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作者：王婧彧
校对：王茸杨伯顺尼安吉张砚斌
审阅：牧夫校对组
美编：崔郁
后台：库特莉亚夫卡李子琦
IamthedaughterofEarthandWater，
我是大地与水的女儿，
AndthenurslingoftheSky;
我是天空的孩子；
Ipassthroughtheporesoftheoceanandshores;
我穿过海与岸的孔隙；
Ichange,butIcannotdie.
我变换着，永不消逝。
---PERCYBYSSHESHELLEYTheCloud
每年的3月23日是世界气象日。
今年是第60个世界气象日，主题是“气候与水”。
天文vs气象
迎接世界气象日的天爱小编提问：你能分清天文和气象吗？
年世界气象日海报中文版
Credit:中国气象局
也许很多读者会隐隐约约觉得两者的关系不那么简单，沉默片刻只能缓缓道出一句“剪不断，理还乱”。我们在讨论今日选题时，回答这个问题也不那么轻松。
大家的感觉和我国古代的中央政府是一样的。我国自古就设立了专门的机构负责天文和气象的观测。周朝设立了保章氏，根据《春官宗伯》中的记载，“保章氏掌天星，以志星辰、日月之变动，以观天下之迁，辨其吉凶。以星土辨九州之地，……,以五云之物，辨吉凶、水旱、降丰荒之祲象。”从这看出，这个官职既需要夜观天象，记录日月星辰的变化，又要观察云的颜色（物），来预测干旱和洪涝；在唐代，这个机构叫做“太史局”或者“太史监”，其任务是“观察天文，稽定历数，凡日月星辰之变，风云色气之异，率其属而占候之”，下设灵台或称仰观台和观风台进行观测。此外，典籍史料中经常能看到古人将“占星”赋予了天象和气象占卜的内涵。这样看来，古人眼中的天既包括了覆盖地球的薄薄大气，又含着广阔无垠的宇宙。到了近代，受到西方天文学的影响，天文和气象开始分家了，各自成为了独立的学科。气象学负责地球大气里的一切过程，天文学则包揽了对地球大气层外的一切研究。
清代钦天监监正汤若望
Credit:百度百科
也许敏锐的读者会有个疑问：木星大气的研究属于哪个领域呢？这就属于近年来逐渐升温的交叉学科的研究方向了——行星大气。有了地球大气这个巨大的实验室，研究其他行星大气时就会方便很多。不仅如此，NASA的科学家们利用气候模型来推测所发现的多个系外行星的宜居性，这使我们克服了望远镜观测精度不够带来的困难，从而为下一步的探索指明方向。
这么看来，天文和气象貌似是一对好兄弟，互帮互助，友爱团结。然而，地基望远镜由于缺少飞上外太空的翅膀，还是要看大气的脸色行事。水，就在这里发挥作用了。我们知道，天文观测的开光定律准得可怕，前一秒万里无云下一秒就“不见天日”，实际上就是水阻挡了我们望向星空的视线。这是因为云是由大气中的水蒸气液化成的小液滴或者凝华而成的小冰晶组成的。大气中的水蒸气无处不在，并且变幻无常难以预料，但是它大概率出现在小小的望远镜对准的天空上。
我们接着来聊“水”。
生命基石
众所周知，水是生命的基石，正是因为在地球上水能在固液气三态间随意切换，才能有那么丰富的天气，才能孕育生命。水对于生命的重要性还在于生物在维持生理机能时需要仰赖水的物理及化学性质。在生物体中，水是一种缓冲的溶液，利用解离出的氢氧根(OH-)以及质子(H+)可以将外来少量的强酸或强碱中和，如此可确保细胞中的蛋白质结构的完整性。因此，在生物体内需要利用水的化学及物理性质才可维持生物体结构及机能上的稳定。但是有一点大家可能忽略了，那就是密度。“冰的密度比水小”，这句话是有前提的：在标准大气压下。如果地球大气压逐渐升高，这时冰的密度就会大于水，生命也就不会，至少很难进化到现在这个阶段了。想象一个池塘，冬天水面上结了一层冰，然后“扑通”一声沉到池底，接着水面上又结了一层冰，如此循环往复直到所有的水都结了冰。能在这种环境生存下来的生物，得耐持续低温和缺氧才行，这会不会改变进化的方向呢，倒是个值得探讨的问题。
水和水循环
现在我们把目光拉回到“水星”地球上，看看占据这个星球面积75%的水发挥着怎样的作用。在全球总量14亿立方千米的水中，96%是咸水；在淡水中，68%被封存在冰川中，另外30%是地下水；而我们能够使用的地表淡水只占水资源总量的十万分之七。水活泼的天性，让它不能老实安分地待在一个地方，水循环就是由不计其数的水分子组成的全球性的大迁徙。在阳光的炙烤下，水蒸气从宽广的洋面升起，上升气流携着它飞向更冷的高空，形成了云。气流带动着云跑遍全球，云粒子碰并、增长，一些坠落下来形成降水，另一些变为了雪花，加入了冰盖、冰川的大家庭。大多数降水落回了海洋或者降落到了地表，形成地上径流和地下径流，最终汇入大海或是渗入地下成为地下水。就这在这样的循环中，地表水被不断地更新。
地气系统的水循环
Credit:scienceday
牵一发而动全身
在现今气候变化的大背景下，水和水循环也无可避免地受到了影响，而之后的变化可以说是“牵一发而动全身”。比如，在温度升高最多的北极，海冰消融，“无冰之夏”越来越常见。对于北极熊来说是家园的失落，而对某些水运企业来说却是新航道的开辟。海冰的融化致使海平面升高，到年海平面将会上升2.4米，这足以抹灭大多数沿海城市的踪迹。更要命的是，冰雪的消逝会减小地表的反照率，也就是地面反射的太阳光变少，吸收的热量增多，这也叫做“北极放大效应”。而冻土层的解冻会释放出大量的温室气体——甲烷，给地球披上一层棉被。
(左)与年（右）北极海冰覆盖情况
Credit:UniversityofReading
同时，全球变暖导致全球蒸发率变高，从而带来更多的降水。然而由于上文提到的水循环，高蒸发率和高降水率的地方并非完全对应：一些地区蒸发得越来越多，降水却没什么变化，另外一些地区则相反。此外，根据一些气候模型的预测，沿海地区的降水会增多而内陆的会变少，也就是说“贫富”差距越来越大，这必定会使干旱和洪涝灾害发生的频率增加。大气中水汽的增多也会助长热带风暴和飓风的气焰，未来可能会发生破坏力更强的灾难性天气。而水汽也是温室气体的一种，它能强烈地吸收地面发出的红外辐射再返还给大气，让气温更高，第二层棉被也就裹上了。虽然由水汽而形成的云对于太阳辐射有反射作用，但同时云也会增大温室效应。真正的问题还在后面。目前，云对大气的净效应是冷却，也就是能给地球降温。但是气温升高后，不同种类云的占比会发生变化，而不同的云对气候的影响方向不同（升温/降温），总的效应也就难以确定了。
读到这里，有没有觉得脑子里一团混乱，各种升高降低搅得眼花缭乱。所以说呀，水很神奇，自然很神奇。万物都不是一座孤岛，总会有哪怕极其微弱的联系将你拉入这个错综复杂的大家庭中，让你明白，作壁上观是不可能的，独善其身也是不可能的。这种依存共生无论是在显微镜下的微生物世界还是在望远镜中的宇宙空间都让人难以忽视。也许，当哪一天我们认清了这种联系时，才会有所顾忌吧。
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参考资料
陈晓中，张淑莉《中国古代天文机构与天文教育》