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1月 07

登极取义10: 科技创新与科学普及

近年来,国家在重视科技创新的同时越来越重视科学普及工作,重视提高全民科学素质。

2008年12月15日,在庆祝中国科协成立五十周年大会上,胡锦涛同志代表国家领导号召我国科学工作者要把创新科学技术与普及科学技术视作两个相辅相成的主要方面(照片170)。他说:“普及科学技术, 提高全民科学素质,既是激励科技创新、建设创新型国家的内在要求,也是营造创新环境、培育创新人才的基础工程。”

照片170.胡锦涛主席在中国科协成立50周年大会上向全国科学技术人与致敬

 

2016年5月30日,全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会在北京人民大会堂隆重召开。习近平同志代表国家领导对全国科技工作者讲话中指出:“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高,就难以建立起宏大的高素质创新大军,难以实现科技成果快速转化。”

把科学普及放在与科技创新同等重要的位置,太重要了,也太不容易了。多少年来,在科技界,人们评价一位科学家的贡献都是以科技成果论成败,甚至是单纯以科技论文的多少来论成败,单纯以科技论文发表的学术期刊名望论成败,而不管这些论文对于国家的国民经济、国防建设和科技事业发展有无促进作用,更不管其对于全民科学普及的重要与否了。

笔者认为,现在的中国并不缺乏个别领域有作为的科学家,而是缺乏全国多个领域真正有作为的科学家,缺乏全民较高的科学素质,尤其是青少年的科学素质。当前,在全民科学素质中,更缺乏全民科学人生素质,也就是科技创新为谁服务的问题。

这里,笔者愿意以自己五十多年科学考察研究与科学普及的实践体会和读者交流,但愿能够对读者朋友有所帮助,也希望能够得到读者朋友的反馈。

从《中国山地气象学》到《中国山地环境气象学》

1978年10月,叶笃正老师希望我在1985年开始撰写《中国山地气象学》,这是老师根据我国气象界前辈撰写《西藏高原气象学》的思路。然而,我在多次参加青藏高原科学考察和为中国登山队攀登珠峰和南迦巴瓦峰的登山天气预报实践中,我发现,山地对于大气和大气环流的动力、热力作用固然存在,但大气、大气环流变化也能够影响山地作用的变异,另外,山地对于大气环流的影响会进而影响四周的自然环境,反过来,人类活动也能够影响大气环流状况。为此,我认为,应该研究总结山地、大气环流、自然环境与人类活动之间的相互作用,建议撰写《中国山地环境气象学》。叶笃正、陶诗言老师赞同。

这里,仅仅列举个例说明。

当大气环流发生大的变化时,也会影响山地对于大气的作用。例如,在不同的大气环流条件下,雅鲁藏布江的水汽通道作用明显不同;在不同的天气系统条件下,珠穆朗玛峰北坡的冰川风也差异很大;等等。

下面,仅举例大气环流变化影响雅鲁藏布江水汽通道作用。

在夏季,沿着雅鲁藏布江下游河谷逆江而上的水汽输送通量为700-1000克/平方厘米.秒;且由于这种水汽通道作用改变了青藏高原东南部的气候和环境状况。然而,当高空天气形势条件显著不同时,雅鲁藏布江下游水汽通道作用也会发生重大变化。

我们观测研究表明,在500百帕天气形势图上,若南支西风带的低压槽或低压中心位于东经75度附近,则青藏高原东南部及其南侧地区都处于西风槽前的西南气流控制下(如图14),更有利于来自孟加拉湾的暖湿气流沿着雅鲁藏布江下游向北方向输送,并在水汽输送方向的下游带来特大暴雨,造成大的灾害。例如,1983年7月27~29日,南支西风槽比较稳定地维持在东经75度附近,受其影响,沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江逆江而上的水汽输送通量达到1200-4000克/平方厘米.秒。在上述天气系统条件下,沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江逆江而上的水汽输送通量比平均情况高出1~4倍。在上述天气系统条件下的水汽输送强度不仅带来沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江河谷的大范围、高强度降水,而且还在我国四川、陕西一带形成大暴雨(见图15.)。

如图15.所示,在连续3天非常强大的水汽输送条件下,在1983年7月29日,沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江流域,有一片暴雨区,日降水中心的降水量达到50-150毫米以上;另外,在四川、陕西一带还有一片暴雨区,日降水中心的降水量达到150毫米以上。

在上述暴雨之后,于29~31日,在川藏公路线上,在帕隆藏布江流域,发生了特大的通麦泥石流,冲毁了川藏公路,一直到了一个月之后才恢复交通。

图14.1983年7月27日00GMT东亚500百帕天气形势图

图15.1983年7月29日青藏高原东南部及其东侧地区降水分布

 

与上相反,若青藏高原上空为强大的副热带高压,则青藏高原东南部及其南侧地区都在偏北气流控制下(见图16.)。此时,不仅不利于来自孟加拉湾的暖湿气流沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江流域向青藏高原内地输送,而且会出现从青藏高原内地向南侧地区输送水汽,与之相应,在青藏高原东南部及其东侧几乎没有降水发生。如表1.所示,1983年8月1日,沿着布拉马普特拉河流域(以高哈堤站为代表),盛行东北偏东风,水汽输送的方向完全是沿着布拉马普特拉河顺江而下;沿着雅鲁藏布江下游河谷(以易贡站为代表),盛行西北风,水汽输送的方向主要是沿着雅鲁藏布江下游河谷顺江而下。在此情况下,沿着布拉马普特拉河-雅鲁藏布江流域为晴天或少量降水,而在青藏高原东侧的四川、陕西一带没有降水(见图17.)。

图16.1983年8月1日00GMT东亚500百帕天气形势图

图17.1983年8月1日青藏高原东南部及其南侧、东侧地区降水(毫米)分布

 

叶笃正老师在为《中国山地环境气象学》题写的序中说:“本书的创新之处在于开创了研究山地、大气与自然环境之间相互作用的领域,并取得了一些有意义的结果。”“在本书的第二篇中,揭示了大气环流变化对于山地与大气之间相互作用的影响,指出了山地对于天气、气候和自然环境的影响。”“值得提出的是,本书第三篇研究了人类对于山地环境气象条件的适应问题,这是一个好的开端。”

刘东生先生题写的序中说:“《中国山地环境气象学》是地学、生物学和人文科学相互渗透的新的学科,是多年来在山地科学研究方面难得的一本好的多学科相互渗透的科学专著。”“不仅揭示了我国山地与大气、大气环流、自然环境之间的相互作用,而且还研究揭示了雅鲁藏布江水汽通道对于西藏文明发展的影响,这是自然科学与人文科学之间相互渗透的新成果。”

陶诗言老师题写的序中指出:这“是一本理论与实践紧密结合的科学专著”,“在第三篇中,概括了他关于影响喜马拉雅山脉地区登山活动的大气环流和天气系统的分析研究成果,提出了宜于登山时段的短期气候预测的理论根据和方法,提出了登顶天气的中期、短期天气预报的理论根据和方法”“他把气象学家在大气环流研究方面的理论与喜马拉雅山脉地区的局地天气、气候特点结合起来,并把他在山地环境气象学研究中发现的一些山地天气、气候规律用于登山天气预报和短期气候预测之中,逐渐提高了预报准确率。”

第一次科学普及报告

1968年底,中国科学院要排演一幕《无限风光在险峰》歌舞剧,以反映中国科学院科学工作者在珠峰科学考察工作中的情况。剧组邀请我给他们报告有关中国科学院科学工作者在珠峰科学考察的故事。

剧组中有几位是力学所的科研人员,邀请我给力学所做有关珠峰科学考察的报告。那时,在力学所大礼堂报告,好几百人,就只有一个扩音器,我用近两小时报告了中国科学院科学工作者在珠峰海拔5千米到6千5百米之间科学考察的过程以及中国登 山队队员如何协助科学家采集科学标本的动人故事。没有想到,听众怀着激情听完了我的科学考察报告。

一件有趣的事情是,第二天早晨,当我在科学院的中关村大操场体育锻炼时,力学所的大喇叭里传来一个人讲诉珠峰科学考察故事的声音,听起来,故事是那么熟悉,好像是我讲的,但就是听不出是我的声音。我问我的高中同学、力学所的科研人员赵成修,他讥笑我说:“连你自己的声音都听不出来啊!”后来,请教有关专家才知道,一个人听自己的声音是通过耳膜的振动传递,而不是靠声波传递的。

1975年下半年,北京各中学学生每天都要求去学校,但学校领导不敢讲课,不知道该教什么。一次,北京十九中学通过关系找到我所在的大气物理所党办,邀请我去给学生讲珠峰登山和科学考察故事。当时的党办主任刑国仁是我的中国科学技术大学校友,他陪同我去北京十九中。在学校的大操场上,近千名同学搬来椅子,就坐听我的报告。其时,并不明确是科普报告,但我讲的内容是,英雄的中国登山队员如何不怕牺牲攀登珠峰的故事,中国科学家如何在登山队员的协助下,采集从珠峰顶部到大本营科学样品和测量珠峰高程的故事,中国科学家如何协助中国登山队做好攀登珠峰天气预报的故事……近两个半小时的报告,学生们不仅仅鸦雀无声地听,当听到中国登山队员不畏艰险攀登顶峰成功的时候,当五星红旗在珠峰顶高高飘扬的时候,当登山英雄潘多躺在珠峰顶部一个多小时完成遥控测量人类在世界最高峰的高山生理记录时,当登山家王鸿宝从珠峰顶峰带回岩石样品到大本营后晕倒的过程时,全程爆发起经久不息的掌声……

另一件有趣的事情是,2012年的某一天,我和中国科学院老科学家科普演讲团荣誉团长钟琪来到北京市少年宫,商谈科普讲座合作事宜。其间,少年宫负责人带我们去参观少年宫的展览室。走到一幅大照片前,负责人突然问我:“高教授,记得这幅照片吗?”我抬头一看,照片中间的黑板上有一条横幅,上写“热烈欢迎高登义叔叔”,黑板前面站着一位小伙子,他的对面坐着几十位佩戴红领巾的学生。我想,那位小伙子应该是我啊。负责人看见我惊讶、深思的样子,高兴地说:“给您一个惊喜!这是您1975年来我们少年宫给天文课外小组学生做报告的照片。”她这样说, 我的确回忆起来了。那时,我给北京市少年宫做过两次报告,另外一次是给所有少年宫课外小组学生以及辅导老师的报告。

我留下了这张珍贵的照片(照片171)。

1968~1975年,像这样择重科学人生的科普报告大约有20余场。

照片171.作者于1975年秋天在北京市少年宫为天文课外小组做珠峰科普报告

 

第一次单独完成一本科普书

我应邀参加科普书的写作大约是从上个世纪80年代开始。第一本,记得是《大气物理学简介》,由大气物理所科学家撰写,科学出版社出版。我在其中撰写了一章,叫“青藏高原气象学”。第一本由我单独撰写的科普书是《极地探险》,由河南科学技术出版社1997年出版,是《中国科学探险丛书》之一(照片172),也是我的第一本获奖科普书,这套丛书于2001年5月经由中国科协、中国新闻出版总署、国家自然科学基金会和中国作家协会组成的“第四届全国优秀科普作品奖”委员会评审为科普著作一等奖(照片173)。

照片172.作者单独完成的第一部科普书《极地探险》

照片173.获得第四届全国优秀科普作品奖一等奖证书

 

在这本科普书中,我根据自己的科学考察研究结果,提出了两个观点和揭露了一个南极奇特自然现象。

南北极冰雪变化是全球气候变化的敏感区和关键区   所谓敏感和关键地区,可从南极和北极地区海冰面积和厚度变化对于气候的影响来阐述。

众所周知,极地的地—气系统是全球地—气系统的主要冷源,赤道附近的地—气系统是全球地—气系统的主要热源,两者遥相呼应,组成了全球热机的重要部分,是影响全球气候变化的主要因子。

极地的地—气系统之所以成为全球地—气系统的冷源,除了因纬度高而太阳辐射弱以外,主要是由于具有广大的冰雪表面把太阳辐射反射回太空中的缘故。然而,气候学家们更关注的是极区冷源强度的变化,即极区海冰面积和海冰性质的变化。

首先是极区海冰面积的变化。观测表明,极区海冰面积的季节变化很大。在南极地区,2月(夏季)面积最小,约300万平方千米;9月~10月(冬季)面积最大,约2000万平方千米。在北极地区,9月(夏季)浮冰面积最小,约900万平方千米;2月(冬季)面积最大,约1200万平方千米。极区海冰的年际变化以南极地区为显著。近10多年的卫星资料表明,冬季,南极海冰面积于1974年最小,1977年最大,两者相差约400万平方千米。

极区海冰面积的大小从两方面来影响气候的变化。第一,改变极区的海—冰—气热量和水汽交换。这是因为,海冰覆盖面积大时,极区海域的水面减小,从海洋向大气输送的热量和水汽减少;反之,水面增大,从海洋向大气输送的热量和水汽增加。第二,改变极区下垫面对太阳辐射热量的吸收。这是因为,冰面的反照率要比水面的反照率高得多,海冰覆盖面积大时,极区海面吸收太阳辐射小,反之,吸收太阳辐射大。

作者以1974年和1977年冬季为例,计算了海冰面积变化对大气温度和气压的重大影响。取海冰平均厚度为1米,则上述两年南极海冰量相差为4×1012吨,如此大的结冰相差量在结冰时释放出的热量可达13.35×1020焦耳,若以其加热3400万平方千米面积(即1974年海冰面积与南极大陆面积之总和)上100百帕层(约16.5千米高度)以下的大气,可使整层大气升温4.3℃,即,1974年秋结冰过程中释放出的热量加热整层大气的结果要比1977年秋的升温高出4.3℃。

上述不同的加热状况,应该在相应的气压场和温度场上有反映。1974年9月,在南半球海平面图上,在南极地区,海平面气压距平值为负,中心值达-8hPa,即海平面气压比常年低;在离地约3000米高度上,南极地区的气温比常年高出2℃以上。相反,在1977年9月,在南极地区,海平面气压比常年高出2hPa,在离地约3000米高度上,南极地区气温比常年低2℃~8℃

其次,是极区海冰物理特性的变化。

多年冰和一年冰(新冰)在与大气热量交换中的差异。据观测,新冰(一年冰)在生成期间由于结晶而产生的月平均热通量(33.50W/m2)约为多年冰月平均热通量(12.95 W/m2)的2倍~3倍。统计表明,南极地区的冰多属一年冰(约占80%),北极地区的多年冰与一年冰各占一半。根据卫星资料统计,南极地区和北极地区一年冰的面积分别为16×106km2,和4.4×106km2,多年冰的面积分别为4×106km2和7.9×106km2,粗算起来,南极和北极冰区与大气的热量交换分别为587.8×1012W和249.71×1012W,南极地区的冰一气热量交换约为北极的2.35倍。它为考虑海洋—大气相互作用的数值模式提供了一个重要的物理参数。

不同厚度的冰在与大气热量交换中的差异。观测研究表明,在冰的厚度为1厘米~100厘米时,海冰与大气间的热量交换变化最大。其中,通过冰层的热通量由500 W/m2减小到50 W/m2,变动10倍;冰面上的感热交换由330 W/m2几乎减小为零;潜热交换由70 W/m2减小到零;后两者变化更大。然而,当冰厚度超过100厘米后,各种热通量的变化就很小了。

上述结果提示我们,准确掌握南极和北极地区冰厚度的分布以及冰厚度随时间变化的资料,非常必要。假设在极区的某一年中,厚度为10厘米的冰的分布面积变动10%,即2.04×1012m2,则通过冰层的热通量将变化510×1012W。可见,极区冰厚度分布的变化远比一年冰分布面积的变化更为重要。

全球气候变化原因探讨   极地为人类蕴藏了如此丰富的古气候和古环境档案资料,应该能为研究现代和未来气候的演变提供有效的科学依据。

例如,从南极内陆冰芯中获得的15万年来气温演变资料不难看出,,距今2万年以来,全球气温开始上升,近1万年以来一直处于高温期间(间冰期),这与近数十年来实测全球平均气温逐渐增高的结果相符。这是“人类活动影响全球变暖”的有力证据。于是,有人预测,未来气候将逐渐变暖,论据是工业发展和人类活动将不断排放出更多的二氧化碳和甲烷等温室气体,加热大气。然而,根据冰芯得到的气温历史资料也表明,在距今约12万年到14万年之间,地球上也有一个高温期,且其平均气温值要比近1万年来的平均气温值还要高。如果说,近一万年来,尤其是近百年来地球上气温升高是由于人类及工业活动的影响,那么,距今十多万年前的高温期是否也是受人类和工业活动的影响呢?从已知的人类发展史来看,显然,目前还没有充分的根据证明是人类活动的影响。

人们在讨论数十年来全球平均气温升高的原因时,往往归咎于二氧化碳含量增加产生的“温室效应”。若仅就这数十年的情况看,的确,两者之间似乎存在着正相关。然而,若仔细对比二氧化碳含量与气温变化之间关系,情况就不完全相同了。例如,距今11万年~10万年间,气温一直在升高,但同期的二氧化碳含量却在下降。这说明,气温和二氧化碳浓度变化之间并不一定都有明显的成正比变化的关系。

可见,由极地冰岩芯反演得到的古气候和古环境资料,一方面为未来气候和环境变化可提供预测依据,同时,也可为解释当今气候环境变化的原因提供有效的科学思路。

诠释南极奇特的日出日落   除了极昼和极夜以外,极地是否也有日出日落呢?

前面已经提到,冬至(夏至)之后,太阳直射点逐渐向北(南)移动,南极(北极)地区自北(南)向南(北)逐渐出现日出日落。例如,我国南极中山站位于南纬60度22分24秒,在1988年11月25日至1989年1月17日的54天内,有效日照时数为24小时(即极昼);从1月18日起,每天的日照时数逐渐减少,出现了日出日落。

1985年2月10日,笔者随日本南极考察船《白濑号》航行于南纬70度13分、东经24度25分的海面上,在气温摄氏零下8.2度,风速11-12米/秒的条件下,观测并拍摄了南极地区独特的日出景观。

从3点起,我更密切关注着天边和分针的变化,好不容易到了三点半,应该是日出的时候了。然而,太阳仍未升起,只是朝阳已渐渐映红了天顶。此时,可以看到,天顶有一些高积云。快到四点了,太阳不仅没有升起,原来映红了的天顶反而变淡,太阳仿佛要回去了似的。四点十分,东方出现晨曦,并逐渐有红光升起,我赶忙连续拍下这个镜头。四点十六分,太阳四周边缘出现淡青色光环;真奇怪,从来没有见过啊。我屏住呼吸,连续拍照着。太阳渐渐升起,圆孤状的太阳露出海平线。四点二十分,大约有四分之一的太阳已露出海平线,天空的红色逐渐变深,紧邻太阳的四周似乎镶上了一圈黄色的光环。我怕错过机会,赶忙不停地拍照着。此时,手指已冻得麻木,我交替地用口里吐出的热气暖和着我的左右手,以便拍照和录音。四点二十八分,朝阳恰恰升到海平线上。奇怪!除了紧邻太阳四周为红光外,天空却变得黑暗了(照片174~177)。

照片174. 四点十分,东方出现晨曦,并逐渐有红光升起

照片175. 四点二十分, 约有四分之一的太阳已露出海平线,天空的红色逐渐变深,紧邻太阳的四周似乎镶上了一圈黄色的光环。

照片176.四点二十四分,约有四分之三的太阳升到海平线上,天空逐渐变暗了

照片177. 四点二十八分,朝阳恰恰升到海平线上。除了紧邻太阳四周为红光外,天空全变得黑暗了

 

在南极地区,日落与日出现象刚刚相反。当夕阳接近地平线时,原来白色的火球逐渐变为淡黄色,紧邻太阳的四周呈现一个紫红色圆环,把天空和海面连结在一个圆球里。在这圆圈以外,天空与海面都是黑洞洞的,极目远眺,犹如黑夜里冰海中的一盏航灯。随着太阳高度角的降低,紫红色的圆环慢慢缩小,直至夕阳只残留一半在海平线以上时,整个天空与海面则变得更暗,似乎黑夜马上就要降临。然而,随着太阳高度角进一步降低,天空却奇迹般地很快变亮,大约当太阳落入海平线以下3/4时,一片血红色的天空却展现在我们眼前。海面上的漆黑色也逐渐向紫红色过渡,尤其是在夕阳照射的扇形面积中,已与天空的血红色完全浑然一体,此时仿佛黑夜即将过去,俄倾,海平线上仅仅残留一块扁平的淡黄色火团,发射出一束淡红色光柱,天空迅速由血红色变为淡红色,海面上放射出一层淡红色的光泽,宛如黎明即将来临。

1989年7月,所长曾庆存为我组织了南极科学考察汇报会,听取我汇报的是大气物理所的研究员、副研究员等数十人。

当我展示我拍摄的奇特南极日出日落幻灯片后,会场上一度鸦雀无声。过了一会儿,叶笃正老师突然问我:“高登,你是否拍摄错了啊?”老师突然的这种提问让我惊讶:怎么会拍摄错呢?那时没有数码相机,我立刻展示我的两卷彩色负片和幻灯片,大家一看,没有错误。在座的气象界前辈认真讨论了好几十分钟后,得出了如下的初步解释。

为什么南极地区的日出、日落景象和其它地方如此不同?为什么太阳还在地平线以下时天空彤亮,当太阳一半升到地平线上时天空反而变黑?为什么日落又几乎与日出过程中的现象正好相反呢?

当太阳赤纬(δ)为负23度27分时,正是南半球的夏至。在南极圈上的白昼时数达24小时,即全天可以看到太阳都在极圈的地平线以上。按照900-δ-ρ<7度的条件不等式(ρ是地球的纬度)求出,在近于南纬60度的地方,可以出现白夜现象,越往南,白夜的季节越长。所谓白夜,是指在高纬度地区的夏季,因为常在晚霞暮光终结以前就开始出现曙光,整个夜间都是明亮的一种自然现象。

二月是南半球的夏季。在南半球高纬度地区,例如,在南纬69度至70度,当太阳还在海平线以下时,由于白夜现象,天空本就微明,加之南极大陆表面95%以上均被冰雪覆盖,它象一面巨大的明镜把海平线以下的太阳光反射到天空。这两部分光叠加在一起,就使天空呈现出淡淡的红光。当朝阳一半升到海平线以上时,南极大陆的冰雪明镜作用已不能再把太阳的光芒反射到人们的眼中,而映入人们眼帘的只是太阳的直射光,即只能看见太阳本身及其紧邻的光环;因而,天空便显得黑洞洞的。另外,由于南极地区空气非常洁净,刚刚离开海平线的太阳光几乎不受任何气溶胶粒子的折射作用,人们看不到在非南极地区日出时的折射光芒,这也是天空呈现黑洞洞的原因之一。

日落与日出其过程恰恰相反,可用同样的理由来解释。

科学创新和普及实践中的点滴体会

数十年来,在我走进地球三极与广阔海洋的科学考察研究和步入科学普及殿堂的实践中,逐渐有了几本科学专著和20多本科普著作,近百篇学术论文和几百篇科普博文的发表,尤其是逾千场的全国范围内的科学普及报告,面对面与近百万听众的近距离交流,对于科学创新和科学普及关系有了比较深刻的体会。

科学研究的四性

所谓科学研究的四性,即,科学研究的过程性、科学结论的暂时性(创新性)、实践性和社会性。

关于科学研究的四性,作者在前面的“理实交融的科学研究”一章中基本上讨论了,这里仅仅补充关于“科学结论的暂时性”。

科学结论的暂时性(创新性)  这里仅仅举一例关于南极臭氧洞形成原因的理论。1985年,自英国科学家和日本科学家发现南极臭氧洞后,有科学家提出,这是由于人类排放的大量氟里昂气体带来的结果。理由是,氟里昂气体中的氯离子会与臭氧发生化学反应,将三氧分解为二氧和一氧,故而破坏了臭氧层。

然而,时隔不久,有科学家反问:人类排放的氟里昂气体绝大部分在北半球,为什么北极上空没有臭氧洞,而出现在南极上空呢?

这个问题击中了要害。科学家们继续研究,发现了新的原因。原来,南极主要以南极冰盖为主,平均海拔高度3000多米的南极冰盖宛如一座巨大的冰山在海拔3000多米的高度冷却大气,使得南极上空在过度季节的气温很低,在平流层出现低于摄氏零下七十八度的气温,形成冰晶云,破坏大气中的二氧化氮。研究表明,二氧化氮对臭氧有保护作用,表现为,二氧化氮浓度变化与臭氧浓度变化成正比关系。当二氧化氮浓度减小时,为氟里昂气体中的氯离子与臭氧化学反应提供了可能性。北极地区是以海洋为主,在北极的过度季节,北极平流层上空没有出现低于摄氏七十八度的气温,没有形成冰晶云,没有为氟里昂气体中的氯离子提供与臭氧发生化学反应的机会,因而北极上空没有臭氧洞。

至此,南极臭氧洞形成原因水落石出:首先是海拔高度高达3000多米的南极冰盖,其巨大的冷源作用在过度季节形成了南极平流层上空低于摄氏七十八度的气温,形成冰晶云;其次,人类排放的氟里昂气体中的氯离子,在冰晶云破坏了二氧化氮后,才为氯离子提供了与臭氧发生化学反应的可能性。

这样,才回答了“为什么北极上空没有臭氧洞”的问题,南极臭氧洞形成原因的结论,在短短几年内就发生了变化。这正说明了科学结论的暂时性,也就是科学的创新性。

科学普及的四要素

科学普及的四要素包括“科学知识、科学思维、科学方法、科学精神”。

普及科学知识  这是科学普及的基础,把科学基本知识尽可能地普及到每一个公民。然而,科学知识浩瀚无边,永无止境,因此,必须对于不同的人群有针对性地普及相应科学知识,对于相同的人群在不同的时段普及不同的基本知识。

普及科学思维   这是科学普及中的关键之一。由于科学知识的浩瀚无边与永无止境,科学家或科学普及工作者,应当尽可能地普及科学思维,起到“举一反三”的作用。例如,如何正确认识科学,非常重要。要让公众知道,科学不是万能,科学具有两重性。科学能够服务于人类,但歌德曾经说过,“大自然永远是正确的,永远是公正的,错误和罪过是人犯下的。”恩格斯也说过,“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利,自然界都报复了我们……”。

科学思维具有一定的哲学性。诸如“理实交融的科学研究道路”、“人与自然关系”、“人类对于气候环境变化的适应性”等都是科学普及思维的范畴。如果科学家能够学点哲学,也许对于普及科学思维有所帮助。比如,老子在“道德经”里讲的“人法地,地法天,天法道,道法自然”,等,也许都有助于科学思维的普及。

作者曾经“图文并茂”地诠释过北极熊适应北极气候变暖、浮冰减少、人类大量捕杀北极海豹的不利条件,改变自己捕食习惯、求得生存发展的故事。也许这也是普及科学思维的一部分吧。

普及科学方法   普及科学方法也就是普及科学研究的方法。作者认为,如果人们尽可能地遵循《中庸》里“博学篇”有关“笃学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之”的教诲,特别是其中在博学基础上的敢于对前人科学结论的“审问”,再经过“慎思”、“明辨”,而后踏踏实实地实践,才有可能“创新”。正如前面提到的关于南极臭氧洞形成理论的探讨,如果不敢于提问“为什么北极上空没有臭氧洞”,那么,南极臭氧洞形成的新理论就不可能诞生。

普及科学精神   科学精神的基本点应该是“求真务实”。这里举一例。公元18世纪的英国诗人蒲柏在称颂牛顿时,夸张地说:自然和自然法则隐藏在一片黑夜之中,上帝说:“让牛顿出世吧!”,于是一切光明。

然而,牛顿却不以为然,他冷静地说:“我不知道世人如何看我,但就我自己而言,当我面对浩瀚真理的海洋还未被发现的时候,我似乎就像一个在海边玩耍的孩子,时而找到一块比原先更光滑的卵石,时而捡起一个比之前更美丽的贝壳,并以此自得其乐。”(原文:I do not know what I may appear to the world; but to myself I seem to have been only like a boy playing on the sea-shore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all undiscovered before me.)

这就是牛顿的“求真务实”精神。

国家最高科学技术获获奖者叶笃正先生在他的获奖感言中题道:“求实求实再求实,认真认真再认真”(照片178)。正是“求真务实”精神。

照片178.叶笃正先生在获得国家最高科学技术奖后的感言

 

科学创新与科学普及相得益彰

胡锦涛同志在2008年12月15日的讲话中指出:“科技工作包括创新科学技术和普及科学技术这两个相辅相成的重要方面。普及科学技术,提高全民科学素质,既是激励科技创新、建设创新型国家的内在要求,也是营造创新环境、培育创新人才的基础工程。”

作者认为,通过科学普及,把最新科学理论和结果普及公众,很可能再重新提出新的科学问题研究,从而促进科学研究发展。例如,在1998年徒步穿越雅鲁藏布大峡谷过程中,我国新闻媒体广泛地宣传、普及了有关雅鲁藏布大峡谷水汽通道作用对于我国自然环境和人类活动的影响,引起了我国两位科学泰斗钱学森和钱伟长先生的关注,他们联名致函国家领导人,大胆建议,可否扩大雅鲁藏布大峡谷通道,增加向青藏高原腹地的水汽输送量,以缓解我国西北干旱状况。

两位科学泰斗之一专门给叶笃正老师打电话,阐述这个观点,并希望他支持。由于提出“雅鲁藏布江下游水汽通道作用及其对于自然环境和人类活动影响”是我和杨逸畴、李渤生教授在1987年B辑第8期《中国科学》上发表论文“雅鲁藏布江水汽通道初探”中提出的观点,叶笃正院士当面向我交待,要求我根据两位科学家的提议,认真按照两位科学泰斗提议的思维,进行数值诊断分析研究。为此,我与我的研究生蹇咏霄一起,花了两年时间,于2001年完成了“雅鲁藏布大峡谷地形变化与水汽通道作用研究”论文,这篇论文主要部分在我的专著《中国山地环境气象学》第三章“雅鲁藏布大峡谷及其邻区地形变化与水汽通道作用”中刊出。它指出,即使把雅鲁藏布大峡谷扩大到100千名宽,并从大峡谷口到我国三江源地区改变地形为斜坡,选取历史上最强盛的西南季风年,这样的水汽输送也不能到达青海三江源地区,而在沿途把水汽凝结为水降落了,当然不能够到达外国长江和黄河源头,以缓解我国西北干旱状况。即,从气象条件和地形条件来看,这种设想不符合实际。

当叶笃正老师把我们的论文结论转告二位科学家泰斗后,从此,再也没有人提出类似的设想了。