宠文网

万物简史英文版

宠文网 > 科普学习 > 万物简史英文版

17   INTO THE TROPOSPHERE

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
    《万物简史英文版》章节: 17   INTO THE TROPOSPHERE,宠文网网友提供全文无弹窗免费在线阅读。!


The  most  striking  thing  about  our  atmosphere  is  that  there  isn’t  very  much  of  it.  It  extendsupward  for  about  120  miles,  which  might  seem  reasonably  bounteous  when  viewed  fromground  level,  but  if  you  shrank  the  Earth  to  the  size  of  a  standard  desktop  globe  it  would  onlybe  about  the  thickness  of  a  couple  of  coats  of  varnish.

For  scientific  convenience,  the  atmosphere  is  divided  into  four  unequal  layers:  troposphere,stratosphere,  mesosphere,  and  ionosphere  (now  often  called  the  thermosphere).  Thetroposphere  is  the  part  that’s  dear  to  us.  It  alone  contains  enough  warmth  and  oxygen  to  allowus  to  function,  though  even  it  swiftly  becomes  uncongenial  to  life  as  you  climb  up  through  it.

From  ground  level  to  its  highest  point,  the  troposphere  (or  “turning  sphere”)  is  about  ten  milesthick  at  the  equator  and  no  more  than  six  or  seven  miles  high  in  the  temperate  latitudes  wheremost  of  us  live.  Eighty  percent  of  the  atmosphere’s  mass,  virtually  all  the  water,  and  thusvirtually  all  the  weather  are  contained  within  this  thin  and  wispy  layer.  There  really  isn’tmuch  between  you  and  oblivion.

Beyond  the  troposphere  is  the  stratosphere.  When  you  see  the  top  of  a  storm  cloudflattening  out  into  the  classic  anvil  shape,  you  are  looking  at  the  boundary  between  thetroposphere  and  stratosphere.  This  invisible  ceiling  is  known  as  the  tropopause  and  wasdiscovered  in  1902  by  a  Frenchman  in  a  balloon,  Léon-Philippe  Teisserenc  de  Bort.  Pause  inthis  sense  doesn’t  mean  to  stop  momentarily  but  to  cease  altogether;  it’s  from  the  same  Greekroot  as  menopause.  Even  at  its  greatest  extent,  the  tropopause  is  not  very  distant.  A  fastelevator  of  the  sort  used  in  modern  skyscrapers  could  get  you  there  in  about  twenty  minutes,though  you  would  be  well  advised  not  to  make  the  trip.  Such  a  rapid  ascent  withoutpressurization  would,  at  the  very  least,  result  in  severe  cerebral  and  pulmonary  edemas,  adangerous  excess  of  fluids  in  the  body’s  tissues.  When  the  doors  opened  at  the  viewingplatform,  anyone  inside  would  almost  certainly  be  dead  or  dying.  Even  a  more  measuredascent  would  be  accompanied  by  a  great  deal  of  discomfort.  The  temperature  six  miles  up  canbe  -70  degrees  Fahrenheit,  and  you  would  need,  or  at  least  very  much  appreciate,supplementary  oxygen.

After  you  have  left  the  troposphere  the  temperature  soon  warms  up  again,  to  about  40degrees  Fahrenheit,  thanks  to  the  absorptive  effects  of  ozone  (something  else  de  Bortdiscovered  on  his  daring  1902  ascent).  It  then  plunges  to  as  low  as  -130  degrees  Fahrenheit  inthe  mesosphere  before  skyrocketing  to  2,700  degrees  Fahrenheit  or  more  in  the  aptly  namedbut  very  erratic  thermosphere,  where  temperatures  can  vary  by  a  thousand  degrees  from  day to  night—though  it  must  be  said  that  “temperature”  at  such  a  height  becomes  a  somewhatnotional  concept.  Temperature  is  really  just  a  measure  of  the  activity  of  molecules.  At  sealevel,  air  molecules  are  so  thick  that  one  molecule  can  move  only  the  tiniest  distance—aboutthree-millionths  of  an  inch,  to  be  precise—before  banging  into  another.  Because  trillions  ofmolecules  are  constantly  colliding,  a  lot  of  heat  gets  exchanged.  But  at  the  height  of  thethermosphere,  at  fifty  miles  or  more,  the  air  is  so  thin  that  any  two  molecules  will  be  milesapart  and  hardly  ever  come  in  contact.  So  although  each  molecule  is  very  warm,  there  are  fewinteractions  between  them  and  thus  little  heat  transference.  This  is  good  news  for  satellitesand  spaceships  because  if  the  exchange  of  heat  were  more  efficient  any  man-made  objectorbiting  at  that  level  would  burst  into  flame.

Even  so,  spaceships  have  to  take  care  in  the  outer  atmosphere,  particularly  on  return  trips  toEarth,  as  the  space  shuttle  Columbia  demonstrated  all  too  tragically  in  February  2003.

Although  the  atmosphere  is  very  thin,  if  a  craft  comes  in  at  too  steep  an  angle—more  thanabout  6  degrees—or  too  swiftly  it  can  strike  enough  molecules  to  generate  drag  of  anexceedingly  combustible  nature.  Conversely,  if  an  incoming  vehicle  hit  the  thermosphere  attoo  shallow  an  angle,  it  could  well  bounce  back  into  space,  like  a  pebble  skipped  across  water.

But  you  needn’t  venture  to  the  edge  of  the  atmosphere  to  be  reminded  of  what  hopelesslyground-hugging  beings  we  are.  As  anyone  who  has  spent  time  in  a  lofty  city  will  know,  youdon’t  have  to  rise  too  many  thousands  of  feet  from  sea  level  before  your  body  begins  toprotest.  Even  experienced  mountaineers,  with  the  benefits  of  fitness,  training,  and  bottledoxygen,  quickly  become  vulnerable  at  height  to  confusion,  nausea,  exhaustion,  frostbite,hypothermia,  migraine,  loss  of  appetite,  and  a  great  many  other  stumbling  dysfunctions.  In  ahundred  emphatic  ways  the  human  body  reminds  its  owner  that  it  wasn’t  designed  to  operateso  far  above  sea  level.

“Even  under  the  most  favorable  circumstances,”  the  climber  Peter  Habeler  has  written  ofconditions  atop  Everest,  “every  step  at  that  altitude  demands  a  colossal  effort  of  will.  Youmust  force  yourself  to  make  every  movement,  reach  for  every  handhold.  You  are  perpetuallythreatened  by  a  leaden,  deadly  fatigue.”  In  The  Other  Side  of  Everest,  the  British  mountaineerand  filmmaker  Matt  Dickinson  records  how  Howard  Somervell,  on  a  1924  British  expeditionup  Everest,  “found  himself  choking  to  death  after  a  piece  of  infected  flesh  came  loose  andblocked  his  windpipe.”  With  a  supreme  effort  Somervell  managed  to  cough  up  theobstruction.  It  turned  out  to  be  “the  entire  mucus  lining  of  his  larynx.”

Bodily  distress  is  notorious  above  25,000  feet—the  area  known  to  climbers  as  the  DeathZone—but  many  people  become  severely  debilitated,  even  dangerously  ill,  at  heights  of  nomore  than  15,000  feet  or  so.  Susceptibility  has  little  to  do  with  fitness.  Grannies  sometimescaper  about  in  lofty  situations  while  their  fitter  offspring  are  reduced  to  helpless,  groaningheaps  until  conveyed  to  lower  altitudes.

The  absolute  limit  of  human  tolerance  for  continuous  living  appears  to  be  about  5,500meters,  or  18,000  feet,  but  even  people  conditioned  to  living  at  altitude  could  not  tolerate  suchheights  for  long.  Frances  Ashcroft,  in  Life  at  the  Extremes,  notes  that  there  are  Andean  sulfurmines  at  5,800  meters,  but  that  the  miners  prefer  to  descend  460  meters  each  evening  andclimb  back  up  the  following  day,  rather  than  live  continuously  at  that  elevation.  People  whohabitually  live  at  altitude  have  often  spent  thousands  of  years  developing  disproportionatelylarge  chests  and  lungs,  increasing  their  density  of  oxygen-bearing  red  blood  cells  by  almost  athird,  though  there  are  limits  to  how  much  thickening  with  red  cells  the  blood  supply  can stand.  Moreover,  above  5,500  meters  even  the  most  well-adapted  women  cannot  provide  agrowing  fetus  with  enough  oxygen  to  bring  it  to  its  full  term.

In  the  1780s  when  people  began  to  make  experimental  balloon  ascents  in  Europe,something  that  surprised  them  was  how  chilly  it  got  as  they  rose.  The  temperature  drops  about3  degrees  Fahrenheit  with  every  thousand  feet  you  climb.  Logic  would  seem  to  indicate  thatthe  closer  you  get  to  a  source  of  heat,  the  warmer  you  would  feel.  Part  of  the  explanation  isthat  you  are  not  really  getting  nearer  the  Sun  in  any  meaningful  sense.  The  Sun  is  ninety-threemillion  miles  away.  To  move  a  couple  of  thousand  feet  closer  to  it  is  like  taking  one  stepcloser  to  a  bushfire  in  Australia  when  you  are  standing  in  Ohio,  and  expecting  to  smell  smoke.

The  answer  again  takes  us  back  to  the  question  of  the  density  of  molecules  in  the  atmosphere.

Sunlight  energizes  atoms.  It  increases  the  rate  at  which  they  jiggle  and  jounce,  and  in  theirenlivened  state  they  crash  into  one  another,  releasing  heat.  When  you  feel  the  sun  warm  onyour  back  on  a  summer’s  day,  it’s  really  excited  atoms  you  feel.  The  higher  you  climb,  thefewer  molecules  there  are,  and  so  the  fewer  collisions  between  them.

Air  is  deceptive  stuff.  Even  at  sea  level,  we  tend  to  think  of  the  air  as  being  ethereal  and  allbut  weightless.  In  fact,  it  has  plenty  of  bulk,  and  that  bulk  often  exerts  itself.  As  a  marinescientist  named  Wyville  Thomson  wrote  more  than  a  century  ago:  “We  sometimes  find  whenwe  get  up  in  the  morning,  by  a  rise  of  an  inch  in  the  barometer,  that  nearly  half  a  ton  has  beenquietly  piled  upon  us  during  the  night,  but  we  experience  no  inconvenience,  rather  a  feeling  ofexhilaration  and  buoyancy,  since  it  requires  a  little  less  exertion  to  move  our  bodies  in  thedenser  medium.”  The  reason  you  don’t  feel  crushed  under  that  extra  half  ton  of  pressure  is  thesame  reason  your  body  would  not  be  crushed  deep  beneath  the  sea:  it  is  made  mostly  ofincompressible  fluids,  which  push  back,  equalizing  the  pressures  within  and  without.

But  get  air  in  motion,  as  with  a  hurricane  or  even  a  stiff  breeze,  and  you  will  quickly  bereminded  that  it  has  very  considerable  mass.  Altogether  there  are  about  5,200  million  milliontons  of  air  around  us—25  million  tons  for  every  square  mile  of  the  planet—a  notinconsequential  volume.  When  you  get  millions  of  tons  of  atmosphere  rushing  past  at  thirty  orforty  miles  an  hour,  it’s  hardly  a  surprise  that  limbs  snap  and  roof  tiles  go  flying.  As  AnthonySmith  notes,  a  typical  weather  front  may  consist  of  750  million  tons  of  cold  air  pinnedbeneath  a  billion  tons  of  warmer  air.  Hardly  a  wonder  that  the  result  is  at  timesmeteorologically  exciting.

Certainly  there  is  no  shortage  of  energy  in  the  world  above  our  heads.  One  thunderstorm,  ithas  been  calculated,  can  contain  an  amount  of  energy  equivalent  to  four  days’  use  ofelectricity  for  the  whole  United  States.  In  the  right  conditions,  storm  clouds  can  rise  to  heightsof  six  to  ten  miles  and  contain  updrafts  and  downdrafts  of  one  hundred  miles  an  hour.  Theseare  often  side  by  side,  which  is  why  pilots  don’t  want  to  fly  through  them.  In  all,  the  internalturmoil  particles  within  the  cloud  pick  up  electrical  charges.  For  reasons  not  entirelyunderstood  the  lighter  particles  tend  to  become  positively  charged  and  to  be  wafted  by  aircurrents  to  the  top  of  the  cloud.  The  heavier  particles  linger  at  the  base,  accumulating  negativecharges.  These  negatively  charged  particles  have  a  powerful  urge  to  rush  to  the  positivelycharged  Earth,  and  good  luck  to  anything  that  gets  in  their  way.  A  bolt  of  lightning  travels  at270,000  miles  an  hour  and  can  heat  the  air  around  it  to  a  decidedly  crisp  50,000  degreesFahrenheit,  several  times  hotter  than  the  surface  of  the  sun.  At  any  one  moment  1,800thunderstorms  are  in  progress  around  the  globe—some  40,000  a  day.  Day  and  night  across  theplanet  every  second  about  a  hundred  lightning  bolts  hit  the  ground.  The  sky  is  a  lively  place.

Much  of  our  knowledge  of  what  goes  on  up  there  is  surprisingly  recent.  Jet  streams,  usuallylocated  about  30,000  to  35,000  feet  up,  can  bowl  along  at  up  to  180  miles  an  hour  and  vastlyinfluence  weather  systems  over  whole  continents,  yet  their  existence  wasn’t  suspected  untilpilots  began  to  fly  into  them  during  the  Second  World  War.  Even  now  a  great  deal  ofatmospheric  phenomena  is  barely  understood.  A  form  of  wave  motion  popularly  known  asclear-air  turbulence  occasionally  enlivens  airplane  flights.  About  twenty  such  incidents  a  yearare  serious  enough  to  need  reporting.  They  are  not  associated  with  cloud  structures  oranything  else  that  can  be  detected  visually  or  by  radar.  They  are  just  pockets  of  startlingturbulence  in  the  middle  of  tranquil  skies.  In  a  typical  incident,  a  plane  en  route  fromSingapore  to  Sydney  was  flying  over  central  Australia  in  calm  conditions  when  it  suddenlyfell  three  hundred  feet—enough  to  fling  unsecured  people  against  the  ceiling.  Twelve  peoplewere  injured,  one  seriously.  No  one  knows  what  causes  such  disruptive  cells  of  air.

The  process  that  moves  air  around  in  the  atmosphere  is  the  same  process  that  drives  theinternal  engine  of  the  planet,  namely  convection.  Moist,  warm  air  from  the  equatorial  regionsrises  until  it  hits  the  barrier  of  the  tropopause  and  spreads  out.  As  it  travels  away  from  theequator  and  cools,  it  sinks.  When  it  hits  bottom,  some  of  the  sinking  air  looks  for  an  area  oflow  pressure  to  fill  and  heads  back  for  the  equator,  completing  the  circuit.

At  the  equator  the  convection  process  is  generally  stable  and  the  weather  predictably  fair,but  in  temperate  zones  the  patterns  are  far  more  seasonal,  localized,  and  random,  whichresults  in  an  endless  battle  between  systems  of  high-pressure  air  and  low.  Low-pressuresystems  are  created  by  rising  air,  which  conveys  water  molecules  into  the  sky,  forming  cloudsand  eventually  rain.  Warm  air  can  hold  more  moisture  than  cool  air,  which  is  why  tropical  andsummer  storms  tend  to  be  the  heaviest.  Thus  low  areas  tend  to  be  associated  with  clouds  andrain,  and  highs  generally  spell  sunshine  and  fair  weather.  When  two  such  systems  meet,  itoften  becomes  manifest  in  the  clouds.  For  instance,  stratus  clouds—those  unlovable,featureless  sprawls  that  give  us  our  overcast  skies—happen  when  moisture-bearing  updraftslack  the  oomph  to  break  through  a  level  of  more  stable  air  above,  and  instead  spread  out,  likesmoke  hitting  a  ceiling.  Indeed,  if  you  watch  a  smoker  sometime,  you  can  get  a  very  goodidea  of  how  things  work  by  watching  how  smoke  rises  from  a  cigarette  in  a  still  room.  Atfirst,  it  goes  straight  up  (this  is  called  a  laminar  flow,  if  you  need  to  impress  anyone),  and  thenit  spreads  out  in  a  diffused,  wavy  layer.  The  greatest  supercomputer  in  the  world,  takingmeasurements  in  the  most  carefully  controlled  environment,  cannot  tell  you  what  forms  theseripplings  will  take,  so  you  can  imagine  the  difficulties  that  confront  meteorologists  when  theytry  to  predict  such  motions  in  a  spinning,  windy,  large-scale  world.

What  we  do  know  is  that  because  heat  from  the  Sun  is  unevenly  distributed,  differences  inair  pressure  arise  on  the  planet.  Air  can’t  abide  this,  so  it  rushes  around  trying  to  equalizethings  everywhere.  Wind  is  simply  the  air’s  way  of  trying  to  keep  things  in  balance.  Airalways  flows  from  areas  of  high  pressure  to  areas  of  low  pressure  (as  you  would  expect;  thinkof  anything  with  air  under  pressure—a  balloon  or  an  air  tank—and  think  how  insistently  thatpressured  air  wants  to  get  someplace  else),  and  the  greater  the  discrepancy  in  pressures  thefaster  the  wind  blows.

Incidentally,  wind  speeds,  like  most  things  that  accumulate,  grow  exponentially,  so  a  windblowing  at  two  hundred  miles  an  hour  is  not  simply  ten  times  stronger  than  a  wind  blowing  attwenty  miles  an  hour,  but  a  hundred  times  stronger—and  hence  that  much  more  destructive.

Introduce  several  million  tons  of  air  to  this  accelerator  effect  and  the  result  can  be  exceedingly energetic.  A  tropical  hurricane  can  release  in  twenty-four  hours  as  much  energy  as  a  rich,medium-sized  nation  like  Britain  or  France  uses  in  a  year.

The  impulse  of  the  atmosphere  to  seek  equilibrium  was  first  suspected  by  EdmondHalley—the  man  who  was  everywhere—and  elaborated  upon  in  the  eighteenth  century  by  hisfellow  Briton  George  Hadley,  who  saw  that  rising  and  falling  columns  of  air  tended  toproduce  “cells”  (known  ever  since  as  “Hadley  cells”).  Though  a  lawyer  by  profession,  Hadleyhad  a  keen  interest  in  the  weather  (he  was,  after  all,  English)  and  also  suggested  a  linkbetween  his  cells,  the  Earth’s  spin,  and  the  apparent  deflections  of  air  that  give  us  our  tradewinds.  However,  it  was  an  engineering  professor  at  the  école  Polytechnique  in  Paris,Gustave-Gaspard  de  Coriolis,  who  worked  out  the  details  of  these  interactions  in  1835,  andthus  we  call  it  the  Coriolis  effect.  (Coriolis’s  other  distinction  at  the  school  was  to  introducewatercoolers,  which  are  still  known  there  as  Corios,  apparently.)  The  Earth  revolves  at  a  brisk1,041  miles  an  hour  at  the  equator,  though  as  you  move  toward  the  poles  the  rate  slopes  offconsiderably,  to  about  600  miles  an  hour  in  London  or  Paris,  for  instance.  The  reason  for  thisis  self-evident  when  you  think  about  it.  If  you  are  on  the  equator  the  spinning  Earth  has  tocarry  you  quite  a  distance—about  40,000  kilometers—to  get  you  back  to  the  same  spot.  If  youstand  beside  the  North  Pole,  however,  you  may  need  travel  only  a  few  feet  to  complete  arevolution,  yet  in  both  cases  it  takes  twenty-four  hours  to  get  you  back  to  where  you  began.

Therefore,  it  follows  that  the  closer  you  get  to  the  equator  the  faster  you  must  be  spinning.

The  Coriolis  effect  explains  why  anything  moving  through  the  air  in  a  straight  line  laterallyto  the  Earth’s  spin  will,  given  enough  distance,  seem  to  curve  to  the  right  in  the  northernhemisphere  and  to  the  left  in  the  southern  as  the  Earth  revolves  beneath  it.  The  standard  wayto  envision  this  is  to  imagine  yourself  at  the  center  of  a  large  carousel  and  tossing  a  ball  tosomeone  positioned  on  the  edge.  By  the  time  the  ball  gets  to  the  perimeter,  the  target  personhas  moved  on  and  the  ball  passes  behind  him.  From  his  perspective,  it  looks  as  if  it  has  curvedaway  from  him.  That  is  the  Coriolis  effect,  and  it  is  what  gives  weather  systems  their  curl  andsends  hurricanes  spinning  off  like  tops.  The  Coriolis  effect  is  also  why  naval  guns  firingartillery  shells  have  to  adjust  to  left  or  right;  a  shell  fired  fifteen  miles  would  otherwisedeviate  by  about  a  hundred  yards  and  plop  harmlessly  into  the  sea.

Considering  the  practical  and  psychological  importance  of  the  weather  to  nearly  everyone,it’s  surprising  that  meteorology  didn’t  really  get  going  as  a  science  until  shortly  before  theturn  of  the  nineteenth  century  (though  the  term  meteorology  itself  had  been  around  since1626,  when  it  was  coined  by  a  T.  Granger  in  a  book  of  logic).

Part  of  the  problem  was  that  successful  meteorology  requires  the  precise  measurement  oftemperatures,  and  thermometers  for  a  long  time  proved  more  difficult  to  make  than  you  mightexpect.  An  accurate  reading  was  dependent  on  getting  a  very  even  bore  in  a  glass  tube,  andthat  wasn’t  easy  to  do.  The  first  person  to  crack  the  problem  was  Daniel  Gabriel  Fahrenheit,  aDutch  maker  of  instruments,  who  produced  an  accurate  thermometer  in  1717.  However,  forreasons  unknown  he  calibrated  the  instrument  in  a  way  that  put  freezing  at  32  degrees  andboiling  at  212  degrees.  From  the  outset  this  numeric  eccentricity  bothered  some  people,  and  in1742  Anders  Celsius,  a  Swedish  astronomer,  came  up  with  a  competing  scale.  In  proof  of  theproposition  that  inventors  seldom  get  matters  entirely  right,  Celsius  made  boiling  point  zeroand  freezing  point  100  on  his  scale,  but  that  was  soon  reversed.

The  person  most  frequently  identified  as  the  father  of  modern  meteorology  was  an  Englishpharmacist  named  Luke  Howard,  who  came  to  prominence  at  the  beginning  of  the  nineteenthcentury.  Howard  is  chiefly  remembered  now  for  giving  cloud  types  their  names  in  1803.

Although  he  was  an  active  and  respected  member  of  the  Linnaean  Society  and  employedLinnaean  principles  in  his  new  scheme,  Howard  chose  the  rather  more  obscure  AskesianSociety  as  the  forum  to  announce  his  new  system  of  classification.  (The  Askesian  Society,you  may  just  recall  from  an  earlier  chapter,  was  the  body  whose  members  were  unusuallydevoted  to  the  pleasures  of  nitrous  oxide,  so  we  can  only  hope  they  treated  Howard’spresentation  with  the  sober  attention  it  deserved.  It  is  a  point  on  which  Howard  scholars  arecuriously  silent.)Howard  divided  clouds  into  three  groups:  stratus  for  the  layered  clouds,  cumulus  for  thefluffy  ones  (the  word  means  “heaped”  in  Latin),  and  cirrus  (meaning  “curled”)  for  the  high,thin  feathery  formations  that  generally  presage  colder  weather.  To  these  he  subsequentlyadded  a  fourth  term,  nimbus  (from  the  Latin  for  “cloud”),  for  a  rain  cloud.  The  beauty  ofHoward’s  system  was  that  the  basic  components  could  be  freely  recombined  to  describe  everyshape  and  size  of  passing  cloud—stratocumulus,  cirrostratus,  cumulocongestus,  and  so  on.  Itwas  an  immediate  hit,  and  not  just  in  England.  The  poet  Johann  von  Goethe  in  Germany  wasso  taken  with  the  system  that  he  dedicated  four  poems  to  Howard.

Howard’s  system  has  been  much  added  to  over  the  years,  so  much  so  that  the  encyclopedicif  little  read  International  Cloud  Atlas  runs  to  two  volumes,  but  interestingly  virtually  all  thepost-Howard  cloud  types—mammatus,  pileus,  nebulosis,  spissatus,  floccus,  and  mediocris  area  sampling—have  never  caught  on  with  anyone  outside  meteorology  and  not  terribly  muchthere,  I’m  told.  Incidentally,  the  first,  much  thinner  edition  of  that  atlas,  produced  in  1896,divided  clouds  into  ten  basic  types,  of  which  the  plumpest  and  most  cushiony-looking  wasnumber  nine,  cumulonimbus.

1That  seems  to  have  been  the  source  of  the  expression  “to  be  oncloud  nine.”

For  all  the  heft  and  fury  of  the  occasional  anvil-headed  storm  cloud,  the  average  cloud  isactually  a  benign  and  surprisingly  insubstantial  thing.  A  fluffy  summer  cumulus  severalhundred  yards  to  a  side  may  contain  no  more  than  twenty-five  or  thirty  gallons  of  water—“about  enough  to  fill  a  bathtub,”  as  James  Trefil  has  noted.  You  can  get  some  sense  of  theimmaterial  quality  of  clouds  by  strolling  through  fog—which  is,  after  all,  nothing  more  than  acloud  that  lacks  the  will  to  fly.  To  quote  Trefil  again:  “If  you  walk  100  yards  through  a  typicalfog,  you  will  come  into  contact  with  only  about  half  a  cubic  inch  of  water—not  enough  togive  you  a  decent  drink.”  In  consequence,  clouds  are  not  great  reservoirs  of  water.  Only  about0.035  percent  of  the  Earth’s  fresh  water  is  floating  around  above  us  at  any  moment.

Depending  on  where  it  falls,  the  prognosis  for  a  water  molecule  varies  widely.  If  it  lands  infertile  soil  it  will  be  soaked  up  by  plants  or  reevaporated  directly  within  hours  or  days.  If  itfinds  its  way  down  to  the  groundwater,  however,  it  may  not  see  sunlight  again  for  manyyears—thousands  if  it  gets  really  deep.  When  you  look  at  a  lake,  you  are  looking  at  acollection  of  molecules  that  have  been  there  on  average  for  about  a  decade.  In  the  ocean  theresidence  time  is  thought  to  be  more  like  a  hundred  years.  Altogether  about  60  percent  of1If  you  have  ever  been  struck  by  how  beautifully  crisp  and  well  defined  the  edges  of  cumulus  clouds  tend  to  be,while  other  clouds  are  more  blurry,  the  explanation  is  that  in  a  cumulus  cloud  there  is  a  pronounced  boundarybetween  the  moist  interior  of  the  cloud  and  the  dry  air  beyond  it.  Any  water  molecule  that  strays  beyond  the  edgeof  the  cloud  is  immediately  zapped  by  the  dry  air  beyond,  allowing  the  cloud  to  keep  its  fine  edge.  Much  highercirrus  clouds  are  composed  of  ice,  and  the  zone  between  the  edge  of  the  cloud  and  the  air  beyond  is  not  soclearly  delineated,  which  is  why  they  tend  to  be  blurry  at  the  edges.

water  molecules  in  a  rainfall  are  returned  to  the  atmosphere  within  a  day  or  two.  Onceevaporated,  they  spend  no  more  than  a  week  or  so—Drury  says  twelve  days—in  the  skybefore  falling  again  as  rain.

Evaporation  is  a  swift  process,  as  you  can  easily  gauge  by  the  fate  of  a  puddle  on  asummer’s  day.  Even  something  as  large  as  the  Mediterranean  would  dry  out  in  a  thousandyears  if  it  were  not  continually  replenished.  Such  an  event  occurred  a  little  under  six  millionyears  ago  and  provoked  what  is  known  to  science  as  the  Messinian  Salinity  Crisis.  Whathappened  was  that  continental  movement  closed  the  Strait  of  Gibraltar.  As  the  Mediterraneandried,  its  evaporated  contents  fell  as  freshwater  rain  into  other  seas,  mildly  diluting  theirsaltiness—indeed,  making  them  just  dilute  enough  to  freeze  over  larger  areas  than  normal.

The  enlarged  area  of  ice  bounced  back  more  of  the  Sun’s  heat  and  pushed  Earth  into  an  iceage.  So  at  least  the  theory  goes.

What  is  certainly  true,  as  far  as  we  can  tell,  is  that  a  little  change  in  the  Earth’s  dynamicscan  have  repercussions  beyond  our  imagining.  Such  an  event,  as  we  shall  see  a  little  furtheron,  may  even  have  created  us.

Oceans  are  the  real  powerhouse  of  the  planet’s  surface  behavior.  Indeed,  meteorologistsincreasingly  treat  oceans  and  atmosphere  as  a  single  system,  which  is  why  we  must  give  thema  little  of  our  attention  here.  Water  is  marvelous  at  holding  and  transporting  heat.  Every  day,the  Gulf  Stream  carries  an  amount  of  heat  to  Europe  equivalent  to  the  world’s  output  of  coalfor  ten  years,  which  is  why  Britain  and  Ireland  have  such  mild  winters  compared  with  Canadaand  Russia.

But  water  also  warms  slowly,  which  is  why  lakes  and  swimming  pools  are  cold  even  on  thehottest  days.  For  that  reason  there  tends  to  be  a  lag  in  the  official,  astronomical  start  of  aseason  and  the  actual  feeling  that  that  season  has  started.  So  spring  may  officially  start  in  thenorthern  hemisphere  in  March,  but  it  doesn’t  feel  like  it  in  most  places  until  April  at  the  veryearliest.

The  oceans  are  not  one  uniform  mass  of  water.  Their  differences  in  temperature,  salinity,depth,  density,  and  so  on  have  huge  effects  on  how  they  move  heat  around,  which  in  turnaffects  climate.  The  Atlantic,  for  instance,  is  saltier  than  the  Pacific,  and  a  good  thing  too.  Thesaltier  water  is  the  denser  it  is,  and  dense  water  sinks.  Without  its  extra  burden  of  salt,  theAtlantic  currents  would  proceed  up  to  the  Arctic,  warming  the  North  Pole  but  deprivingEurope  of  all  that  kindly  warmth.  The  main  agent  of  heat  transfer  on  Earth  is  what  is  knownas  thermohaline  circulation,  which  originates  in  slow,  deep  currents  far  below  the  surface—aprocess  first  detected  by  the  scientist-adventurer  Count  von  Rumford  in  1797.

2What  happensis  that  surface  waters,  as  they  get  to  the  vicinity  of  Europe,  grow  dense  and  sink  to  greatdepths  and  begin  a  slow  trip  back  to  the  southern  hemisphere.  When  they  reach  Antarctica,they  are  caught  up  in  the  Antarctic  Circumpolar  Current,  where  they  are  driven  onward  intothe  Pacific.  The  process  is  very  slow—it  can  take  1,500  years  for  water  to  travel  from  the2The  term  means  a  number  of  things  to  different  people,  it  appears.  In  November  2002,  Carl  Wunsch  of  MITpublished  a  report  in  Science,  "What  Is  the  Thermohaline  Circulation?,"  in  which  he  noted  that  the  expressionhas  been  used  in  leading  journals  to  signify  at  least  seven  different  phenomena  (circulation  at  the  abyssal  level,circulation  driven  by  differences  in  density  or  buoyancy,  "meridional  overturning  circulation  of  mass,"  and  soon)-though  all  have  to  do  with  ocean  circulations  and  the  transfer  of  heat,  the  cautiously  vague  and  embracingsense  in  which  I  have  employed  it  here.

North  Atlantic  to  the  mid-Pacific—but  the  volumes  of  heat  and  water  they  move  are  veryconsiderable,  and  the  influence  on  the  climate  is  enormous.

(As  for  the  question  of  how  anyone  could  possibly  figure  out  how  long  it  takes  a  drop  ofwater  to  get  from  one  ocean  to  another,  the  answer  is  that  scientists  can  measure  compoundsin  the  water  like  chlorofluorocarbons  and  work  out  how  long  it  has  been  since  they  were  lastin  the  air.  By  comparing  a  lot  of  measurements  from  different  depths  and  locations  they  canreasonably  chart  the  water’s  movement.)Thermohaline  circulation  not  only  moves  heat  around,  but  also  helps  to  stir  up  nutrients  asthe  currents  rise  and  fall,  making  greater  volumes  of  the  ocean  habitable  for  fish  and  othermarine  creatures.  Unfortunately,  it  appears  the  circulation  may  also  be  very  sensitive  tochange.  According  to  computer  simulations,  even  a  modest  dilution  of  the  ocean’s  saltcontent—from  increased  melting  of  the  Greenland  ice  sheet,  for  instance—could  disrupt  thecycle  disastrously.

The  seas  do  one  other  great  favor  for  us.  They  soak  up  tremendous  volumes  of  carbon  andprovide  a  means  for  it  to  be  safely  locked  away.  One  of  the  oddities  of  our  solar  system  is  thatthe  Sun  burns  about  25  percent  more  brightly  now  than  when  the  solar  system  was  young.

This  should  have  resulted  in  a  much  warmer  Earth.  Indeed,  as  the  English  geologist  AubreyManning  has  put  it,  “This  colossal  change  should  have  had  an  absolutely  catastrophic  effecton  the  Earth  and  yet  it  appears  that  our  world  has  hardly  been  affected.”

So  what  keeps  the  world  stable  and  cool?

Life  does.  Trillions  upon  trillions  of  tiny  marine  organisms  that  most  of  us  have  neverheard  of—foraminiferans  and  coccoliths  and  calcareous  algae—capture  atmospheric  carbon,in  the  form  of  carbon  dioxide,  when  it  falls  as  rain  and  use  it  (in  combination  with  otherthings)  to  make  their  tiny  shells.  By  locking  the  carbon  up  in  their  shells,  they  keep  it  frombeing  reevaporated  into  the  atmosphere,  where  it  would  build  up  dangerously  as  a  greenhousegas.  Eventually  all  the  tiny  foraminiferans  and  coccoliths  and  so  on  die  and  fall  to  the  bottomof  the  sea,  where  they  are  compressed  into  limestone.  It  is  remarkable,  when  you  behold  anextraordinary  natural  feature  like  the  White  Cliffs  of  Dover  in  England,  to  reflect  that  it  ismade  up  of  nothing  but  tiny  deceased  marine  organisms,  but  even  more  remarkable  when  yourealize  how  much  carbon  they  cumulatively  sequester.  A  six-inch  cube  of  Dover  chalk  willcontain  well  over  a  thousand  liters  of  compressed  carbon  dioxide  that  would  otherwise  bedoing  us  no  good  at  all.  Altogether  there  is  about  twenty  thousand  times  as  much  carbonlocked  away  in  the  Earth’s  rocks  as  in  the  atmosphere.  Eventually  much  of  that  limestone  willend  up  feeding  volcanoes,  and  the  carbon  will  return  to  the  atmosphere  and  fall  to  the  Earth  inrain,  which  is  why  the  whole  is  called  the  long-term  carbon  cycle.  The  process  takes  a  verylong  time—about  half  a  million  years  for  a  typical  carbon  atom—but  in  the  absence  of  anyother  disturbance  it  works  remarkably  well  at  keeping  the  climate  stable.

Unfortunately,  human  beings  have  a  careless  predilection  for  disrupting  this  cycle  byputting  lots  of  extra  carbon  into  the  atmosphere  whether  the  foraminiferans  are  ready  for  it  ornot.  Since  1850,  it  has  been  estimated,  we  have  lofted  about  a  hundred  billion  tons  of  extracarbon  into  the  air,  a  total  that  increases  by  about  seven  billion  tons  each  year.  Overall,  that’snot  actually  all  that  much.  Nature—mostly  through  the  belchings  of  volcanoes  and  the  decayof  plants—sends  about  200  billion  tons  of  carbon  dioxide  into  the  atmosphere  each  year,nearly  thirty  times  as  much  as  we  do  with  our  cars  and  factories.  But  you  have  only  to  look  atthe  haze  that  hangs  over  our  cities  to  see  what  a  difference  our  contribution  makes.

We  know  from  samples  of  very  old  ice  that  the  “natural”  level  of  carbon  dioxide  in  theatmosphere—that  is,  before  we  started  inflating  it  with  industrial  activity—is  about  280  partsper  million.  By  1958,  when  people  in  lab  coats  started  to  pay  attention  to  it,  it  had  risen  to  315parts  per  million.  Today  it  is  over  360  parts  per  million  and  rising  by  roughly  one-quarter  of  1percent  a  year.  By  the  end  of  the  twenty-first  century  it  is  forecast  to  rise  to  about  560  partsper  million.

So  far,  the  Earth’s  oceans  and  forests  (which  also  pack  away  a  lot  of  carbon)  have  managedto  save  us  from  ourselves,  but  as  Peter  Cox  of  the  British  Meteorological  Office  puts  it:

“There  is  a  critical  threshold  where  the  natural  biosphere  stops  buffering  us  from  the  effects  ofour  emissions  and  actually  starts  to  amplify  them.”  The  fear  is  that  there  would  be  a  runawayincrease  in  the  Earth’s  warming.  Unable  to  adapt,  many  trees  and  other  plants  would  die,releasing  their  stores  of  carbon  and  adding  to  the  problem.  Such  cycles  have  occasionallyhappened  in  the  distant  past  even  without  a  human  contribution.  The  good  news  is  that  evenhere  nature  is  quite  wonderful.  It  is  almost  certain  that  eventually  the  carbon  cycle  wouldreassert  itself  and  return  the  Earth  to  a  situat