強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)那么脆弱
在相同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的物種間可被替代
生態(tài)系統(tǒng)中的生物與生物之間,生物與無(wú)機(jī)環(huán)境之間通過(guò)能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞使其處于動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)具有保持自身穩(wěn)定的能力,一般認(rèn)為其食物網(wǎng)越復(fù)雜,其自我恢復(fù)的能力越強(qiáng)。
在較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)中,某一物種的滅絕,可以通過(guò)其他具有相似物種進(jìn)行替代,如在草原生態(tài)系統(tǒng)中,當(dāng)大型食肉動(dòng)物獵豹滅絕,食草動(dòng)物瞪羚數(shù)量短時(shí)間就會(huì)急劇增加,草的數(shù)量也會(huì)急劇減少;如果除了獵豹以外還有另一種食肉動(dòng)物(比如狼)的存在,那么獵豹一旦絕滅,狼就會(huì)增加對(duì)鹿的捕食壓力,而不致使鹿群發(fā)展得太大,從而就有可能防止生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。
狼和獵豹正在捕獵(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
事實(shí)上,狼與獵豹可以處于食物網(wǎng)中同一營(yíng)養(yǎng)級(jí),相同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的不同物種具有相同的“作用”,因此獵豹滅絕,便可以由狼來(lái)“替代”。詳細(xì)來(lái)講,位于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的不同物種均能完成相同程度的生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞功能。
回到最初的假設(shè),我們?nèi)绻軌蛘业侥艽娲笮褪橙鈩?dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中完成相同程度的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞功能的其他事物,或者大型食肉動(dòng)物的滅絕不會(huì)通過(guò)影響這三大功能來(lái)破壞生態(tài)平衡,那么我們就認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)不會(huì)因大型食肉動(dòng)物的滅絕走向崩潰。
在能量流動(dòng)過(guò)程中可被替代
因此,就能量流動(dòng)而言,能量流動(dòng)是單向的,只能從第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向第二營(yíng)養(yǎng)級(jí),再依次流向后面的各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),不可逆轉(zhuǎn),也不能循環(huán)流動(dòng);能量在流動(dòng)過(guò)程中逐級(jí)遞減,相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的傳遞效率大約是10%~20%。
所以,真正被大型食肉動(dòng)物獲取的能量少之又少,多數(shù)能量還是集中在物種的最底層,即綠色植物和食草動(dòng)物之間。也就是說(shuō),即使大型食肉動(dòng)物相繼滅絕,能量流動(dòng)的過(guò)程是幾乎不受影響的。大型食肉動(dòng)物在能量流動(dòng)過(guò)程中可以被替代。
地球上的能量幾乎都來(lái)源于太陽(yáng)(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)指的是組成生物體的C、H、O、N、P等元素,不斷進(jìn)行著從無(wú)機(jī)環(huán)境到生物群落,再到無(wú)機(jī)環(huán)境的循環(huán)過(guò)程。例如碳元素主要以二氧化碳的形式憑借綠色植物的光合作用從無(wú)機(jī)環(huán)境進(jìn)入生物群落,然后在生物體之間以食物鏈和食物網(wǎng)傳遞,最后又以生物的呼吸作用或分解者的分解作用從生物群落進(jìn)入大氣。
如果大型食肉動(dòng)物相繼滅絕,只是生物的呼吸作用會(huì)受到一定影響(比如草原生態(tài)系統(tǒng)上的獵豹滅絕,瞪羚的數(shù)量增加導(dǎo)致呼吸作用相應(yīng)增大),對(duì)分解者的分解作用影響甚微,所以生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)也基本無(wú)影響,大型食肉動(dòng)物在物質(zhì)循環(huán)中可以被替代。
物質(zhì)循環(huán)(圖片來(lái)源:全景網(wǎng))
對(duì)生態(tài)系統(tǒng)信息傳遞影響甚微
最后,就信息傳遞而言,大型食肉動(dòng)物滅絕后,生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞格局會(huì)改變,但總體并不會(huì)受到太大影響,因?yàn)椴妒痴邲](méi)有了,就沒(méi)辦法傳遞給食草動(dòng)物其捕食者的物理信息和行為信息,食草動(dòng)物的警覺(jué)就會(huì)下降,但是警覺(jué)下降并不會(huì)讓自身的生存受到威脅,所以大型食肉動(dòng)物滅絕就算影響了生物之間的信息傳遞,但也不會(huì)讓生態(tài)系統(tǒng)崩潰。
對(duì)于可能擔(dān)心的草食動(dòng)物等其他動(dòng)物數(shù)量泛濫問(wèn)題來(lái)說(shuō),捕食只是限制其數(shù)量的一個(gè)因素之一。限制動(dòng)物種群數(shù)量增長(zhǎng)的包括內(nèi)源性和外源性因素,捕食只是外源性因素之一,外源性因素還包括疾病、寄生、自然災(zāi)害、食物限制等,內(nèi)源性因素包括領(lǐng)域行為、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等,這些行為由于捕食者是突然消失短時(shí)內(nèi)也不會(huì)改變,這些因素都會(huì)限制其他物種數(shù)量的增長(zhǎng)。
死亡的鹿 (圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
綜上所述,從“崩潰”的角度來(lái)說(shuō),就算所有大型食肉動(dòng)物都滅絕,生態(tài)系統(tǒng)也不會(huì)完全崩潰,菌類通過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化后也可以使生態(tài)再度恢復(fù)到一個(gè)我們現(xiàn)在完全不認(rèn)識(shí)的模樣。即使動(dòng)植物全部沒(méi)有了,細(xì)菌也能繼續(xù)維持地球生物圈的活躍,況且“大型食肉動(dòng)物滅絕”并不會(huì)引起多少動(dòng)物滅絕,作為食物的食草動(dòng)物的數(shù)量也可以被病原體、寄生蟲(chóng)和人控制。
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出品:科普中國(guó)
作者:賈偉
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
浩瀚星河,“夢(mèng)天”圓夢(mèng)
在祖國(guó)的南海之濱,東方的巨龍?jiān)俅伪虐l(fā)出怒吼。隨著烈焰劃過(guò)長(zhǎng)空, “夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙也航向了它的目的地:“天宮”空間站。
作為“天宮”空間站的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙和三個(gè)月前發(fā)射的“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙在結(jié)構(gòu)上近似,都呈現(xiàn)了“大頭尖、下部圓”的特點(diǎn),最大直徑均為4.2米,高度均為17.9米,質(zhì)量均超過(guò)了23噸,從上往下也都是資源艙、氣閘艙和工作艙的布置。
“天宮”空間站三個(gè)主要艙段的結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源:作者提供)
“夢(mèng)天”:更大型的氣閘艙,更專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室
“夢(mèng)天”的資源艙大體和“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙類似,其上也布置了大尺寸的柔性太陽(yáng)翼和通信天線。而“夢(mèng)天”和“問(wèn)天”的最大區(qū)別就在于中間的氣閘艙。盡管“問(wèn)天”氣閘艙的出艙艙門(mén)直徑大了“天和”核心艙的出艙艙門(mén)一圈,然而“夢(mèng)天”貨物氣閘艙的出艙艙門(mén)面積比“問(wèn)天”的還要大,能夠進(jìn)出更大尺寸的載荷(表1)。
表1 “天宮”空間站氣閘艙基本情況
“問(wèn)天”和“天和”的氣閘艙艙門(mén)便于航天員出入,但航天員只能攜帶較小尺寸的物品出入,不便于大量部署艙外載荷。而“夢(mèng)天”的貨物氣閘艙不僅具有巨大的艙門(mén),讓大尺寸、大質(zhì)量的載荷的進(jìn)出艙成為了可能,而且貨物氣閘艙內(nèi)還具有一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu),可以自動(dòng)將載荷轉(zhuǎn)移到艙外,再配合空間站的大小機(jī)械臂,無(wú)需航天員出艙即可完成載荷的部署,極大提升了效率。
不過(guò),正如貨梯一般不用來(lái)運(yùn)輸人員一樣,“夢(mèng)天”的貨物氣閘艙一般也用于進(jìn)出貨物,航天員進(jìn)出艙仍然主要通過(guò)“問(wèn)天”氣閘艙實(shí)施。即便“問(wèn)天”的氣閘艙出現(xiàn)了無(wú)法工作的現(xiàn)象,航天員需要應(yīng)急返回,也主要前往更近的“天和”氣閘艙避險(xiǎn)。
“夢(mèng)天”的氣閘艙不僅可以實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量貨物的進(jìn)出,還自帶可展開(kāi)的艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái),它也將在“問(wèn)天”暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,再次拓展人們?cè)谔臻_(kāi)展暴露實(shí)驗(yàn)的可能,能夠讓人們有更多的機(jī)會(huì)來(lái)研究外太空的輻射環(huán)境對(duì)材料、生物、設(shè)備等影響,進(jìn)一步了解空間環(huán)境產(chǎn)生的各種效應(yīng)。
“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”的艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也有一定的區(qū)別(圖片來(lái)源:作者提供)
和“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙相比,“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的實(shí)驗(yàn)功能得到了特化,它沒(méi)有位于“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙的3個(gè)睡眠區(qū)和1個(gè)衛(wèi)生區(qū),因此多出來(lái)的空間可以部署更多的大型實(shí)驗(yàn)機(jī)柜。這讓“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙在軌開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的能力更加強(qiáng)悍,也將進(jìn)一步提升“天宮”空間站的整體科學(xué)產(chǎn)出。
空間站常態(tài)化運(yùn)行:讓這一中國(guó)人的太空家園行穩(wěn)致遠(yuǎn)
“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙已然起航,它將在未來(lái)幾個(gè)小時(shí)內(nèi),和“天和”核心艙的前向?qū)涌趯?duì)接。而對(duì)接完畢的“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙也將和“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙一樣,將在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi),在天地協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位,最終部署在“天宮”空間站的第二個(gè)停泊口,讓“天宮”空間站的整體呈現(xiàn)“T字”的基本構(gòu)型。此時(shí),“天宮”空間站的總重量將達(dá)90噸(以空間站三艙+一載人飛船+一貨運(yùn)飛船計(jì)),達(dá)到我國(guó)空間站的第一個(gè)建設(shè)里程碑。
“天宮”空間站的“T字”布局(圖片來(lái)源:作者提供)
即便是建成了“T字”的空間站,也并不是一成不變的。
“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙體積龐大,有阻擋“天和”核心艙太陽(yáng)翼的可能。為了避免實(shí)驗(yàn)艙艙段對(duì)“天和”太陽(yáng)翼的阻擋,“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”的太陽(yáng)翼桁架頂端預(yù)留了“天和”太陽(yáng)翼的掛點(diǎn)。未來(lái),航天員將通過(guò)執(zhí)行兩次出艙任務(wù),拆下“天和”核心艙的太陽(yáng)翼,隨后安裝在實(shí)驗(yàn)艙上。在太空中拆裝大尺寸、大質(zhì)量的載荷,將是航天員們未來(lái)面臨的重要挑戰(zhàn)。
“天和”核心艙的太陽(yáng)翼將安裝到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙上(圖片來(lái)源:作者提供)
不只是空間站艙外,來(lái)自空間站艙內(nèi)的挑戰(zhàn)也同樣巨大?!皦?mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙帶來(lái)了更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜,這些實(shí)驗(yàn)機(jī)柜不僅數(shù)量繁多,種類也各不相同,航天員的工作量將變得十分繁重。因此,未來(lái)飛行乘組的組員也將增加載荷專家和工程師,他們將基于自身豐富的科學(xué)研究和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn),更高效地使用空間站的各類實(shí)驗(yàn)機(jī)柜,為我們進(jìn)一步揭示太空環(huán)境給物理、化學(xué)、生物過(guò)程帶來(lái)的影響。
在“夢(mèng)天”核心艙發(fā)射之后,“神舟十五號(hào)”載人飛船也將啟程,和“神舟十四號(hào)”的乘組在太空會(huì)師。屆時(shí),太空中也將出現(xiàn)6名中國(guó)人的身影。而這也將宣告著空間站實(shí)現(xiàn)常態(tài)化運(yùn)行。每6個(gè)月一次的乘組輪換,每8個(gè)月一次的貨物上行,都將源源不斷地助力著“天宮”空間站,讓這一中國(guó)人的太空家園行穩(wěn)致遠(yuǎn)。
“天宮”空間站的建設(shè)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。隨著“天和二號(hào)”核心艙的披露,空間站的擴(kuò)建工程也將提上議事日程?!疤旌投?hào)”的核心艙的構(gòu)型與“天和”核心艙完全一致,也將具備停泊兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的能力,或許在幾年后,一個(gè)具有6個(gè)主要艙段,重逾180噸的完全體“天宮”空間站將在太空中馳騁,為全球的科研人員提供服務(wù),拓展全人類的知識(shí)邊界。
自1992年起中國(guó)載人航天工程立項(xiàng)至今,已然過(guò)去了30年。進(jìn)入而立之間的中國(guó)載人航天事業(yè)正值當(dāng)時(shí)。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)回望今天,或許空間站也僅僅是個(gè)開(kāi)始。從地球出發(fā),我們也終將走向更遼闊而壯麗的星辰之中。
出品:科普中國(guó)
作者:冰結(jié)向日葵
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
保衛(wèi)臭氧層,現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)
這個(gè)在南極上空的大氣臭氧層上意外發(fā)現(xiàn)的空洞,改變了人們的生活,并幫助確立了一項(xiàng)成功的全球環(huán)境政策。
“等等,南極臭氧層空洞難道不是上個(gè)世紀(jì)的遺留問(wèn)題了么,我小學(xué)就聽(tīng)老師講過(guò)了”“這么久不被提起,是不是已經(jīng)修復(fù)了?”
其實(shí)不然,保護(hù)臭氧層,依然是進(jìn)行時(shí)。
臭氧層到底在哪里
在地球誕生40億年后,隨著大氣中氧含量的增加,臭氧層慢慢建立。這平鋪在地表上不過(guò)2.5(2.45)mm厚的薄層,——大約是兩個(gè)半疊起來(lái)的硬幣,卻吸收了到達(dá)地球的90%以上的紫外線輻射(波長(zhǎng)在180~280nm),同時(shí)它將吸收的紫外線轉(zhuǎn)化為熱能加熱大氣,才有了平流層(距離地表約10-50km)的存在。在平流層中,臭氧在陽(yáng)光的作用下不斷重復(fù)著生成和破壞的化學(xué)反應(yīng)。
臭氧濃度并不是垂直均勻分布的,它隨海拔高度而變化。臭氧濃度最大值(0.0015%)出現(xiàn)在海拔30到35公里之間。其水平分布也不均勻,在世界三極地區(qū),即南極、北極和青藏高原由于氣候寒冷,臭氧層更加稀薄。
臭氧濃度垂直分布 圖片來(lái)源:NASA
臭氧層對(duì)我們有多重要?
臭氧層是地球生物進(jìn)化的“保護(hù)傘”和“護(hù)航者”。臭氧層可以吸收大部分紫外線輻射,屏蔽所有能量最大的UVC輻射,大部分UVB輻射,以及約一半的UVA輻射。在臭氧層的庇護(hù)下,地球生命的基礎(chǔ)物質(zhì)——脫氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)逃脫了紫外輻射的“魔爪”,生命得以向淺海和陸地發(fā)展。隨著生命多樣性的增加,才有了人類出現(xiàn)。
而臭氧層的損耗增加了到達(dá)地球表面的紫外線,特別是中段紫外線的數(shù)量,可能導(dǎo)致皮膚癌和眼睛損傷等一系列健康問(wèn)題。不僅如此,UVB輻射還影響植物的生理和發(fā)育過(guò)程,使得浮游植物的產(chǎn)量直接減少,影響海洋生物的繁殖發(fā)育,從而對(duì)整個(gè)海洋食物鏈產(chǎn)生影響。同時(shí),它影響陸地和水體的生物地球化學(xué)循環(huán),我們生產(chǎn)生活中需要的建筑材料也會(huì)隨著UVB的增加而加速分解??梢哉f(shuō),臭氧層的持續(xù)損耗造成的損失是難以估量的。
既然臭氧層遍布全球,人們是怎么發(fā)現(xiàn)南極出現(xiàn)一個(gè)大窟窿的呢?
誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了臭氧層空洞
最初,制冷和空調(diào)系統(tǒng)使用的制冷劑是易燃有毒的。20世紀(jì)30年代初,小托馬斯 米基雷(Thomas Midgely Jr.)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了無(wú)毒、且不易燃的制冷劑替代品-氯氟烴(CFCs),便宜好用,深受歡迎。到20世紀(jì)70年代初,全球范圍內(nèi)氯氟烴的年產(chǎn)量達(dá)到了近100萬(wàn)噸,在化學(xué)工業(yè)中占了大約5億美元的份額。
1974年,科學(xué)家馬里奧 莫利納(Mario Molina)和舍伍德 羅蘭德(F. Sherwood Rowland)發(fā)表了一篇論文,指出CFCs雖然對(duì)人體無(wú)害,但可能破壞地球平流層的臭氧。這一發(fā)現(xiàn)遭到了產(chǎn)業(yè)界的攻擊,研究也受到了科學(xué)家的質(zhì)疑。
1985年,英國(guó)南極調(diào)查局的三位大氣科學(xué)家喬 法曼(Joe Farman)、布萊恩 加德納(Brian Gardiner)和喬納森 尚克林(Jonathan Shanklin)在《自然》雜志發(fā)表論文,首次證實(shí)了臭氧洞的存在。
他們發(fā)現(xiàn)南極哈雷(Halley)站和法拉第(Faraday)站上空平流層臭氧水平出現(xiàn)了意料之外的大幅下降。他們的數(shù)據(jù)顯示,經(jīng)過(guò)大約20年的穩(wěn)定后,臭氧水平在20世紀(jì)70年代末左右的南方春季月份開(kāi)始下降。到1984年10月,哈雷站上空平流層的臭氧層只有前幾十年的三分之二厚,喬 法曼等人大膽地認(rèn)為這與人類使用的CFCs有關(guān),這種化合物由于無(wú)毒便宜經(jīng)常用于氣霧劑罐和冰箱等冷卻設(shè)備。這一現(xiàn)象后來(lái)被稱為南極臭氧空洞。
1979-2012年觀測(cè)到的臭氧層空洞范圍變化 圖片來(lái)源:NASA
很快的,1986年,美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的研究員蘇珊 所羅門(mén)(Susan Solomon)帶領(lǐng)科學(xué)家們通過(guò)建立大氣模型,終于解釋了CFCs影響臭氧層的化學(xué)機(jī)制。
通過(guò)10年的不斷努力,科學(xué)家們最終確定CFCs的氯是造成南極臭氧損失的最主要原因,極地渦旋和極地平流層云冰粒的存在加速了這一過(guò)程,并且在北極也發(fā)生了同樣的化學(xué)反應(yīng)。實(shí)際上不止是兩極,臭氧趨勢(shì)委員會(huì)于1988年發(fā)布的一個(gè)報(bào)告證實(shí)臭氧損耗全球都存在。至此,臭氧層空洞及背后的秘密終于被揭開(kāi),這一發(fā)現(xiàn)震驚了世界。因“對(duì)大氣化學(xué)的研究工作,特別是臭氧的形成與分解”,莫利納和羅蘭德獲得了1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
1995年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家 圖片來(lái)源:https://ozone.unep.org/ozone-timeline
臭氧層空洞,是個(gè)洞么?其實(shí)不是
臭氧層空洞,聽(tīng)起來(lái)就像是臭氧層漏了個(gè)洞?這個(gè)洞到底有多大呢,我們又是怎么判定的?
臭氧觀測(cè)的主要方式 圖片來(lái)源:NOAA
每天,科學(xué)家會(huì)通過(guò)站點(diǎn)儀器監(jiān)測(cè)臭氧的變化,還會(huì)通過(guò)氣球、飛機(jī)和衛(wèi)星探測(cè)不同高度上的臭氧含量。
科學(xué)家正準(zhǔn)備放探測(cè)氣球 圖片來(lái)源:NOAA
臭氧空洞并不是指某個(gè)地區(qū)上空完全沒(méi)有臭氧,也并非是一直都存在,而是指在南半球的春天(8月-10月)開(kāi)始時(shí),發(fā)生在南極上空平流層的一個(gè)臭氧異常消耗的區(qū)域。南極臭氧層空洞最大的時(shí)候曾達(dá)到2950萬(wàn)平方公里,相當(dāng)于3個(gè)中國(guó)的面積。
臭氧層到底有沒(méi)有“洞“,其實(shí)是總臭氧柱說(shuō)了算。
南極上空的臭氧層空洞 圖片來(lái)源:NASA
臭氧空洞的面積是根據(jù)總臭氧柱圖確定的,科學(xué)家以220多布森(DU)為單位來(lái)判定。
多布森(DU)是測(cè)量臭氧總量的單位,以英國(guó)物理學(xué)家和氣象學(xué)家戈登 多布森(Gordon Dobson)的名字命名。如果把所有的臭氧放在一個(gè)從地球表面一直延伸到太空的空氣柱中,把所有的臭氧放在標(biāo)準(zhǔn)溫度(0攝氏度)和標(biāo)準(zhǔn)氣壓(1013.25Pa,或一個(gè)大氣壓,用atm表示)下,它等于在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下千分之一厘米臭氧層的厚度。300DU標(biāo)態(tài)下表示單位面積上有3mm厚臭氧,而這正是地球上空臭氧的平均總量值。
之所以選擇220DU為判定標(biāo)準(zhǔn),是因?yàn)樵?979年以前的南極洲歷史觀測(cè)中,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)臭氧總量低于220多布森單位。此外,從對(duì)南極洲上空的直接測(cè)量結(jié)果來(lái)看,臭氧水平低于220多DU是氯和溴化合物造成臭氧損失的結(jié)果。被220DU線包圍的區(qū)域計(jì)算出來(lái)的,就是被公布的臭氧空洞的面積。所以,臭氧層空洞根本不是一個(gè)洞,而是臭氧含量的低值區(qū)。
臭氧層修復(fù)行動(dòng)
從1986年確定發(fā)現(xiàn)CFCs破壞了臭氧層到全球人類自發(fā)決定采取行動(dòng)修復(fù)它,可以說(shuō)是氣候行動(dòng)主義歷史上最快速也是最成功的故事之一。
1987年《蒙特利爾議定書(shū)》落定 圖片來(lái)源:https://ozone.unep.org/ozone-timeline
1987年9月16日,美國(guó)和其他45個(gè)國(guó)家簽署了《蒙特利爾議定書(shū)》,議定書(shū)承諾各簽署國(guó)逐步淘汰損害臭氧層的鹵化化合物,包括氯氟烴、氟氯烴和含溴碳?xì)浠衔?,以降低大氣中的氯和溴水平,并減輕進(jìn)一步的臭氧消耗。我國(guó)于1991年加入議定書(shū)。到今天,已有197個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)了這項(xiàng)條約。這是聯(lián)合國(guó)歷史上第一個(gè)被普遍通過(guò)的條約,這一天也在全球范圍內(nèi)被標(biāo)記為國(guó)際臭氧層保護(hù)日。
隨著科學(xué)家對(duì)臭氧消耗物的深入了解,2016年10月15日,盧旺達(dá)基加利通過(guò)了《基加利修正案》,將氫氟碳化物(HFCs)這一人工合成的強(qiáng)溫室氣體納入《蒙特利爾議定書(shū)》管控范圍,我國(guó)也于2021年成為該修正案第122個(gè)締約方。正是在全世界人們的共同努力下,超過(guò)98%的臭氧層消耗物被淘汰。
2016年,蘇珊 所羅門(mén)和她的同事發(fā)表在science上的研究提出,在《蒙特利爾議定書(shū)》生效近30年后,南極臭氧空洞終于出現(xiàn)了消失的跡象,南極洲上空的臭氧量已經(jīng)開(kāi)始增加。
自2000年以來(lái),9月(臭氧層空洞最明顯的月份)檢測(cè)到了臭氧柱數(shù)量的增加,臭氧濃度垂直剖面的變化,以及臭氧空洞面積的減小。通過(guò)利用數(shù)值模式模擬地球變化,他們直接證實(shí)了《蒙特利爾議定書(shū)》的作用。觀測(cè)結(jié)果與模式預(yù)測(cè)相符,超過(guò)一半的空洞減少可以歸結(jié)為大氣中氯的減少。
美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)聯(lián)合主席保羅 紐曼(Paul Newman)也表示:“如果不采取這些措施,到2065年,臭氧層的三分之二將被破壞?!盢OAA研究指出,如果今天大氣中氯氟烴的氯含量和本世紀(jì)初一樣高,那么在同樣的天氣條件下,2021年的臭氧空洞可能會(huì)擴(kuò)大約400萬(wàn)平方公里。
這張圖描繪了自1979年至今臭氧消耗高峰季節(jié)南極臭氧空洞的平均范圍,可以發(fā)現(xiàn)該范圍已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 圖片來(lái)源:NOAA
一切看起來(lái)都在向更好的未來(lái)前進(jìn)。那么,南極臭氧層空洞到底什么時(shí)候才能完全修復(fù)呢?
聯(lián)合國(guó)一份報(bào)告認(rèn)為,如果一切按計(jì)劃進(jìn)行,到21世紀(jì)60年代,臭氧層空洞可能會(huì)被修復(fù)。在其他臭氧消耗不那么嚴(yán)重的地區(qū),恢復(fù)正常可能會(huì)更快。北極和北半球中緯度地區(qū)的臭氧水平可能會(huì)在本世紀(jì)30年代達(dá)到這個(gè)水平,而南半球中緯度地區(qū)的臭氧水平可能會(huì)在本世紀(jì)中葉達(dá)到上世紀(jì)80年代的水平。
故事仍未結(jié)束
需要指出的是,協(xié)議要求CFCs在20世紀(jì)90年代停止生產(chǎn),這意味著即使在完全停止生產(chǎn)CFCs很長(zhǎng)一段時(shí)間后,使用CFCs制冷的舊設(shè)備被處理或銷毀的過(guò)程中,CFCs排放仍將繼續(xù)向大氣中提供極具破壞性、壽命長(zhǎng)的氣體。由于其壽命為50到100年,所以20世紀(jì)70年代和80年代產(chǎn)生的氯分子仍在大氣中存在。而到目前為止,我們依然可以在北極、在熱帶發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞現(xiàn)象。但是不可否認(rèn)的是,在大家的共同努力下,故事在慢慢往更積極樂(lè)觀的方向發(fā)展。
從太空中看到的地球大氣層 圖片來(lái)源:NASA
在今天,我們依然提起臭氧層空洞和臭氧層保護(hù),是為了提醒大家,一個(gè)新的艱難挑戰(zhàn)正擺在我們面前——全球變暖。
雖然臭氧消耗和全球變暖是兩個(gè)不同的問(wèn)題,但同一個(gè)大氣使得他們交織在一起——許多臭氧消耗化合物也是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。部分研究認(rèn)為,溫室氣體導(dǎo)致的變暖加劇改變了大氣中的行星環(huán)流,從而導(dǎo)致熱帶地區(qū)臭氧減少,北極和中緯度地區(qū)臭氧增加。
但正如卡羅門(mén)所說(shuō):“臭氧層保護(hù)給了我們希望,我們不應(yīng)該害怕解決面臨的大型環(huán)境問(wèn)題。”在30年前,我們就可以團(tuán)結(jié)一心保護(hù)臭氧層,那么我們有理由相信,人類有能力,并且有希望,通過(guò)全球協(xié)作解決人類共同面臨的氣候環(huán)境問(wèn)題。
我們始終需要科學(xué)的指引。因?yàn)椤?span style=" padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">科學(xué)不會(huì)告訴我們?cè)撟鍪裁?,但?huì)告訴我們這么做或那么做的結(jié)果。是否要為氣候變化采取行動(dòng)不是靠科學(xué)家來(lái)說(shuō)的,而是一種社會(huì)責(zé)任,是道德問(wèn)題?!保R里奧 莫利納)
參考文獻(xiàn):
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作者單位:中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所
向著太陽(yáng)的方向前進(jìn)!
2022年10月9日7時(shí)43分,我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心采用長(zhǎng)征二號(hào)丁型運(yùn)載火箭,成功將“夸父一號(hào)”發(fā)射升空,且衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。
“夸父一號(hào)”發(fā)射景象 (圖片來(lái)源:新華社)
用了夸父這樣的名字,朋友們很容易就能想到一個(gè)咱們的神話故事——夸父逐日。
神話中的夸父
神話中的遠(yuǎn)古時(shí)候,有一群力大無(wú)窮的巨人,他們的首領(lǐng)叫做“夸父”。有一年的天氣非常熱,火辣辣的太陽(yáng)直射在大地上,烤死莊稼,曬焦樹(shù)木,河流干枯。酷熱讓人難以忍受,夸父族的人紛紛死去??粗纯嗖豢暗淖迦耍涓笡Q心捉住太陽(yáng),讓大家的生活回歸正軌。
夸父追逐太陽(yáng),一路追趕到太陽(yáng)落下的地方。跑了這么久又累又被太陽(yáng)烤,他感到口渴想要喝水,喝干了黃河、渭河的水,但這兩條河的水還不夠他止渴,于是他又出發(fā)去喝北方的大湖水,但夸父還沒(méi)有到達(dá)大湖,就在半路渴死了。他死后,手中的手杖遺棄下來(lái),化作了桃林,這片桃林終年茂盛,為往來(lái)的過(guò)客遮蔭,結(jié)出的鮮桃,為勤勞的人們解渴。
這段故事的原文是《山海經(jīng) 海外北經(jīng)》:“夸父與日逐走,入日??视蔑?,飲于河渭,河渭不足,北飲大澤。未至,道渴而死。棄其杖,化為鄧林?!?/span>
人教版小學(xué)語(yǔ)文課文配圖的夸父逐日 (圖片來(lái)源:教材掃描)
神話小故事中定義了“夸父”是追逐太陽(yáng)的人,反映了古代人民探索大自然的強(qiáng)烈愿望和頑強(qiáng)意志。那么,人類觀測(cè)、探索太陽(yáng)的航天器,采用這個(gè)名字,是很有文化內(nèi)涵的。
現(xiàn)實(shí)中的“夸父”——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)(ASO-S)
本文的主題——夸父一號(hào)衛(wèi)星,筆者所在的單位正是牽頭單位。
這顆衛(wèi)星的科學(xué)名稱叫做先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)(Advanced Space-based Solar Observatory,簡(jiǎn)稱ASO-S),早在2011年就已經(jīng)由我國(guó)科學(xué)家自主提出,在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下,ASO-S先后經(jīng)歷了預(yù)先研究、背景型號(hào)研究和綜合論證,2017年底獲得中國(guó)科學(xué)院批復(fù)正式工程立項(xiàng),并最終研制發(fā)射。我們耳熟能詳?shù)摹拔蚩铡?、“墨子?hào)”、“慧眼”、“實(shí)踐十號(hào)”、“太極一號(hào)”、“懷柔一號(hào)”這些衛(wèi)星,都是該先導(dǎo)專項(xiàng)支持研發(fā)的。
“夸父”這個(gè)名字其實(shí)早就被用于中國(guó)的太陽(yáng)觀測(cè)計(jì)劃——北京大學(xué)涂傳詒院士在2003年提出的“夸父計(jì)劃”(Kuafu Mission),可惜計(jì)劃最終未能實(shí)施??涓赣?jì)劃曾經(jīng)計(jì)劃在每11年為周期的太陽(yáng)活動(dòng)峰值年份(2012-2014年)發(fā)射并探測(cè)太陽(yáng)的活動(dòng),而ASO-S衛(wèi)星也有此意,瞄準(zhǔn)的是咱們現(xiàn)在正在經(jīng)歷的太陽(yáng)活動(dòng)第25周的峰年,并實(shí)現(xiàn)我國(guó)綜合性太陽(yáng)衛(wèi)星探測(cè)零的突破。
突破的是什么呢?ASO-S是一顆科學(xué)衛(wèi)星,它的科學(xué)目標(biāo)可以簡(jiǎn)稱為“一磁兩暴”——“一磁”就是太陽(yáng)磁場(chǎng),太陽(yáng)和地球一樣有磁場(chǎng),甚至比地球的磁場(chǎng)更強(qiáng),太陽(yáng)上的日珥、黑子等等都與它的磁場(chǎng)有關(guān);“兩暴”則是指太陽(yáng)上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,分別是太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射,耀斑是太陽(yáng)上耀眼的光斑,而“日冕物質(zhì)拋射”指的是太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)把自己外層名為“日冕”的圈層中的物質(zhì)大量噴出到太空當(dāng)中。ASO-S對(duì)太陽(yáng)的研究是多方面一體的,即觀測(cè)和研究太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的起源及三者之間可能存在的因果關(guān)系。
171 (17.1nm)輻射成像下的太陽(yáng),能看到耀斑和日冕物質(zhì)拋射 (圖片來(lái)源:美國(guó)太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)SDO)
對(duì)于ASO-S的名字,在2022年7月,衛(wèi)星工程部門(mén)就向全國(guó)征名,共搜集到25000多份提名,其中三分之一都建議命名為“夸父”,最后選擇使用“夸父一號(hào)”作為衛(wèi)星的名稱。也許可以說(shuō),從前未能實(shí)施的夸父計(jì)劃,在這個(gè)新的太陽(yáng)觀測(cè)系列衛(wèi)星身上,得到了新生。
這顆衛(wèi)星如何探測(cè)太陽(yáng)呢?
我們知道了“夸父一號(hào)”衛(wèi)星正在幫助人類更好的認(rèn)識(shí)太陽(yáng),通過(guò)的是對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射這三者的觀測(cè)和研究,但是它只是一顆地球周圍的衛(wèi)星,要怎么探測(cè)太陽(yáng)上的這些事物呢?
首先“夸父一號(hào)”衛(wèi)星采用的是高度720千米左右、周期約99分鐘的太陽(yáng)同步晨昏軌道。所謂的太陽(yáng)同步,是因?yàn)樾l(wèi)星飛行時(shí)受到非均勻的地球引力,軌道平面會(huì)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),從宇宙中看,它一方面圍繞地球飛行且跟隨者地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),另一方面軌道平面也圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng),保持這個(gè)面一直朝向太陽(yáng)。
我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)月亮永遠(yuǎn)只有正面面向地球、永遠(yuǎn)也看不見(jiàn)背面,衛(wèi)星的太陽(yáng)同步軌道面也是如此,如同鏡面的正反面,只有一面一直朝向太陽(yáng)?!翱涓敢惶?hào)”衛(wèi)星采取的軌道平面更是沿著地球晨昏線的,這使得它幾乎一年到頭都可以曬到太陽(yáng)——只有在每年的5月中旬到8月共約2.5個(gè)月的時(shí)間存在陰影,每天最長(zhǎng)陰影時(shí)間18分鐘。因此,它幾乎一直可以觀測(cè)太陽(yáng)。
那么它觀測(cè)什么呢?那就要說(shuō)到它的載荷。“夸父一號(hào)”衛(wèi)星搭載了全日面矢量磁像儀(磁象儀)、萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡和太陽(yáng)硬X射線成像儀。
磁場(chǎng)是一種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì),但實(shí)際上經(jīng)過(guò)“偏振”的太陽(yáng)光,在沒(méi)有磁場(chǎng)的區(qū)域就得到兩個(gè)亮度相同的單色像,而在有磁場(chǎng)的區(qū)域就得到兩個(gè)亮度不同的像,磁場(chǎng)愈強(qiáng),兩個(gè)像的亮度差愈大。因此,“夸父一號(hào)”衛(wèi)星的全日面矢量磁像儀由成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)三大功能塊組成,在常規(guī)觀測(cè)模式下,單磁場(chǎng)分量觀測(cè)由128 2幀圖像完成,一組矢量磁圖用時(shí)2分鐘,通過(guò)這種方式獲得太陽(yáng)磁場(chǎng)的信息。
中科院國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地觀測(cè)的一個(gè)區(qū)域的太陽(yáng)矢量磁圖
白色和黑色代表磁場(chǎng)正負(fù),藍(lán)色和紅色箭頭分別為正負(fù)極性處的橫向磁場(chǎng)
(圖片來(lái)源:先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)官網(wǎng))
“萊曼阿爾法”(Ly )是一種輻射的波段,太陽(yáng)萊曼阿爾法發(fā)射線是太陽(yáng)紫外光譜中最強(qiáng)的一條發(fā)射線。早期研究表明,太陽(yáng)耀斑發(fā)生期間,該譜線表現(xiàn)出明顯的輻射增強(qiáng),后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它能很好的表征太陽(yáng)外層的色球?qū)印⑷彰岬鹊奶卣??!翱涓敢惶?hào)”的萊曼阿爾法全日面成像儀在波段(121.6 4.5 nm)以4-40秒的時(shí)間間隔對(duì)太陽(yáng)從日面中心到1.2個(gè)太陽(yáng)半徑進(jìn)行成像觀測(cè),可以幫助我們揭開(kāi)太陽(yáng)的神秘面紗。
我們體檢的時(shí)候有時(shí)會(huì)用穿透力很強(qiáng)的“X光”拍照檢查身體的內(nèi)側(cè),“硬X射線”是能量較高的x光,波長(zhǎng)在0.01nm~0.1nm之間(如果波長(zhǎng)大于0.1nm就叫軟X射線了)。硬X射線也是太陽(yáng)一種重要的輻射,太陽(yáng)上的許多活動(dòng)都可以用硬X射線更好地看到。因此,太陽(yáng)硬X射線成像儀對(duì)太陽(yáng)的拍照,也有助于研究太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等活動(dòng)。
有了這三種儀器,“夸父一號(hào)”衛(wèi)星能夠從多個(gè)方面探測(cè)太陽(yáng)爆發(fā),有助于研究太陽(yáng)活動(dòng)的科學(xué)原理,更有助于預(yù)報(bào)空間天氣,為我國(guó)空間環(huán)境的安全提供保障。
頭頂?shù)男浅酱蠛J冀K是人類的向往,“夸父”逐日的故事告訴我們,在探索深空、探索自然的長(zhǎng)路上,人類從未止步。
出品:科普中國(guó)
作者:王錚
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
編輯:孫晨宇
如果這部分干熱巖可以實(shí)現(xiàn)2%的開(kāi)采率,那么將...
不過(guò)眼睛總是會(huì)騙人,實(shí)際情況或許出乎大家意料。地球其實(shí)是一個(gè)外冷內(nèi)熱的小火球,內(nèi)部蘊(yùn)含著很高的熱量。雖然不能與太陽(yáng)這種大火球相比,但據(jù)估計(jì)地球中心的溫度也達(dá)到了驚人的6000 。
地球內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖片來(lái)源:flickr/ Argonne’s Advanced Photon Source
有學(xué)者認(rèn)為地球熱量來(lái)源主要有三個(gè),一是地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量,二是地球內(nèi)部致密物質(zhì)下沉到地心時(shí)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成的熱量,三是地球形成時(shí)尚未散失的熱量。總而言之,這些都是地球自身產(chǎn)生的熱量。
這些能量能不能被人類利用起來(lái)?今天,就給大家介紹一種“未來(lái)能源”——干熱巖。
地下除了溫泉,巖石也很熱啊
雖然地心高溫,但是據(jù)資料顯示,地表年平均溫度只有15 左右。這是因?yàn)閺牡匦牡降乇?span style=" padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">熱量逐漸散失,溫度越來(lái)越低,這也讓地層中出現(xiàn)了地溫梯度。在靠近地表的區(qū)域,平均地溫梯度是3 /100m,即每深入地下100 m,溫度就升高3 ;反過(guò)來(lái),每向地表靠近100m,溫度降低3 。
發(fā)現(xiàn)這些來(lái)自地下的熱量后,人類就想加以利用,將其稱為地?zé)豳Y源,并按照產(chǎn)出方式分為水熱型地?zé)豳Y源和干熱型地?zé)豳Y源。
水熱型地?zé)豳Y源可以簡(jiǎn)單理解為地下熱水。溫泉就屬于水熱型地?zé)豳Y源,這是地下熱水冒出地表后的產(chǎn)物。還有一些地下熱水并不冒出地表,而是一直封存于地下。水熱型地?zé)豳Y源的應(yīng)用實(shí)例,除了泡溫泉之外,在國(guó)內(nèi)比較著名的就是西藏羊八井地?zé)崽?/span>了,1977年我國(guó)就在此建了一座地?zé)岚l(fā)電站,并取得了良好效益。
泡溫泉就是利用的水熱型地?zé)豳Y源 圖片來(lái)源:wikipedia
相應(yīng)的,干熱型地?zé)豳Y源可以理解為雖然地下的巖層很熱,但沒(méi)有水或者只存在很少的水。一般是指埋藏于地殼3~10 km 深處、溫度高于180 (也有學(xué)者認(rèn)為是150 或者200 )的高溫巖體,因此干熱型地?zé)豳Y源也被稱為干熱巖。
之所以強(qiáng)調(diào)3~10 km這個(gè)深度,倒不是說(shuō)更深的就不熱了,而是因?yàn)?span style=" padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">更深的地方我們夠不著了。目前人類最深的鉆井記錄是蘇聯(lián)的科拉超深井,花了20年時(shí)間才達(dá)到12.2 km,而且耗資巨大。因此我們一般只關(guān)注那些地溫梯度比較高,即挖得不深就能很熱的地方,這里投入產(chǎn)出比比較高。中國(guó)的干熱巖資源主要集中在西藏羊八井地區(qū)、云南騰沖地區(qū)以及青海共和盆地等地。
中國(guó)干熱巖資源分布圖 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[13]
干熱巖的資源量是相當(dāng)可觀的。據(jù)麻省理工學(xué)院保守估計(jì),地殼中可開(kāi)采的干熱巖儲(chǔ)量接近1.3 10^27 J,可供全球使用大約2.17億年。而中國(guó)大陸3~10 km 深度的干熱巖資源據(jù)統(tǒng)計(jì)約為2.52 10^25 J,大致相當(dāng)于860萬(wàn)億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)中國(guó)2021年的能源消費(fèi)總量52.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算,如果這部分干熱巖可以實(shí)現(xiàn)2%的開(kāi)采率,那么將能夠維持中國(guó)3282年的能源供給。
不過(guò),干熱巖這種資源這么好,怎么還不開(kāi)采利用呢?
能量誘人,開(kāi)采不易
雖然干熱巖資源的前景非常誘人,但開(kāi)采起來(lái)困難極大,直到上世紀(jì)70年代才有了較大的理論突破。1970年,美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室提出了增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced geothermal system, EGS)的概念,基本原理大概是這樣的:向地?zé)醿?chǔ)層中打兩個(gè)井,注入井和生產(chǎn)井。向注入井中注入冷水,等冷水流經(jīng)地?zé)醿?chǔ)層被加熱后,再用生產(chǎn)井把熱水抽上來(lái),然后就能用這熱水供暖或發(fā)電了,用完還可以將這些水導(dǎo)入地下循環(huán)利用。
EGS工程示意圖 圖片來(lái)源:作者自制
這個(gè)方案乍聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)便劃算,等于說(shuō)讓冷水去地?zé)醿?chǔ)層串門(mén)后,就能帶著熱量滿載而歸了,但實(shí)際存在很多工程技術(shù)上的難題。比如干熱巖資源所處的地層往往又熱又硬,鉆井難度大、成本高;又比如干熱巖儲(chǔ)層可能致密不透水,注入的冷水無(wú)法向鉆井周邊擴(kuò)散吸熱,難以流到生產(chǎn)井被抽出。
盡管我們可以通過(guò)水力壓裂技術(shù)(注入高壓水破壞儲(chǔ)層結(jié)構(gòu),在其中形成裂隙網(wǎng)絡(luò))來(lái)改善儲(chǔ)層的滲透率,但由于地下操作看不見(jiàn)摸不著,高壓水注下去后,難以保證裂隙就只按我們想要的方向發(fā)展,萬(wàn)一它向遠(yuǎn)離生產(chǎn)井的方向發(fā)展,那我們注入的水就收不上來(lái)了。
水力壓裂技術(shù)示意圖,向地下注入高壓水溶液,利用高壓使得巖層中產(chǎn)生裂隙,目前頁(yè)巖油采集也主要使用本技術(shù) 圖片來(lái)源:Wikipedia
1973年,美國(guó)開(kāi)啟了Fenton Hill干熱巖試驗(yàn)項(xiàng)目,首次進(jìn)行了EGS的工程嘗試。雖然這個(gè)項(xiàng)目最終因鉆井設(shè)備缺陷以及工程成本巨大等原因失敗了,但也證實(shí)了EGS技術(shù)上的可行性,對(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)采起到了至關(guān)重要的推進(jìn)作用。此后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞以及日本等相繼開(kāi)展了一系列的EGS 工程嘗試,其中由法、英、德三國(guó)于Soultz聯(lián)合開(kāi)展的EGS系統(tǒng)是目前世界上較為成功的EGS示范項(xiàng)目,于2008年實(shí)現(xiàn)了干熱巖地?zé)岚l(fā)電。
在歐洲的EGS技術(shù)成功后,美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)等國(guó)家也加速了這方面研究。美國(guó)能源部于2015 年4 月開(kāi)始實(shí)施了“給地球插上插頭”的干熱巖“地?zé)崮芮把夭t望臺(tái)研究計(jì)劃”(FORGE),計(jì)劃在2050 年將EGS 發(fā)電的總裝機(jī)容量提高到10 萬(wàn)兆瓦,相當(dāng)于4個(gè)三峽大壩。
韓國(guó)于2016 年啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)EGS 項(xiàng)目嘗試—Pohang EGS,其最終目標(biāo)是期望實(shí)現(xiàn)1 兆瓦(MWe )的發(fā)電示范。但在該項(xiàng)目啟動(dòng)后,2017年在項(xiàng)目所在地附近發(fā)生了一次5.5級(jí)地震,有研究認(rèn)為可能是這個(gè)項(xiàng)目向地下注水時(shí)誘發(fā)了地震,因此這個(gè)項(xiàng)目被迫停止。
韓國(guó)2017年浦項(xiàng)地震一角,這是該國(guó)近年來(lái)最大的地震之一,被懷疑很可能與EGS有關(guān)。 圖片來(lái)源:wikipedia
中國(guó)科學(xué)家2017年5月在青海共和盆地東部的GR1 地?zé)峋?705 米深處鉆獲了236 的高溫巖體,這是國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體;2022年1月,在共和盆地成功實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首次干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電并網(wǎng),取得歷史性重大突破。
共和盆地干熱巖壓裂與定向鉆探現(xiàn)場(chǎng) 圖片來(lái)源:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局
除了傳統(tǒng)的EGS方法外,還有學(xué)者另辟蹊徑。其中值得一提的就是我國(guó)學(xué)者創(chuàng)新提出的重力熱管技術(shù),原理很巧妙:把一根導(dǎo)熱性極好的管道插入到干熱巖地層中,然后熱管就會(huì)自動(dòng)把熱量傳導(dǎo)上來(lái)。不過(guò)由于距離很長(zhǎng),只用熱管的話可能采熱效率不佳,為此我們可以向管中注入氨水,氨水受熱后容易汽化,可以很方便地把熱量以蒸汽的形式帶上來(lái),進(jìn)一步提高了采熱率。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2022年1月報(bào)道了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局與中科院廣州能源研究所合作創(chuàng)新研制的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的4200米重力熱管采熱試驗(yàn)裝置。在雄安新區(qū)為期3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)采熱試驗(yàn)顯示,單井短時(shí)采熱功率可達(dá)1.3兆瓦,平均采熱功率800千瓦,長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行可支撐供暖面積超2萬(wàn)平方米。這一技術(shù)突破也是我國(guó)科技工作者對(duì)世界地?zé)豳Y源開(kāi)采事業(yè)的一大貢獻(xiàn)。
重力熱管技術(shù)示意圖 圖片來(lái)源:作者自制
干熱巖開(kāi)采的隱患,怎么解決?
有人擔(dān)憂干熱巖開(kāi)采可能引發(fā)的問(wèn)題。一是誘發(fā)地震,如前文提到的韓國(guó)地震。不過(guò),事實(shí)上這里的地震問(wèn)題主要是水力壓裂導(dǎo)致的,其他使用水力壓裂技術(shù)的工作比如頁(yè)巖氣開(kāi)采等也可能引發(fā)類似的問(wèn)題。而已有研究指出水力壓裂對(duì)3級(jí)以上地震活動(dòng)影響有限,同時(shí)水力壓裂誘發(fā)的微地震可能有助于釋放累積的地應(yīng)力或能量,降低大震風(fēng)險(xiǎn)。此外還有學(xué)者認(rèn)為水力壓裂導(dǎo)致的地震是可以控制的。
二是影響地球壽命。地?zé)豳Y源是地球自身熱量的一部分,我們自作主張拿走了地?zé)豳Y源,有人擔(dān)心會(huì)是殺雞取卵。應(yīng)該說(shuō)地球內(nèi)部的龐大熱量確實(shí)是地球還“活著”的象征,它是地球上多種地質(zhì)活動(dòng)比如火山和地震的動(dòng)力來(lái)源,等哪一天它消耗用盡后,地球就可能會(huì)冷卻成月球那樣,變成沒(méi)有生機(jī)與活力的荒原。但大家對(duì)此其實(shí)不用太擔(dān)心,因?yàn)槿祟惈@取的這一點(diǎn)熱量相對(duì)于整個(gè)地球而言實(shí)在是九牛一毛。而且即便人類不拿走,地球也要通過(guò)火山或地震來(lái)釋放自己的旺盛精力。
三是耗水量大,且影響生態(tài)環(huán)境。在EGS 儲(chǔ)層改造過(guò)程中,通常需要耗費(fèi)數(shù)萬(wàn)立方米的水資源,如前文提到的Soultz項(xiàng)目壓裂液用量就超過(guò)10萬(wàn)立方米。而我國(guó)干熱巖資源主要分布在青海、西藏等水資源缺乏及生態(tài)脆弱的干旱地區(qū),水力壓裂帶來(lái)的水資源浪費(fèi)和生態(tài)破壞等問(wèn)題不能忽視。對(duì)此有學(xué)者提出了用超臨界CO2充當(dāng)壓裂液的方法,一來(lái)節(jié)約水資源,二來(lái)助力碳中和。目前是研究熱點(diǎn),希望可以早日大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)踐。
結(jié)語(yǔ)
總的來(lái)說(shuō),雖然很多國(guó)家都制定了開(kāi)采干熱巖資源的宏偉計(jì)劃,但各國(guó)普遍還處于小規(guī)模的試驗(yàn)探索階段。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院研究員王貴玲直言:“(干熱巖開(kāi)采技術(shù))50年的時(shí)間沒(méi)有特別明顯的進(jìn)展”。而中國(guó)因?yàn)槠鸩捷^晚,技術(shù)積累方面相對(duì)更加薄弱。
但毋庸置疑的是,干熱巖是極富潛力的未來(lái)能源,儲(chǔ)量巨大,且綠色無(wú)污染,一旦在開(kāi)采技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破,就能很好地造福人類社會(huì)。
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作者:肖易東 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
期待中國(guó)未來(lái)算力的發(fā)展,你我都會(huì)參與其中并受益
一起來(lái)盤(pán)一盤(pán)人工增雨這件事兒
(圖片來(lái)源:國(guó)家氣候中心)
有網(wǎng)友問(wèn):“高溫這么長(zhǎng)時(shí)間,為何不能一直增雨降溫?”“人工增雨播撒催化劑對(duì)環(huán)境有沒(méi)有影響?”今天,我們以6個(gè)小問(wèn)題引入,一起來(lái)盤(pán)一盤(pán)人工增雨這件事兒。
一問(wèn):什么是人工增雨?為啥不是“人工降雨”?
在了解人工增雨之前,我們首先需要知道——雨從何處來(lái)?
雨,是從云中降落的水滴,陸地和海洋表面的水蒸發(fā)成水蒸氣,水蒸氣上升到一定高度后遇冷變成小水滴,這些小水滴便組成了云,它們?cè)谠评锘ハ嗯鲎埠喜⒊纱笏危?dāng)它大到空氣托不住的時(shí)候就從云中落下來(lái),形成了雨。
因此,要形成降雨,必須滿足三個(gè)條件,云中水汽充沛、上升氣流運(yùn)動(dòng)以及足夠多的凝結(jié)核或冰核。
(圖片來(lái)源:中國(guó)氣象報(bào)社)
人工影響天氣(人工增雨是其中一種)是指為避免或減輕氣象災(zāi)害,合理利用氣候資源,在適當(dāng)天氣條件下,通過(guò)科技手段對(duì)局部大氣的物理、化學(xué)過(guò)程進(jìn)行人工影響,實(shí)現(xiàn)增雨(雪)、防雹、消雨、消霧、防霜等目的的活動(dòng)。
(圖片來(lái)源:中國(guó)氣象報(bào)社)
人工增雨不等于人工降雨,催化劑的作用就像是“鹵水點(diǎn)豆腐”,但前提是有“鹵水”才能點(diǎn)出豆腐來(lái),也就是天氣已經(jīng)滿足了降雨的基本條件(水汽充沛、上升氣流運(yùn)動(dòng)),人工增雨才能發(fā)揮作用。
二問(wèn):人工增雨怎么“增”?
自古以來(lái),人們就幻想能夠控制天氣。中國(guó)清代的《廣陽(yáng)雜記》就載有:“夏五、六月間,常有暴風(fēng)起,黃云自山來(lái),必有冰雹,土人見(jiàn)黃云起,則鳴金鼓,以槍炮向之施放,即散去?!币馑际窍奶?,常有暴風(fēng)雨,古人見(jiàn)黃色的云氣滾滾而來(lái)時(shí)就鳴鼓并用土炮向天空射去,使黃色的云氣散開(kāi)以此達(dá)到防雹的效果。這是中國(guó)古代用土炮防雹的生動(dòng)描述。
可以看到,我國(guó)勞動(dòng)人民很早以前就有了想人為干預(yù)天氣的想法和實(shí)踐,但是由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的落后,這些實(shí)踐以失敗告終。
現(xiàn)在,我們?nèi)斯ぴ鲇甑姆绞街饕峭ㄟ^(guò)向云中撒播催化劑來(lái)增加凝結(jié)核,比如鹽粉、干冰或碘化銀等,也可利用聲波、飛秒激光、帶電粒子等手段,來(lái)促進(jìn)水氣凝結(jié)、云滴碰并增長(zhǎng)等云雨轉(zhuǎn)化過(guò)程,形成降水落到地面。
為應(yīng)對(duì)高溫干旱天氣,湖北宜昌市氣象部門(mén)搶抓有利時(shí)機(jī),開(kāi)展人工增雨作業(yè)
(文/圖來(lái)源:唐巧珍、冷鵬飛、王罡)
三問(wèn):“催化劑”如何送往云端?
如何將催化劑送到云中?這就要看人工影響天氣作業(yè)中的那些“爆款”裝備了!增雨作業(yè)方式上,常規(guī)的是通過(guò)飛機(jī)、高炮、火箭、地面燃燒爐等向云中播撒催化劑。
用地面燃燒爐:一般而言,地面燃燒爐主要用于交通不便的山區(qū)或是較難申請(qǐng)作業(yè)空域的地區(qū),作業(yè)人員通過(guò)燃燒含催化劑的焰條,將人工冰核送入云中。
地面燃燒爐裝置
用飛機(jī):飛機(jī)作業(yè)可以根據(jù)不同的云層條件和需要,攜帶催化劑及其播撒裝置或掛載飛機(jī)焰彈發(fā)射系統(tǒng)等,在合適的云層位置進(jìn)行增雨作業(yè)。此外,飛機(jī)上還可以裝載探測(cè)儀器進(jìn)行云微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和催化前后云宏、微觀狀態(tài)變化的追蹤監(jiān)測(cè)。飛機(jī)作業(yè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng), 催化作業(yè)面積大,增雨效果好。
正在作業(yè)中的人影(人工影響天氣)飛機(jī)
用高炮/火箭:高炮和火箭相對(duì)于飛機(jī)機(jī)動(dòng)性較差,適合于在固定目標(biāo)區(qū)(如為水庫(kù)增水)作業(yè),特別是對(duì)飛機(jī)飛行安全有威脅的對(duì)流云進(jìn)行催化作業(yè)。
人影高炮
一般情況下,當(dāng)催化劑成功送達(dá)15分鐘至20分鐘后,降雨的效果便很顯而易見(jiàn)了。
在我國(guó),實(shí)施人工影響天氣活動(dòng),必須嚴(yán)格遵守相關(guān)法律、法規(guī)及規(guī)范,遵守嚴(yán)格的人工影響天氣作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。人工增雨用飛機(jī)、火箭和高炮等在增雨作業(yè)前,必須先申請(qǐng)作業(yè)空域,并嚴(yán)格在批準(zhǔn)的空域時(shí)間內(nèi)發(fā)射人工增雨專用火箭彈、炮彈,以確保作業(yè)安全。
(圖片來(lái)源:中國(guó)氣象報(bào)社)
四問(wèn):人工增雨要看“云”施策?
說(shuō)到這個(gè)問(wèn)題,就要提到一個(gè)概念,原來(lái)高空的云居然還有“冷暖”之分。由于冷云(云內(nèi)溫度在0 以下)和暖云(云內(nèi)溫度在0 以上)的降水機(jī)制不同,對(duì)不同“冷暖”的云進(jìn)行人工增雨,使用的催化劑也是不同的。
對(duì)冷云的人工增雨,傳統(tǒng)方式通常是播撒碘化銀、干冰等成冰劑或制冷劑,增加云中冰晶濃度,以彌補(bǔ)云中冰核的不足,達(dá)到降雨或增加雨強(qiáng)的目的。
(圖片來(lái)源:中國(guó)氣象局氣象宣傳與科普中心)
對(duì)暖云的人工增雨,則通常是向云中播撒鹽粉等吸濕劑,使云中迅速形成一批大云滴,它們能通過(guò)碰并過(guò)程迅速長(zhǎng)大成雨滴,“過(guò)度肥胖”的它們“體重”暴增,上升氣流給的支撐終于抵不住重力的作用,只好掉了下來(lái),形成了降雨。
(圖片來(lái)源:中國(guó)氣象局氣象宣傳與科普中心)
五問(wèn):高溫天,為何不能一直增雨降溫?
愿望是美好的,但是,人工增雨可不是想增就增的!
首先,有云才有雨,但不是所有的云都有降水潛力。人工增雨的云需要滿足三個(gè)條件,云層厚度要大于2公里;云中要水汽充沛;有上升氣流區(qū)。一般來(lái)說(shuō),晴天的積云和層積云不易產(chǎn)生降水,而積雨云(冰水共存的混合云)則比較有利于云滴增長(zhǎng)為雨滴。
因此,前段時(shí)間持續(xù)高溫,重慶等多地連日“晴空萬(wàn)里,沒(méi)有一絲云彩”,自然是不滿足人工增雨條件的。
8月25日,中國(guó)氣象局人工影響天氣中心聯(lián)合四川省氣象局,調(diào)用兩架大型無(wú)人機(jī)組織實(shí)施人工增雨作業(yè),作業(yè)面積達(dá)6000平方公里
(圖片來(lái)源:央視新聞)
六問(wèn):人工增雨作業(yè)會(huì)污染大氣嗎?是否會(huì)帶來(lái)氣候連鎖反應(yīng)?
其實(shí),人工影響天氣作業(yè)采用的催化劑主要是干冰(固體二氧化碳)、液氮、碘化銀等,這些催化劑具有很高的成冰能力,每次作業(yè)只需要少量。
以常用的冷云催化劑來(lái)說(shuō),干冰、液氮汽化后成為二氧化碳和氮?dú)狻际强諝獾闹饕M成部分,因此它們都是“生態(tài)安全催化劑”,當(dāng)然不會(huì)污染環(huán)境。
另外,長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),飛機(jī)人工影響天氣作業(yè)和火箭人工影響天氣作業(yè)等使用的碘化銀用量非常小,作業(yè)區(qū)域水體和土壤中積累的銀離子濃度遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的濃度。
所以,正確使用人工影響天氣催化劑不會(huì)造成環(huán)境污染。
那么,人工干預(yù)是否會(huì)帶來(lái)氣候連鎖反應(yīng)?
其實(shí),地球水循環(huán)系統(tǒng)是周而復(fù)始的。而空中云水資源主要分布在對(duì)流層大氣中。
地球水文循環(huán)示意圖。
?。▓D片來(lái)源:世界氣象組織)
按照空中云水資源形成的條件和過(guò)程來(lái)看,它是一種可再生資源,且人工影響天氣作業(yè)常常是幾十公里的中小尺度,不會(huì)影響到整個(gè)氣候系統(tǒng)。
專家顧問(wèn):中國(guó)氣象局人工影響天氣中心二級(jí)研究員 姚展予
圖片來(lái)源:除已標(biāo)明外,其它圖片由孫楠、李根攝影,青海氣象局提供
審核:段昊書(shū) 葉海英
出品:科普中國(guó)
作者:劉丹 張娟 張格苗(中國(guó)氣象報(bào)社)
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
扁桃體它,除了經(jīng)常發(fā)炎還能干嘛??
啊,好疼!
扁桃體發(fā)炎起來(lái)真是要命,咽個(gè)口水都這么疼。這樣的場(chǎng)景相信不少朋友在日常生活中都遇到過(guò),有些人甚至還生起過(guò)把扁桃體割掉的想法。
扁桃體發(fā)炎真難受 圖片來(lái)源:everydayhealth.com
那么,問(wèn)題就來(lái)了,經(jīng)常發(fā)炎的扁桃體有什么作用?把扁桃體割了對(duì)身體有影響嗎?
兒時(shí)的免疫屏障,長(zhǎng)大后已不再那么重要
想要回答這些問(wèn)題,咱們就要先了解一下,什么是扁桃體。
在人們消化道和呼吸道的交匯處,通俗點(diǎn)說(shuō)就是舌根附近的位置,有著好幾團(tuán)淋巴組織團(tuán)塊,就像此起彼伏的粉紅色山包,這就是我們常說(shuō)的扁桃體。
大家平時(shí)照鏡子容易觀察到的其實(shí)是腭扁桃體(palatine tonsil),腭扁桃體有一對(duì),它們對(duì)稱分布在咽部的兩側(cè),這也是大家通常所說(shuō)的“扁桃體”。除此之外,咱們還有咽扁桃體(pharyngeal tonsils)、舌扁桃體(lingual tonsils)和咽鼓管扁桃體(tubal tonsils),咽扁桃體靠近鼻子和耳朵,舌扁桃體則位于舌根處,它們和腭扁桃體以及其他一些淋巴組織一起構(gòu)成了咽淋巴環(huán)。
咽淋巴環(huán) 圖片來(lái)源:uptodate.com
看到這,大家也猜到了扁桃體的作用,作為淋巴組織,扁桃體發(fā)揮著重要的免疫作用。長(zhǎng)期以來(lái),人們都認(rèn)為扁桃體是抵御病原體進(jìn)入人體的第一道免疫防線。咽淋巴環(huán)就像一個(gè)安檢門(mén),無(wú)論是我們呼吸的空氣,還是吃進(jìn)的食物,都要經(jīng)過(guò)這道安檢門(mén),通過(guò)免疫細(xì)胞的檢查,才會(huì)進(jìn)入人體。
在我們還小的時(shí)候,這樣一道防線和屏障十分重要,因?yàn)檫@時(shí)我們身體的免疫系統(tǒng)還沒(méi)有完全建立,在不斷成長(zhǎng)接觸這個(gè)陌生世界的過(guò)程中,扁桃體就是守護(hù)我們長(zhǎng)大的免疫衛(wèi)士。但隨著咱們身體免疫系統(tǒng)功能的完善,扁桃體起到的免疫作用就變得不再起眼,對(duì)于成年人來(lái)說(shuō),扁桃體并不是不可或缺的。
事實(shí)上,扁桃體自己可能也“意識(shí)”到了這一點(diǎn),在我們最需要它們的時(shí)候,扁桃體的淋巴結(jié)會(huì)增生讓扁桃體更發(fā)達(dá)以更好地行使免疫功能。在正常情況下,扁桃體發(fā)達(dá)的程度一般不足以引起扁桃體過(guò)度肥大,并且隨著我們年齡的增大,扁桃體的作用變得不再重要后,扁桃體就會(huì)開(kāi)始萎縮變小。
當(dāng)然,凡事都有例外,在一些時(shí)候,這些“免疫衛(wèi)士”也會(huì)讓我們感到困擾,以至于生出想要徹底“擺脫”它們的念頭。
啊,扁桃體又發(fā)炎了,好想割掉
雖然在我們成年以后,扁桃體的用處已然不大,但它們還是會(huì)經(jīng)常出來(lái)刷一刷存在感,時(shí)不時(shí)發(fā)個(gè)炎讓大家記住自己的存在。
大家一起來(lái)唱一句:啊~扁桃體發(fā)炎是會(huì)呼吸的痛~
健康的扁桃體和發(fā)炎的扁桃體 圖片來(lái)源:rh.gatech.edu
其實(shí),扁桃體他也不是故意的,前面咱們也提到了,扁桃體“地貌復(fù)雜”,這樣的構(gòu)造確實(shí)有好處。大家可以類比小腸,“千溝萬(wàn)壑”可以增大小腸的內(nèi)表面積,以此來(lái)增加對(duì)養(yǎng)分的吸收效率。對(duì)于扁桃體而言,也是如此,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以部署更多的免疫細(xì)胞,提高排查病原體的效率。但與此同時(shí),這些丘壑也容易藏污納垢,造成不良影響。舉個(gè)例子,遺留的食物殘?jiān)涂赡茏尲?xì)菌滋生,形成扁桃體結(jié)石。扁桃體結(jié)石的味道別提有多么“酸爽”!
扁桃體結(jié)石 圖片來(lái)源:livescience.com
如果再嚴(yán)重一些,當(dāng)我們因?yàn)檫^(guò)度疲勞等原因,身體免疫力下降時(shí),藏污納垢的扁桃體還會(huì)因?yàn)榧?xì)菌感染等原因?qū)е掳l(fā)炎,讓大家飽受煎熬。
這時(shí)候,切除扁桃體就成為了一些人的無(wú)奈之舉,畢竟用處不大,就像雞肋一樣,不如割了一了百了。在網(wǎng)上搜索相關(guān)內(nèi)容,我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些成年人,甚至是小孩,因?yàn)榭嘤陬l繁發(fā)作的扁桃體發(fā)炎,選擇了一勞永逸的做法。
但總的來(lái)說(shuō),扁桃體能不切還是不要隨便切,對(duì)于兒童來(lái)說(shuō),扁桃體是一道重要的免疫屏障;對(duì)于成人來(lái)說(shuō),扁桃體雖然對(duì)于病原體的“武力值”很低,但是還是能起到一定的預(yù)警作用,讓免疫系統(tǒng)知道有病原體入侵了。
那么,什么時(shí)候才應(yīng)該考慮扁桃體的切除呢?
一個(gè)主要的考慮指標(biāo)就是每年扁桃體發(fā)炎的次數(shù)。在一年內(nèi)頻繁發(fā)作超過(guò)7次以上的,或者連續(xù)三年,每年都要發(fā)炎個(gè)3-4次以上的朋友們就要去問(wèn)問(wèn)醫(yī)生,需不需要割掉扁桃體了。
另一個(gè)重要的指標(biāo)則是扁桃體是不是過(guò)度肥大,以至于影響到正常的呼吸、睡眠和飲食。大家可能不能腦補(bǔ)這個(gè)場(chǎng)景,其實(shí),扁桃體肥大起來(lái),也是十分恐怖的。大家看看下面這位扁桃體肥大的患者,這么大的扁桃體,基本上把咽部都堵住了,這該有多影響生活啊。
扁桃體過(guò)度肥大 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)
但說(shuō)歸說(shuō),大家自己有一個(gè)基本的判斷后,還是應(yīng)該到醫(yī)院去看看,畢竟每個(gè)人的情況都不一樣,謹(jǐn)遵醫(yī)囑才是最靠譜的選項(xiàng)。
“殘余器官”也很重要
不過(guò),大家有沒(méi)有思考過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題:扁桃體真的是人類演化過(guò)程中的“殘余器官”嗎?
其實(shí)不僅是扁桃體切除術(shù),當(dāng)前有許多手術(shù)都涉及切除一些身體“多余”的部位,比如闌尾、膽囊,甚至子宮(在生育年齡以后)。我們有著許多正當(dāng)?shù)睦碛扇ミM(jìn)行這些切除手術(shù),并且許多患者在切除這些器官后,依舊可以過(guò)得很好。
但我們也聽(tīng)過(guò)這樣一句話:存在很多時(shí)候就意味著合理,這些過(guò)去在人們眼中看似多余的器官,其實(shí)并非毫無(wú)用處。
前面我們已經(jīng)提到,扁桃體在我們兒時(shí)具有很重要的免疫作用,最近的一項(xiàng)研究表明,扁桃體的影響或許不僅限于此。科學(xué)家們對(duì)一百二十萬(wàn)名切除或保留了扁桃體的丹麥兒童進(jìn)行了10-30年的隨訪調(diào)查,發(fā)現(xiàn)5%在9歲之前切除了扁桃體的兒童患呼吸道疾病的概率是一般人的2-3倍,同時(shí),這些沒(méi)有扁桃體的孩子們也更容易過(guò)敏和患上哮喘等疾病。或許扁桃體在我們小時(shí)候發(fā)揮免疫作用以外,對(duì)免疫系統(tǒng)還有持久性的影響。
闌尾和扁桃體類似,也有著人們意想不到的作用。2007年的一項(xiàng)研究指出,當(dāng)腸道菌群失調(diào)時(shí),闌尾作為益生菌的安全屋,可以對(duì)腸道的菌群進(jìn)行補(bǔ)充。四年后的另外一項(xiàng)研究支持了這一說(shuō)法,切除了闌尾的患者感染梭狀芽胞桿菌的概率是普通人的兩倍多,因?yàn)槟c道缺乏有益菌來(lái)對(duì)抗有害細(xì)菌的快速繁殖。
看來(lái),割或不割,才不是挨一刀那么簡(jiǎn)單??!
參考文獻(xiàn):
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作者單位:北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院
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北極熊吃沒(méi)吃過(guò)企鵝,這是一個(gè)問(wèn)題
這個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎大家肯定不陌生,答案也不復(fù)雜,北極沒(méi)有企鵝,同樣的,南極也沒(méi)有北極熊。
北極熊和企鵝 圖片來(lái)源:pbs.org
這個(gè)答案總得來(lái)說(shuō)并沒(méi)有什么問(wèn)題,但大家可能不知道,南極的企鵝曾隨著冒險(xiǎn)者到訪過(guò)北極。不僅如此,在100多年前,北極還存在著一種和企鵝長(zhǎng)得很像的海鳥(niǎo),也被人們稱作“北極的企鵝”。
隨著海王星號(hào)來(lái)到北極的旅客
在上個(gè)世紀(jì)30年代,一位叫做拉爾斯 克里斯滕森的探險(xiǎn)家來(lái)到南極洲,在這里,他見(jiàn)到了世界上最大的企鵝—帝企鵝。值得一提的是,這位老哥不僅具有冒險(xiǎn)精神,還精通炒作,很有經(jīng)濟(jì)頭腦。在看到這些在冰上一腳深一腳淺踱步的企鵝之后,克里斯滕森馬上意識(shí)到,賺錢(qián)的機(jī)會(huì)來(lái)了。
海王星號(hào) 圖片來(lái)源:discover.hubpages.com
在返航的時(shí)候,他在海王星號(hào)里藏了9只帝企鵝,將它們帶到了挪威北部寒冷的羅弗敦群島。至于為什么選擇羅弗敦群島,原因也很簡(jiǎn)單,北極熊、北極狐等掠食者無(wú)法到達(dá)這些島嶼,在上面飼養(yǎng)企鵝總體上比較安全。不得不說(shuō),這些帝企鵝在這里度過(guò)了一段還算安逸的時(shí)光,人們?cè)趰u上制作了圍欄,在企鵝筑巢期間,當(dāng)局還發(fā)布了通告,不允許人們上島。
當(dāng)局禁止人們上島的通告 圖片來(lái)源:nrk.no
事實(shí)上,克里斯滕森確實(shí)獲得了成功,由于媒體的廣泛報(bào)道,這些“南極來(lái)客”受到了人們的廣泛關(guān)注,給他帶來(lái)了不菲的收入。
嘗到甜頭的克里斯滕森決定再做一筆更大的買(mǎi)賣,在1938年,也就是初次引進(jìn)企鵝的兩年后,他再次從南半球引進(jìn)了60只企鵝。為了保持人們對(duì)企鵝的新鮮感,這次他選擇了另外兩種企鵝,馬可羅尼企鵝和巴布亞企鵝。
當(dāng)?shù)孛襟w對(duì)于引進(jìn)帝企鵝的報(bào)道 圖片來(lái)源:nrk.no
這些企鵝最初時(shí)還是被圈養(yǎng)在圍欄中,但是隨著人們對(duì)企鵝熱情的消退,克里斯滕森覺(jué)得自己無(wú)利可圖,企鵝們吃的比讓自己掙的還多,這讓他坐不住了。
養(yǎng)不起還能咋樣,都放了唄,這些從南方遠(yuǎn)道而來(lái)的旅客們自由了。盡管挪威的氣候和它們家鄉(xiāng)的一樣寒冷,但這些不會(huì)飛的海鳥(niǎo)卻在被放歸野外后遭遇了悲慘的命運(yùn)。
一個(gè)小男孩在飼養(yǎng)企鵝 圖片來(lái)源:nrk.no
南極和北極雖然都是冰天雪地,但截然不同的地理環(huán)境決定了它們擁有完全不同的生態(tài)系統(tǒng),南極洲是被海洋包圍的陸地,相反,北極則是被陸地包圍的海洋。在南極洲,企鵝只要不下水,幾乎就沒(méi)有任何天敵,只有在水下,它們才可能被海豹和虎鯨獵殺。
事實(shí)上,在南極洲之外的其他企鵝的分布區(qū),陸地上同樣沒(méi)有強(qiáng)大的捕食者。習(xí)慣了安逸環(huán)境的企鵝突然來(lái)到北極,當(dāng)然就是羊入虎口了,至少,北極熊們不會(huì)對(duì)這些行動(dòng)緩慢的美味們視而不見(jiàn)。
南極和北極 圖片來(lái)源:NASA
根據(jù)報(bào)道,在1954年,人們最后一次目擊了這批被放生的企鵝,企鵝短暫的北極之旅就此落下帷幕,就像110年前,最后一只大海雀的消失一樣,令人嘆息。
18世紀(jì),在蘇格蘭海岸附近的一個(gè)小島,玄武巖組成的峭壁在陽(yáng)光下閃閃發(fā)光,冰冷的海水不住地拍擊著。在海浪里漂浮著一種黑白相間的大鳥(niǎo),它們正在等待合適的時(shí)機(jī)登陸,盡管它們長(zhǎng)著翅膀,但卻不能依靠翅膀飛翔,這些大鳥(niǎo)被稱為大海雀。倘若它們到今天還沒(méi)有滅絕,肯定會(huì)有人把它們當(dāng)做北極的“企鵝”。
蘇格蘭的Stac an Armin,大海雀曾經(jīng)的棲息地 圖片來(lái)源:zmescience.com
最后一只大海雀于1844年被三名漁民殺死,它的尸體被漁民們賣給了博物館,對(duì)于一種不會(huì)飛翔,被人類大肆獵殺而走向滅絕的海鳥(niǎo)而言,這似乎是一個(gè)悲慘但又恰如其分的結(jié)局。
在大約500萬(wàn)年前,大海雀就已經(jīng)在北極的“土地”上漫游,這遠(yuǎn)早于古代人類出現(xiàn)的時(shí)間。大海雀的身高大約為75-80厘米,體重可以達(dá)到5千克,背部為黑色,腹部則是白色,它們的外表和行為和企鵝十分相似,但二者之間并不存在親緣關(guān)系。
大海雀的標(biāo)本 圖片來(lái)源:zmescience.com
由于大海雀滅絕的時(shí)間過(guò)早,現(xiàn)代科學(xué)家們從未在野外真正觀察過(guò)大海雀的行為和生活,不過(guò)基于對(duì)其親戚刀嘴海雀的研究,科學(xué)家們對(duì)這種不會(huì)飛的海鳥(niǎo)的行為也有了一定的了解。大海雀的天敵可能是逆戟鯨、北極熊或者白尾鷹,但這些天敵幾乎沒(méi)有一個(gè)會(huì)到大海雀生活的島嶼上。
當(dāng)然,這也不是絕對(duì)的,16 世紀(jì)到 19 世紀(jì)的小冰河時(shí)代。冰川活動(dòng)劇烈,擴(kuò)張的冰川使得北極熊更容易接近大海雀,這讓大海雀的種群數(shù)量出現(xiàn)了一定的下降,但大海雀的適應(yīng)力讓它們挺了過(guò)來(lái),直到人類進(jìn)入了它們的領(lǐng)地,才宣告了這一物種的悲慘命運(yùn)。
島嶼上遍布的大海雀 圖片來(lái)源:zmescience.com
考古和歷史記錄表明,人類狩獵大海雀的歷史十分悠久。在史前時(shí)期,北美的貝奧圖克人、格陵蘭的因紐特人,甚至是尼安德特人都獵殺過(guò)大海雀;公元16世紀(jì),歐洲的海員們?cè)诩~芬蘭的漁場(chǎng)開(kāi)始了對(duì)大海雀的密集狩獵;在18世紀(jì)末期,大海雀羽毛的貿(mào)易使得狩獵行為進(jìn)一步加劇,而大海雀的稀缺進(jìn)一步激發(fā)了私人和博物館的收藏欲望。
終于,大海雀迎來(lái)了滅絕。
毫無(wú)疑問(wèn),人類的狩獵是大海雀滅絕的重要原因,但也有人認(rèn)為大海雀的數(shù)量可能由于環(huán)境變化而開(kāi)始下降。不過(guò),最近的一項(xiàng)關(guān)于大海雀的研究表明,即便不存在環(huán)境變化的影響,人類的狩獵已經(jīng)足以讓這種大鳥(niǎo)走向滅亡。
無(wú)需甩鍋,人類就是兇手
在2019年一項(xiàng)發(fā)表在期刊《eLife》上的研究中,科學(xué)家們通過(guò)整合遺傳數(shù)據(jù)和洋流數(shù)據(jù),以及歷史上對(duì)于大海雀的狩獵記錄,研究了人類狩獵對(duì)于大海雀滅絕的影響。具體而言,研究人員在大海雀分布范圍內(nèi)收集了它們的遺骸,從中提取出DNA對(duì)線粒體基因組進(jìn)行測(cè)序,推測(cè)了這一物種的歷史種群動(dòng)態(tài),并在其曾經(jīng)的分布區(qū)內(nèi)投放配備有GPS的漂流倉(cāng),以推測(cè)大海雀的潛在遷移路線。
推測(cè)的大海雀可能的遷移路線 圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)
倘若環(huán)境變化會(huì)對(duì)大海雀的生存產(chǎn)生很大的影響,那么其遺傳信息中就會(huì)有所體現(xiàn)。事實(shí)上,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大海雀在更新世時(shí)(距今4萬(wàn)多年前)經(jīng)歷過(guò)種群的減少,但隨后大海雀的種群恢復(fù)了過(guò)來(lái),在此之后其有效種群大小就沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)明顯的下降,這意味著環(huán)境對(duì)其滅絕的影響微乎其微。
進(jìn)一步,科學(xué)家們估計(jì)了狩獵對(duì)于大海雀滅絕的可能影響。結(jié)果表明,只要每年狩獵21萬(wàn)只大海雀和撿走不到2萬(wàn)6千個(gè)大海雀的卵就可以導(dǎo)致大海雀在350年里徹底消失。而人類對(duì)于大海雀的狩獵強(qiáng)度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)21萬(wàn)只每年。根據(jù)史料記載,在芬克島海岸附近的一次捕獵活動(dòng)中,有1000只大海雀在半個(gè)小時(shí)內(nèi)被兩艘漁船捕獲并殺死。
長(zhǎng)期以來(lái),人類和環(huán)境變化在導(dǎo)致物種滅絕中的作用一直存在爭(zhēng)議,但毫無(wú)疑問(wèn),人類對(duì)于大海雀的滅絕有著不可推卸的責(zé)任,甩鍋給環(huán)境顯然是一種極不負(fù)責(zé)的行為。
一位叫做亞倫 托馬斯的英國(guó)皇家海軍水兵曾寫(xiě)下這樣的句子:
“如果你為了它們的羽毛而來(lái),你不必去費(fèi)心殺死它們,只需要將那根最好的羽毛摘下來(lái),然后讓這些可憐的‘企鵝’們隨波逐流。”
鳥(niǎo)兒長(zhǎng)著羽毛,有什么錯(cuò)嗎?
參考資料:
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[5] The uneasy story of how the Great Auk went extinct. https://www.zmescience.com/other/pieces/great-auk-extinct-tragic/
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中國(guó)空間站首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功
亞馬遜河流域森林中,古代城市遺跡的面貌,是...
通過(guò)對(duì)古跡的勘探,我們能夠推測(cè)古人的生活方式、社會(huì)文化以及技術(shù)發(fā)展水平。不過(guò),歷經(jīng)千百年的時(shí)光,尋找古人留下的遺跡可不是一件容易的事情。
因?yàn)闇婧IL铮镜慕ㄖ赡芤呀?jīng)被深埋在地底下,不論是廣袤的植被還是茂密的森林,它們都能輕易阻擋我們對(duì)地下世界的探索。不過(guò),激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)卻能幫助我們揭開(kāi)土地上的“面紗”,讓我們看見(jiàn)大地最原始的“面貌”。
激光雷達(dá),勘探遺跡的利器
20世紀(jì)初,英國(guó)探險(xiǎn)家珀西 福斯特(Percy Fawceet)多次深入亞馬遜地區(qū),尋找曾經(jīng)存在于那片土地上的古文明,卻在尋找遺跡的行動(dòng)中,永遠(yuǎn)迷失在亞馬遜的密林中。于是,亞馬遜地區(qū)的歷史遺跡就同那一支探險(xiǎn)隊(duì)一起從人們的視野中消失了。
不過(guò),最近《自然》雜志上刊登了一篇論文,科學(xué)家們利用激光雷達(dá),終于得到了亞馬遜河流域森林中,古代城市遺跡的面貌圖。讓我們先看看遺跡長(zhǎng)什么樣:
圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
圖中顯示的這些建筑是由卡薩拉貝社區(qū)于公元500-1400年間建造的,是以前的房屋、梯田、圍墻等人造事物的痕跡。這張圖片是直升機(jī)搭載激光雷達(dá)在森林上空進(jìn)行勘探并經(jīng)過(guò)后期圖像處理得到的。
不過(guò)也許你會(huì)發(fā)現(xiàn),這張圖似乎和平時(shí)的航拍圖片有些不一樣,其實(shí)最大的區(qū)別就在于——樹(shù)林不見(jiàn)了。
左:航拍相機(jī)獲取的森林圖片
右:同一地點(diǎn)激光雷達(dá)探測(cè)得到的圖片
圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)1
沒(méi)有了樹(shù)林的遮蔽,古建筑遺存下的痕跡變得一覽無(wú)余??脊殴ぷ饕簿妥兊庙樌嗔?,想想激光雷達(dá)出現(xiàn)之前,為了勘探森林中的遺跡,還要先學(xué)會(huì)野外生存,實(shí)地考察時(shí)還要在熱帶森林里上躥下跳(考古學(xué)家:我太難了)。
現(xiàn)在有了激光雷達(dá),考古學(xué)家們就可以避開(kāi)樹(shù)木的干擾,更清晰的觀察古建筑遺址了。那么,排除樹(shù)木干擾的地形圖是怎樣繪制出來(lái)的呢?
主動(dòng)成像,照亮幽暗角落
茂密的森林,樹(shù)葉遮擋了大部分的陽(yáng)光,很少有陽(yáng)光能夠照射到樹(shù)林下的地面,從天上觀察的時(shí)候,普通的相機(jī)幾乎沒(méi)辦法獲得地面的影像,葉子的縫隙處多是黑漆漆的陰影。
相機(jī)是一種被動(dòng)的成像裝備,相機(jī)接收外界事物發(fā)出或者反射的光線后,才能形成照片;激光雷達(dá)則是主動(dòng)的探測(cè)器,它自己會(huì)發(fā)出激光去探測(cè)外界的形貌。
對(duì)于森林這種復(fù)雜形貌,依然有不少激光光線能夠到達(dá)樹(shù)林下的地面,激光雷達(dá)探測(cè)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)被送入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)識(shí)別哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)是森林的,哪些是地面的,接著濾除森林的點(diǎn)云數(shù)據(jù),剩下的就是地面的形貌數(shù)據(jù)啦。
激光雷達(dá)獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)
圖片來(lái)源:answers.usgs.gov
計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類(黑色點(diǎn)為植被的數(shù)據(jù)點(diǎn),彩色點(diǎn)為地表的數(shù)據(jù)點(diǎn))
圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)2
濾除植被點(diǎn)云后獲得的地形表面裸土圖像,又稱為數(shù)字高程模型(DEM)
圖片來(lái)源:answers.usgs.gov
激光雷達(dá)在地形繪制方面的“超能力”,讓全世界的考古學(xué)家都喜歡上了它。2016年,pacaunam計(jì)劃對(duì)位于危地馬拉的瑪雅生物圈保護(hù)區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的激光雷達(dá)調(diào)查,調(diào)查發(fā)現(xiàn)了六萬(wàn)余座古建筑,一百多公里的堤道,這一結(jié)果表明該區(qū)域存在過(guò)由數(shù)百萬(wàn)人口構(gòu)成的瑪雅文明。
良渚古城的勘測(cè)考察工作也用到了這項(xiàng)技術(shù),激光雷達(dá)掃描良渚古城遺址,濾除地面的植被后,古城的水利設(shè)施,外郭等結(jié)構(gòu)都顯現(xiàn)了出來(lái)。
不僅能發(fā)現(xiàn)過(guò)去,還能預(yù)警未來(lái)
除了利用激光雷達(dá)探測(cè)遺跡,激光雷達(dá)對(duì)地形地貌的清晰呈現(xiàn)也讓它在預(yù)防山體滑坡中發(fā)揮了作用。
山體滑坡是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一,每年都有人因?yàn)樯襟w滑坡?lián)p失財(cái)產(chǎn)甚至失去生命。了解山體滑坡的產(chǎn)生機(jī)制,觀察山體滑坡的發(fā)生前兆,建立相應(yīng)的滑坡預(yù)測(cè)系統(tǒng),是減輕山體滑坡危害的重要手段。
利用激光雷達(dá)測(cè)繪得到的高精度數(shù)字高程模型(HRDEM)是幫助地質(zhì)學(xué)家分析山體滑坡機(jī)理,建立預(yù)警模型的得力幫手。
研究山體滑坡,需要大量的滑坡數(shù)據(jù)作為研究素材??茖W(xué)家們利用遙感衛(wèi)星、激光雷達(dá)、航空相機(jī)等觀測(cè)手段建立了滑坡清單地圖。
地圖標(biāo)示出了各個(gè)地區(qū)以往滑坡的位置,滑坡的形貌,還包含該地區(qū)的降雨、土壤類型,地震震動(dòng)程度等信息。利用滑坡清單地圖,人們可以計(jì)算各區(qū)發(fā)生滑坡的可能性。
基于激光雷達(dá)測(cè)繪得到的滑坡清單地圖,不同顏色的區(qū)域代表不同類型的山體滑坡右下角小地圖中的紅色色塊代表深層滑坡,藍(lán)色色塊代表淺層滑坡。
圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)3
山體滑坡發(fā)生之前,滑坡底部會(huì)形成一定高度的隆起,坡面會(huì)產(chǎn)生裂紋。由于植被的覆蓋,沒(méi)辦法憑肉眼或攝像機(jī)觀測(cè)這些征兆,但借助激光雷達(dá)就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。
在山體滑坡高發(fā)的地方部署搭載激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)群,對(duì)坡面的表面形貌進(jìn)行不間斷的掃描觀測(cè),觀測(cè)數(shù)據(jù)將有效提高我們預(yù)測(cè)山體滑坡的能力與準(zhǔn)確性。
想要探尋某塊土地過(guò)去發(fā)生的活動(dòng)遺跡不是一件簡(jiǎn)單的事情,隨著時(shí)間的流逝,不論是人類活動(dòng)還是地殼變化留下的痕跡都會(huì)逐漸被大自然淹沒(méi)。但是,激光雷達(dá)卻給了我們重新認(rèn)識(shí)“過(guò)去”的機(jī)會(huì),讓我們從“過(guò)去”的遺跡中尋找到對(duì)未來(lái)的啟發(fā)。
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出品:科普中國(guó)
作者:海里的咸魚(yú)
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