，大气也将不再守护我们。
说到这儿，本期音频的内容就聊差不多了。下面，来简单总结一下本期音频为你分享的内容。
首先我们说到了，大气是万物的起源，它给我们提供了呼吸的气体，让地球维持在适宜的温度，还替我们阻挡了来自宇宙的有害射线。
其次，我们说到，大气为我们的生活提供了种种便利，比如我们利用大气压来吸吮液体，发现风的规律来帮我们远行，利用天空这块巨大的反射镜来收发无线电。这些对大气的利用，曾经改写了世界历史，还挽救过许多生命。
最后我们说到，人类活动会影响大气，我们担心的大气问题，像是全球气候变暖、臭氧层空洞都不是杞人忧天。
我们看不见大气，所以常常把大气提供给我们的一切视为理所应当，而且很多人会觉得，大自然的力量是伟大的，它有修复的能力。读完这本书，我才发现，原来大气也是有“脾气”的，摸清它的“脾气”是多么不易。但这只是一个开始：能让大气为我们所用，并不等于我们已经征服了大气。人类和大气越来越频繁的互动，正悄然改变着地球的环境。在跟大气的相处中，没有人可以置身事外。按照作者的说法，大气是地球上万物的起源，当大气不再保护我们，我们将会失去赖以生存的家园。
撰稿：砚尘 脑图：摩西 转述：孙潇