地球生態系統宏觀動力學概論

地球生態系統宏觀動力學概論

萬眾生能源科技■ 康健

摘要：地球生態系統宏觀動力學是忽略地球生態系統的微觀結構和運動機理，從宏觀和總體角度揭示其動力學本質和運動規律的科學發現和理論創新：發現太陽能驅動的「水=氫+氧」循環是地球生態系統的核心動力循環，光合作用與呼吸作用的宏觀本質就是水的分解與合成過程；生態系統生產、傳輸和消費的能源本質上就是氫能，碳基生物大分子和碳循環結構只是氫能儲存和傳導的工藝方法；從系統動力學角度揭示地球生態系統的自組織原理和進化的動力學勢，正確理解地球生態系統對太陽活動的響應機制和氣候變化原理；科學定義了生態文明的內涵，建立了統一科學、哲學和經濟學的自然倫理及價值觀基礎。地球生態系統宏觀動力學是人類認識自然過程中一次質的飛躍，是解決人類可持續發展、正確理解和應對氣候變化、建設生態文明和正確處理人與自然關係的共同理論基礎。

關鍵詞：地球，生態系統，宏觀，動力學，太陽，水氫氧

一引言

當我們從太空觀察充滿生機的地球時，看到的只是個美麗的天藍色星球，宏觀上地球萬物都籠罩在這神秘藍色之中。這藍色是源於水氫氧反射、散射太陽光的顏色。受這個藍色的光芒啟發，當我們忽略地球生態系統的微觀結構和運動機理便會發現和洞察到地球生態系統的宏觀特性、物理本質和工作原理。我們發現水氫氧動力循環是地球生態系統的核心動力循環，從動力學角度觀察地球生命宏觀運動的本質，生態系統自我調節和自組織過程，揭示新陳代謝和繁殖過程中生物大分子高效協同傳輸物質、能量和信息熱力學原理。從水氫氧動力循環角度深入理解「萬物生長靠太陽能，雨露滋潤禾苗壯」的科學意義。

地球生態系統是一個結構鬆散、龐雜、多樣、關係複雜的組織，在千頭萬緒自然現象中發現、概括和梳理出其簡單的本質結構、運動原理和秩序綱要，這是地球生態系統宏觀動力學立論的意義。用過多數學語言表達公眾難以閱讀和理解，用一種邏輯簡潔、疏而不漏的論述方式更能突出重點更具穿透力。

二水氫氧循環是地球生態系統的核心動力循環

任何生命和生態系統從系統動力學角度都是一種耗散結構，其存活都需要不斷的能量輸入來驅動，以維持其秩序、結構和狀態。形式上綠色植物和微生物的光合作用（6CO2+6H2O+Es═C6H12O6+602）是地球生態系統的能源生產者，這是一個機理非常複雜的生物光化學過程，但無論怎樣複雜的光合作用從系統動力學角度都可簡化並可視為能量的生產過程，地球生態系統的一切光合作用從本質上都是通過光分解水來生產氫能（2H2O+Es=2H2+O2）。碳循環(C+H2O→CH2+O→C+H2O)可視為生態系統儲存和傳遞氫能的工藝方法和流程性物質。所以地球生態系統的宏觀工作過程可簡化為：由光合作用（C+H2O+Es→CH2+O氫能生產）和呼吸作用（CH2+O→C+H2O+Eq氫能消費，有機物分解和氧化都視為呼吸作用）構成的水氫氧動力循環。摘除碳循環，宏觀上地球生態系統的核心動力循環是水氫氧循環，它從物理本質上揭示為什麼水是地球生命之源，藍色星球的生命能量本質是氫能。

從宏觀總體功能上看地球生態系統的新陳代謝就是一個以太陽能為動力的水氫氧循環動力系統。單從能量轉換角度看光合作用的理化過程類似光伏水電解制氫生產過程，呼吸作用的理化過程類似空氣燃料電池工作過程。地球生態系統的工作原理和宏觀動力學模型可簡單地用光伏水電解制氫生產過程和空氣燃料電池工作過程組成的水氫氧動力循環模型表示。

地球生態系統自由能△GCH變化率就是其儲存氫能（C-H2）的變化率，是光合作用△Es氫能生產率與呼吸作用△Eq氫能消費率的差額：△GCH=△Es－△Eq

由上式可見，地球生態系統複雜的新陳代謝過程，從宏觀動力學角度，本質上就是簡單的水氫氧動力循環（H2O→H2+O2→H2O）過程，碳和其他元素都可視為流程性材料或工藝方法。光合作用本質就是光分解水生產氫能的過程，呼吸作用本質就是氫還原為水的過程。地球生命的能級就是氫和水自由能之差（GH－GH2O），生態系統的自我發育（繁殖、成長）過程本質就是其儲存氫能（C-H2）的過程，地球生態系統的狀態就是這個動力循環的工作狀態，是一個運動狀態。

從上式可以讀出：生態系統的自由能存量GCH的需要不斷增加循環的規模和和功率，即需要生物多樣性GCH才能儲存更多的太陽能；生態系統成長需要（dEs/dt－dEq/dt）＞0，需要不斷增加光合作用規模和效率，即增加植被和光合微生物的面積、密度、厚度和不斷進化以提高光合作用效率；需要光合作用的能源生產Es/dt能力大於能源消費Eq/dt能力。

地球生態系統的運行需要一個合適的環境溫度範圍（±50℃），主要依靠地球大氣和水的運動來維持，水的相變（蒸發、凝結、融化、凝固）對維持地表生態層（±5000m）溫度起決定性作用，其他諸如空氣、土壤、岩石和動植物的作用影響很小。地球生態系統自由能變化與太陽輻射和環境溫度的關係可表述為：

其中：dEin/dt表示太陽入射功率，dEout/dt表示地球輻射功率（短波和長波反射）。

Cp（T）表示地球生態層總熱容（包括顯熱和潛熱），隨大氣平均溫度T變化。

dT/dt表示宏觀氣溫變化率。宏觀氣溫變化與太陽輻射時間上有熱惰性相差。

由上式可見，地球生態系統發育主要取決於太陽光、水和環境溫度，也可以說太陽輻射、熱惰性（熱容）和大氣溫度是生態系統運動的主要狀態控制參數。

太陽入射功率dEin/dt和地球輻射功率dEout/dt、可方便地通過衛星測量；大氣平均溫度T和變化率dT/dt可通過全球氣象記錄獲得；地球生態層總熱容Cp（T）可通過氣象記錄的降水量、蒸發量、極地冰蓋和冰川消長數據估算得出。即通過這些宏觀物理狀態參數的測量，可根據上面能量平衡方程監測地球生態系統宏觀狀態參數。

提出這個觀點也是針對目前流行從碳循環視角觀察和研究地球生態系統，碳剖面看不到生態系統的核心構造，把簡單問題複雜化而誤入歧途。類似地心說和日心說，從水氫氧動力循環角度更容易地看清地球生態系統運動的本質。

三生命系統內氫能傳輸方法---碳基生物大分子和碳循環

地球生態系統內的能量是以氫能的形式傳輸和交換的，特點是以氫離子（能量子）為最小能量交換單位，以各種營養素形式的碳基生物大分子為基本交換單元，以這種單元方式可將氫能在生態系統內有序可逆傳輸和交換，碳既是儲存氫能的容器也是運載氫能的工具（其他元素：氮磷鉀硫鈣鐵等都可視為更複雜碳基大分子的連接構件）。

光合碳基生物大分子（如：葡萄糖C6H12O6，碳鏈具有高密度儲氫功能）儲存的氫能可在生命體間無損整體傳遞和儲存。通過生命基層組織（細胞）信息協同，生物大分子自由能藉助ATP轉換，可高效率（>90%）直接轉換為機械能，即生命動力系統中的氫能可直接轉換為動能，遠高於卡諾循環效率。即動物用生物質能做功的效率遠高於人類技術創造的熱力機械，原因是動物可直接將高品位的生物質能有序轉化為高品位機械能，而熱機系統是先把高品位生物質能轉化為無序的低品位熱能形式再通過熱力機械把它轉化為高品位機械能。

從能量傳遞、儲存和轉換方式上，生命系統內的方式與非生命系統完全不同。這是生命系統的一個本質特徵，目的在於高效傳輸、儲存和充分利用光合生物大分子儲存的氫能。這種生命系統能量是以氫（能量子）為最小交換單位，以各種營養素形式的生物大分子為基本交換單元，這種基本單元是（物質+能量+信息）三位一體結構，就像生態系統的「標準件」一樣可在生命體間和生態系統內流通，實現能量、物質和信息的高效協同傳輸。這種生物大分子自由能可通過生命系統信息協同直接轉換成其他形式的高品質能量。但離開生命系統這種生物大分子能只是一種可耗散為熱能化學能。從系統動力學角度，生命系統的本質是具有某種信息協同能力（如DNA），有組織地進行生物大分子能量在高品位狀態傳輸、轉換的碳循環「氫能超導」物質結構。

在生命系統中，自由能（氫能C-H2）可以按生物大分子為基本交換單元在地球生態系統中「成建制」有序可逆傳輸，並可通過生命組織的信息協同高效（>90%）轉化為各種高品位能量（電能、機械能、聲能），效率極限為同溫度下水氫氧理想動力循環效率。更多論述詳見參考資料1.《太陽能水氫氧動力循環的效率和氣水平衡條件》。

四地球生態系統的自組織原理和進化的動力學勢

太陽輻射主動調節和控制的水氫氧動力循環規模和強度是地球生態系統自組織的基礎秩序。從地質時期跨度來看，當太陽輻射環比增加，地球變暖，生態系統規模膨脹，交易活躍、呈現成長和繁榮趨勢；當太陽輻射環比減少，地球變冷，生態系統規模收縮，交易冷清、呈現萎縮和凋零趨勢。這種響應不是實時的，由於慣性作用時間上有個相位的滯後。控制圖形類似股票走勢的鋸齒形結構，增長趨勢總是平緩的，下降趨勢總是陡峭的。表現之一：物種的增長或進化趨勢總是緩慢的，滅絕趨勢總是跳水式的或災變性的。

地球生態系統進化的本質是生態系統不斷提高水氫氧動力循環的效率，增加系統最小自由能總量和密度（提高品位），即用地球有限的資源吸收和儲存更多的太陽能。表現為光合作用總是趨向吸收和轉換更多的太陽能，趨向形成和積累更多碳基大分子氫能，趨向不斷提高儲氫密度。進化就是以提升效率來不斷提高系統太陽能利用率，增加生態系統內能和負熵流，這需要系統向更高組織水平、更好協同能力和更有秩序的方向演進和發展。

地球生態系統的繁榮源自光合作用的能量輸入，全部動植物生存、繁衍的目的都是在為地球最大限度接收和儲存太陽能，這個能量同時也進一步促進和保障生態系統發展、增加系統穩定性和壯大生態系統規模，這是地球生態系統自我組織發展演化的動力學原理。

太陽輻射過剩，即太陽輻射的供給遠大於地球生態系統吸收利用能力，這個壓力是促使生態系統不斷提高自身太陽能利用率的動力學勢，不斷引導地球生態系統的規模擴張和效率提升，宏觀上是供給推動型的自由發展。地球生態系統太陽能利用率很低（不到0.3%），地球存在更多更好利用太陽能的潛力，地球生態系統是以一種循環滾動的自優化增長模式逐步發展和進化的。通過不斷繁殖（複製生產方式，擴大再生產）進行規模擴張，通過適應性競爭選擇和循環優化逐步提高效率，方向是在地球有限空間內不斷壯大系統規模同時提高氫能儲量或密度。

五生態文明的定義和生態價值觀

從能源角度，人類歷史可分為農業文明（人類與動物一樣只是生態系統能源消費者）、工業文明（人類開發礦物能源增加地球生態系統能量，但不增加地球內能）、生態文明（人類幫助地球生態系統增加太陽能利用率，增加地球內能）三個階段。從這個認識高度，人類生存智慧和行為準則：有意識地幫助地球生態系統生產和儲存更多的太陽能，合理分配和優化最稀缺的地表生存空間利用，建立人與自然平衡能量匹配共生關係，這是可持續生存和發展的基本物理基礎。

從地球生命系統存在、發展和繁衍的動力學本質看，生態系統需要的高品位能量是人類賴以生存的真正的財富，生態系統能源產量是生產力，是創造財富的能力；高品位能源存量是生態系統容量，是儲存財富的能力。從生態系統宏觀物理本質可能改變和更正我們的價值觀。需要重新定義和統一哲學、科學、經濟學對財富和價值的理解和認識。

目前人類活動越來越多的侵佔大量的綠地，從衛星照片上看就像大地牛皮癬在泛濫侵蝕著美麗地球，對地表植被和生態環境的破壞與日俱增，大自然長期進化出來的富豐物種在加速滅絕，減少了地球生態系統光合作用能源生產和儲存能力及生態調節功能，當地球都變成城市和工廠的時候就是人類的末日。消費主義的GDP經濟理論和所謂發展經濟學理論本質上都是以犧牲人類長遠和整體利益換取暫時和局部的利益。全部經濟學理論沒有建立在可持續的物理學基礎和人與自然能量平衡自然的倫理關係上，短視的理論和價值觀在誤導人類的發展，需要重新認識和重建現代的文明基礎。

六地球生態系統對太陽活動的響應：氣候變化自適應調節機制

⑴ 水的氣候調節功能：地球通過其擁有大量的水（15×108km3，形象比喻如均勻覆蓋地表厚達2860.9m）保持地表溫度(±50℃)適合地球生命系統的存在。物理上主要通過水的相變潛熱（蒸發凝結、融化凝固0℃～100℃）和高熱容物性來調節地球溫度，即地球有一種自適應調節機制應對太陽活動導致太陽輻射功率變化對地球環境溫度的影響：當太陽輻射減弱地球變冷時，水會凝結和凝固放熱，抑制氣溫進一步變冷；當太陽輻射增強地球變熱時，水會蒸發和融化吸熱，抑制氣溫進一步變熱。正是這海量的水，地表生態層才能保持適合生態系統發育的所需溫度(±50℃)。大氣運動和大洋環流主導的氣候變化宏觀上就是一個對流換熱過程，目的和效果是使地球地表溫度變得更均勻，生態意義上是使更大範圍的地表溫度濕度適合生態系統高效工作以轉換和儲存更多的太陽能。如果地球沒有這樣足夠多的水，地球生態系統會因溫度波動過大而崩潰。

⑵ 生態系統自身的氣候調節功能：生態系統本身也同樣具有調節氣候保證自身所需環境溫度穩定的功能。當太陽輻射增加氣溫升高時大氣對流加劇，蒸發和溶解水量增加，陽光、空氣（含CO2）和水交換運動加速，光合作用活躍，分解更多的水，吸收和儲存更多太陽能，抑制地球氣溫進一步升高。當太陽輻射減少氣溫下降時大氣對流減緩，凝結和凝固水量增加，陽光、空氣（含CO2）和水交換運動減速，光合作用疲軟，分解更少的水，吸收和儲存更少的太陽能，抑制地球氣溫進一步下降。水的氣候調節功能是宏觀的、決定性的；生態系統自身的氣候調節功能是局部的，輔助性的。

⑶ 地質運動的氣候調節功能---太陽熱應力地質運動學說：地球生態系統還可通過釋放地熱（核裂變）和儲存的太陽能（有機物、化石燃料燃燒）來抑制大幅度氣溫變化。點火機制是當氣溫長期大幅降低時，地殼會收縮脹裂岩漿噴出釋放地熱同時點燃生態系統儲存的太陽能（有機物、化石燃料）釋放熱量使氣溫回升（古地質和古氣候研究資料表明，地球變冷總伴隨著大裂谷和斷層的形成及火山活動增多）。當氣溫長期大幅升高時，地殼會膨脹產生壓應力造山運動，負壓將地球生態系統生產的大量有機物吸入或埋葬地下儲存以防止其燃燒。地球的這個地質功能主要可預防氣溫大幅變冷給地球生態環境帶來的毀滅性打擊。從地殼平均膨脹係數，地殼板塊尺度與板塊邊緣山的高度之間的空間尺度相關性分析（越大板塊其邊緣的山就越高，高度與板塊溫度膨脹數量級趨於一致），再根據古氣候地球溫度變化和造山運動的時間關係，可以大膽猜想和假設地殼運動的動力是太陽輻射變化引起地殼長時間較大溫度變化導致冷縮熱漲的結果。

⑷ CO2的氣候調節功能：現在一提CO2人們就認為是有害的溫室氣體，這是一種話語權壟斷下流行的偏見和錯誤觀點。CO2是有生態調節和大氣溫度控制複合功能的大氣組分：當氣溫升高時，光合作用加劇，吸收更多的碳使大氣CO2濃度降低，溫室效應減弱，抑制氣溫進一步升高；當氣溫降低，光合作用減弱吸收碳的速度減緩，使大氣CO2積累濃度升高，溫室效應增強，抑制氣溫進一步降低。從生態系統動力學角度，CO2導致地球變暖對人類和地球生態系統並不一定是災難（由於適宜的平均溫度範圍是±4℃，現在是+0.6℃），可能利大於弊，最直接的好處是變暖可提高光合作用的速度和效率，增加生物質能生產能力，增加營養源產量（可能某些局部地區的某些糧食作物會減產，但宏觀上全球有機物產量會增加）。相對地球人口數量（已過70億）的膨脹，地球變冷才是災難性的，全球將爆發爭奪糧食和能源的世界大戰。目前全球糧食產量的提高，不僅只是農業科技進步（化肥、農藥、育種、激素等）的貢獻，也有全球氣候變暖的貢獻。如果地球平均氣溫比現在降低1℃，全球立即陷入大饑荒。人類歷史上的大饑荒總是與氣候變冷相伴。

⑸ 人類應對氣候變化的行為準則：綜上所述，地球上的水、大氣、生態系統、地質和CO2都起到穩定地球大氣溫度和抑制其變化的作用，以應對太陽輻射的變化，保持大氣溫度適合地球生態系統發育。人類也應幫助地球抑制氣候變化，保持地球生態系統的穩定性和適合人類生存。地球變冷趨勢時要抑制其變冷，地球變暖趨勢時是要抑制其變暖。要根據太陽輻射的長期趨勢判斷，而不是根據地球溫度的短期變化趨勢。另外地球生態系統的進化機制會逐漸適應氣候的長期變化趨勢，這種進化從動力學角度總是通過抗拒變化來適應變化，有時可能不符合人類願望。

七地球生態系統動力學理論對人類行為和思想的指導意義

綜上所述，地球生態系統本質是太陽能驅動的耗散結構，核心動力是光合作用生產的氫能，水氫氧動力循環是地球生態系統的基礎動力循環。地球生態系統的自組織和進化趨勢是通過循環滾動發展不斷壯大自身規模，提高太陽能利用率，提高氫能生產能力、效率和儲存能力。太陽輻射過剩的壓力使地球生態系統不斷增加系統內能和負熵流，使系統向更有序、更高組織水平、更高協同能力方向發展。

人類是地球生態系統的組成部分，但隨著人類的不斷發展和進步，今天的地球生態系統客觀上已逐步變成了由人類意志主導並服務於人類需要為目標的生態系統。自然的地球生態系統對太陽能的實際利用率很低，太陽能及其衍生的各種可再生能源中：風能、水流和生物質能等衍生的高品質能源只佔不到0.3%；沒有被充分利用的太陽輻射能和衍生的氣候溫差能佔99.7%，人類對可再生能源利用的根本任務是更好更多地利用太陽輻射能和氣候溫差能，通過人類智慧增加地球生態系統太陽能利用率和負熵流,以使其更加有序、繁榮和旺盛。總體目標是：創造人與自然能量平衡可持續的能源生產和消費系統，建立更加清潔、舒適、便利、安全、生態文明的生活方式。人類的存在應進一步增加地球生態系統太陽能利用率和負熵流，促進地球文明的持續和繁榮。

參考文獻

1. 康健 《太陽能水氫氧動力循環的效率和氣水平衡條件》2008世界可持續能源大會論文

2. 繆啟龍 《地球科學概論》2007 氣象出版社

3. 康健 《地球生態系統宏觀動力學狀態參數和監測方法》發明專利2013100209328

4. 康健 《可再生能源動力系統氣候匹配的參數和方法》太陽能雜誌2013-4

5. 康健 《可再生能源合理開發高效利用的技術路線和評價準則》可再生能源學會2011年會論文

6. 康健 《完全太陽能全天候冷熱電氣聯產聯供動力系統》發明專利2011101481842

7. 康健 《太陽能反季節蓄熱採暖蓄冷降溫技術》發明專利：2006100756438

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