【科学观点】2. 科学争议

内容提纲

什么是科学争议？
科学争议的发展和解决：全球变暖会增加飓风吗？
新的研究方向：水温和飓风
新数据加剧争议：气候变化和飓风
卡特里娜飓风：科学争议进入公众
科学争议的社会和政治影响
科学争议激发新研究
争议的解决

你知道么？

你知道科学充满争议，且它也许是一件好事吗？科学争议不仅仅是科学家之间的分歧。事实上，所有科学领域都存在争议，且它通常会带来科学的进步。

关键概念

科学争议是发生在更泛范的科学共同体内的、持续的、公开的辩论，基于证据论证。
争议通过鼓励对相关主题的研究来促进科学进步。
当证据压倒性地支持一种论点时，争议就会得到解决。
科学争议与政治、伦理、私人争议不同，尽管有时它们有交集或可能产生复杂的相互作用。

1947年，Kerr-McGee公司在路易斯安那州海岸附近钻出了第一口海上视距外（out-of-sight）油井（见图 1）。几年之内，十几口这样的井出现在墨西哥湾，随后又出现在加利福尼亚州海岸和其他地点。

二十世纪50年代初，美国政府立法通过，赋予联邦政府对水下大陆架的管辖权，并允许内政部出租这些区域用于矿产开发。到二十世纪50年代末，这些海上石油租赁已成为美国最大的收入来源之一，仅次于所得税（Freudenburg & Gramling，1994）。

图1 首个海上视距外钻井平台，一直工作到1984年。平台距离路易斯安那海岸14千米。

1969年1月28日，石油工人在圣巴巴拉海岸附近的海上平台上完成第五口井时，发生井喷。最终，数百万加仑石油泄漏到水中，污染了广受大家喜爱的海滩。公众重新审视视距外钻井。此前它产生很大积极影响（为政府创造收入和国内能源），现在却产生明显的有害影响：当地海滩被石油熏黑，死亡和垂死的海鸟散落在该地区，数十个沿海社区散发着油臭味。

3月21日，尼克松总统视察了泄漏事件，并向聚集的居民和记者表示，他将考虑禁止海上钻探，并将该地区转变为永久生态保护区。但该禁令于4月1日解除。当地居民被激怒，引发了关于海上钻探优劣的争议。收益值得冒风险吗？一些人认为，拥有可靠的国内石油来源可以为国家提供安全，这比环境问题更重要；其他人则将石油泄漏对渔业、旅游业、总体环境造成的有毒影响作为关闭海上钻探的理由。政府禁止一些沿海地区进行钻探，例如北极国家野生动物保护区，而在墨西哥湾等其他地区，钻探则越来越远离近海，进入更深的水域。

2010年4月，一口井发生大规模井喷，再次引发了关于是否应允许海上钻探以及应如何监管的争论。争论各方都在用不同的数据作为证据来支持自己的立场：虾类捕捞业的衰退、钻井公司监管松懈、国内安全和能源需求、飓风和地表石油之间的相互作用。尽管争议不太可能得到所有人都同意的解决方案，但政府制定的额外立法和法规将决定海上钻探的未来。

科学也充满争议。与海上钻探的争议类似，科学家找来证据支持自己的主张；而随着新证据的出现，争论的本质会发生变化。但科学争议与其他类型的争议之间存在一些关键区别。例如，许多人认为海上钻探的争议正在阻碍进步，无论这种进步是经济、环境还是政治方面的。相比之下，科学中的争议往往会带来进步，因为它会刺激新的研究，因此是科学进程的重要组成部分。

什么是科学争议？

科学家可能对很多事情存在分歧，从普通的（比如最好使用哪种分析仪器）到深刻的（最近发展的物理学的弦理论，是否是现实的准确呈现）。然而，两位科学家在仪器或弦理论，甚至数据解释上存在分歧，并不能算作争议。真正的科学争议是在更宽泛的科学共同体内的持续辩论（McMullin，1987）。换句话说，随着时间的推移，必须有大量的人积极参与解决争议的研究。无论分歧的内容是什么，参与其中的科学家都有一些共同的基础知识（fundamental knowledge），并一致认为该主题值得关注，各种论证（arguments）都是合理的。

这些论证之所以合理，是因为它们基于数据。科学家仅仅说“我不同意你的观点”是不够的。相反，他们必须进行研究以收集足够的证据来支持他们的主张。论证必须解释大部分可用数据，而不仅仅能解释为支持某一方而收集的数据。在公众争议中，情况不一定如此。以海上钻探为例，团体或个人可以决定某些数据比其他数据更重要——鸟类死亡数量、钻探的经济影响、石油的进口百分比。在科学争议中，必须解释和考虑所有数据。

尽管争议经常是在非正式场合讨论（就像你与朋友讨论有争议的问题），但真正的争论在研究会议上和通过发表期刊文章进行（请参阅“科学期刊文章”模块）。只有通过这个过程，争论才能成为科学文献的一部分（请参阅“利用科学文献”模块）并有助于科学进步。科学界没有权威机构来决定争议的正确答案，也无须所有科学家达成完全共识。当一个论点被广泛接受而其他论点逐渐消失时，争议就算是解决了。经常是支持争议一方的证据变得有压倒性优势，于是人们干脆停止争论。通常，当来自多种研究方法（也许是多个学科）的多条证据全部汇聚时，就会如此。

每个科学领域都会产生争议。例如，2010年的时候，地球物理学家争论地幔柱是否存在。地幔柱是从地心上升到地表并引起火山活动的热岩薄柱（例如，参见Kerr，2010）。地幔柱作为夏威夷等岛链的非移动岩浆源的概念（图 2）在板块构造理论发展后不久由 J. Tuzo Wilson首次提出（参见“板块构造I”模块），并且此后的三十年里被广泛接受。然而，2003年，由罗切斯特大学地球物理学家约翰·塔杜诺 (John Tarduno) 领导的一组科学家提出了强有力的证据，表明被认为塑造夏威夷群岛的地幔柱随着时间的推移已经移动了1000多公里（Tarduno等，2003）。该论文引发了大量关于地幔柱是否存在的研究。争论有时相当激烈，让我们对与地幔柱相关的火山过程的理解发生了巨大的飞跃，还增进了科学知识。

图2 夏威夷群岛地下界面的概念图，其中包含地幔柱

关于地幔柱是否存在，显然是一场科学争议。同样，大多数科学争议与个人、伦理、政治争议无关。另一方面，关于在生物医学研究中使用从人类胚胎中采集的干细胞的争议并不是科学争议——科学家对于干细胞是什么以及它们如何发挥作用达成了一致。而争论围绕着使用干细胞是否符合道德。然而有时，科学争议和其他类型争议之间的界限会变得模糊。毕竟，科学家也是人，科学争议一开始也可能包括个人分歧（请参阅“科学家和科学共同体”模块）。在另一些情况下，媒体可能会夸大科学争议并将其变成政治辩论。这种界限模糊的一个例子是对飓风与气候变化之间关系的研究。

科学争议的发展和解决：全球变暖会增加飓风吗？

1494年，探险家克里斯托弗·哥伦布在第二次航行时在伊斯帕尼奥拉岛（island of Hispaniola）上遭遇了一场风暴：“人们从未见过如此高的、愤怒的、被泡沫覆盖的大海，”在给赞助人伊莎贝拉女王的信中他写道， “天空看起来从未如此可怕；整整一天一夜，它像一个熔炉一样熊熊燃烧。闪电来得如此猛烈和可怕，我们都以为船只会被炸毁。一直以来，水从未停止从上空落下。”（Barnes & Lyons，2007）。尽管这对于哥伦布来说或许是一次全新的体验，但加勒比海当地人却对这些风暴十分熟悉，他们称其为“furacano”，这个词的英语“hurricane”在1650年左右得到普及。哥伦布首次记录了大西洋飓风（Millás and Pardue，1968），但之后还有更多记录。

在整个十九世纪，人们对飓风进行了观察和描述。早些时候，一些观察家注意到这些风暴是漩涡，以逆时针方向旋转。到本世纪中叶，北美许多地方都建立了气象观测站，一些科学家记录飓风的轨迹。1900年，一场重大飓风袭击德克萨斯州加尔维斯顿市，造成至少8000人死亡（见图 3），之后对这些观察结果的分析变得更加紧迫。

图3 加尔维斯顿市居民楼在1900年的飓风中遭到破坏

威廉·皮叶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）携众多科学家开展了早期关于飓风（也称为热带气旋或太平洋的台风）的研究。Vilhelm Bjerknes是一位物理学家，确定了控制大气环流的方程（参见“建模”模块）。1917年，皮叶克尼斯在挪威卑尔根创办了卑尔根气象学院，汇集了一批知名且有成就的气象学家（Liljequist，1980）。他们最初的研究重点是温带地区（欧洲大部分地区的纬度）的气旋天气系统。

新的研究方向：水温和飓风

到1928年，该小组认为，他们的方法和对这些系统的理解已经成熟，可以应用于更罕见和更复杂的风暴系统——热带气旋（Bergeron，1954）。芬兰气象学家埃里克·帕尔门 (Erik Palmén) 从卑尔根毕业后搬到芝加哥，他认识到飓风只在温度高于26–27°C (~80° F) 的海水上方形成，这是他于1948年发表的一项极其重要的观察结果（Palmén，1948）。他的论文中包括一年中最温暖时期（称为“飓风季节”）的海面温度地图，其中箭头显示了主要飓风的路径（见图 4）。所有的箭头都从水温最高的狭窄海洋带开始。

图4 高温地区高亮显示，图片来自帕尔门的论文（Palmén，1948)。

海面温度是气候的表现之一。随着全球气候变化，海面暖水和冷水的分布也发生变化。卑尔根小组的另一位成员托尔·伯杰龙（Tor Bergeron）不仅考虑了海面温度每年如何变化，还考虑了较长时间内发生的情况，将飓风置于长期气候变化的背景下。在1954年的一篇评论论文中，伯杰龙推测，飓风的频率和强度以及它们形成的地点和时间，可能会随着地球轨道和太阳强度的微小变化而在地质时期发生巨大变化，而地球轨道和太阳强度都会影响全球气候（Bergeron，1954）。他敦促研究历史气候的科学家牢记这一点。然而当时还根本不存在技术，可用于评估过去气候对细化到单个飓风的影响，几乎没有科学家接受这个挑战。

新数据加剧争议：气候变化和飓风

然而，从二十世纪80年代开始，随着科学家开始发现飓风频率和强度的变化与10至12年左右的短期气候周期（如厄尔尼诺现象）密切相关，这一观点重出江湖。热带太平洋的厄尔尼诺现象（El Niño-Southern Oscillation，ENSO），因其对当地天气模式的影响而为世界各地的许多人所熟知，但现在有证据表明，热带太平洋的这一周期影响了大西洋飓风的产生（Gray，1984）。与此同时，越来越多的科学家开始认识到，随着气候变暖，全球海洋表面温度正在稳步上升，他们开始探索全球变暖如何影响气候循环和飓风形成之间的联系（Emanuel，2003）。大多数研究这一现象的人发现，他们所看到的海面温度变化确实会影响飓风的形成，但影响程度远不及气候周期内的自然变化那么大。

然而，随着更多数据的出现，这种普遍看法开始受到质疑。2005年6月，美国国家大气研究中心 (NCAR) 的气候科学家 Kevin Trenberth 在《科学》杂志上发表了一篇短文，题为《飓风和飓风的不确定性》。全球变暖”（Trenberth，2005）。他在其中说道：

2004年北大西洋飓风季节，史无前例的四场飓风袭击了佛罗里达州；同一季节，太平洋地区有10次热带气旋或台风袭击日本（之前的记录为6次）。一些科学家表示，这种增长与全球变暖有关；其他人说不是。能否检测到北大西洋飓风活动的趋势？这种趋势可以归因于人类活动吗？我们是否提出了正确的问题？

特伦伯斯强调了当时刚刚开始发展的一场争议，指出我们还没有足够的数据或对该过程的足够的理论理解来做出有效、可靠的解释。他的问题启发了其他几位科学家分析可用数据，寻找趋势（有关此过程的更多信息，请参阅“数据分析和解释”模块）并开始针对该问题的新研究。其中包括四名大气科学家，其中三名来自佐治亚理工学院，一名来自NCAR。他们花了整个夏初的时间进行工作，并于2005年8月提交发表。

卡特里娜飓风：科学争议进入公众

然而在发表之前，发生了一件戏剧性且相关的事件：2005年8月29日星期一，卡特里娜飓风在路易斯安那州新奥尔良附近登陆（图 5）。飓风带来了大范围的物质破坏和生命损失，并造成了社会、政治、经济危机。然而，登陆后几个小时内，媒体就提出了一个问题：这场破坏性特别大的飓风是由全球变暖引起的吗？虽然这不是一个科学问题，也不是一个可以通过研究回答的问题，但它让公众卷入了关于气候变化与飓风之间关系的科学争议。

图 5：2005年8月29日卡特里娜飓风的GOES卫星图像以及海面温度。

两周多后，即9月16日，佐治亚理工学院和NCAR科学家的研究成果发表在《科学》期刊。他们的分析表明，尽管自1970年以来飓风总数并未显着增加，但4 到5级飓风（最强风暴）的比例却有所增加（Webster等，2005 ）。换句话说，他们得出的结论是，尽管飓风总数没有变化，但飓风的强度更大。他们将这些变化与全球海面温度（SST）的上升联系起来，随着全球大气温度的上升，海面温度一直在稳步上升。韦伯斯特及其同事的研究总体上表明，未来可能会出现更多像卡特里娜这样的飓风。

科学争议的社会和政治影响

他们的研究结果具有重大的社会与政治影响：如果全球变暖导致更强烈的飓风，那么就有更多理由采取行动减少变暖的程度，以减少破坏。正因如此，论文作者收到了异常多对其工作的回复，其中既有来自科学家对科学发表的回复，也有来自公众的个人回复。次年《美国气象学会公报》（Bulletin of the American Meteorological Society）发表的一篇文章中，四位作者中的三位报告了这些回应（Curry等，2006）。其中一些评论是有效的科学论证，可惜情况并非总是如此。许多评论都是基于政治和社会问题，有些还带上了对科学家的人身攻击。

例如，作者经常收到的评论之一是他们没有资格分析飓风数据，尽管研究人员都是大气科学家且几十年来一直在研究类似类型的气候数据（Curry 等，2006）。这样的人身攻击可能具有破坏性并在媒体上引起争议，但它不是科学争议的一部分。当然，科学家也是人，任何公开辩论都涉及个性和观点的差异，但这些个人差异并不基于数据。

相比之下，针对该文章提出的一些观点具有有效的科学依据。例如，更具实质的论点之一是关于飓风记录早期部分的可靠性。在全球范围内准确跟踪飓风从二十世纪70年代开始借助卫星才变得容易。从二十世纪40年代中期开始，有飞机记录飓风，但数据仅限于海洋上空的常见航线。更早之前的大多数关于飓风的观测都是在陆地上进行的，鉴于飓风大部分时间都在海洋上进行，这意味着数据可能不准确，因此难以解释，且这一记录也只能追溯到1851年。

科学争议激发新研究

许多科学家认识到，为了加深我们的理解，还需要做更多的工作。因此，在接下来的几年里，解决全球变暖与飓风之间关系的研究数量激增（见图 6）。一些科学家使用详细的全球气候模型发现，自然的、局部的气候变化似乎对飓风强度的影响比当前的全球变暖更大（Vecchi & Soden，2007）。其他人重新分析了较旧的飓风记录以纠正系统偏差，删除了一些记录中限制不佳的风暴并添加了新的风暴（Landsea等，2008）。还有一些人通过收集不依赖于人类观察的独立记录的描述，将记录延伸到更早的时间（Mann等，2009）。在整个过程中，科学家意见不一，并争论随着地球气候变暖，飓风到底发生了什么。它们的频率有增加吗？强度呢？没变化吗？2006年的一部NOVA纪录片中，麻省理工学院的科学家克里·伊曼纽尔 (Kerry Emanuel) 与迈阿密飓风中心的气象学家克里斯·兰德西 (Chris Landsea) 开展较量，两位科学家对于强飓风的性质存在根本分歧（Public Broadcasting Service，2006）。

图6 图表显示每年以“飓风”和“气候变化”为关键词的科学出版物数量。

然而没过几年，大部分分歧消失。2010年，由世界气象组织 (WMO) 组建的气候对热带循环影响专家小组（Expert Team on Climate Impacts on Tropical Cycles），试图将所有新研究整合在一起，总结科学家自2005年以来所学到的知识。该小组包括Kerry Emanuel和Chris Landsea 在《自然地球科学》上发表了一篇题为《热带气旋与气候变化”的文章》（Knutson等，2010）。他们在摘要中总结了科学争议的现状：

热带气旋的特征是否已经或将在气候变暖的情况下发生变化——如果是，如何变化——一直是大量调查的主题，但结果往往相互矛盾。热带气旋频率和强度的大幅度波动使长期趋势的检测及其对大气温室气体浓度上升的归因变得更加复杂。全球热带气旋历史记录的可用性和质量的严重限制进一步阻碍了趋势检测。因此，热带气旋活动过去的变化是否超出了自然原因预期的变化仍然不确定。然而，基于理论和高分辨率动力学模型的未来预测一致表明，温室效应将导致热带气旋的全球平均强度转向更强的风暴，到2100年强度将增加2-11%。现有的模型研究也一致预测热带气旋的全球平均频率下降6-34%。

换句话说，作者承认这个问题的复杂性，指出哪些方面使它成为一个难以研究的课题（巨大的自然波动、有限的历史数据集），并且这些复杂性导致了不同科学研究的混合结果。然而，他们也指出了一致的地方：随着全球气候变化，所有预测未来将出现更强烈风暴的模型都具有一致性。他们的声明还强调，科学是一项正在进行的工作，依靠科学家的创造力来克服问题，而争议是这一过程的自然结果。

这场关于热带风暴与全球变暖之间关系的争论满足了科学辩论的要求——它涉及大量科学家对这个问题进行积极的研究，并且很长一段时间内在公开场合进行辩论（并将继续进行），经历同行评审过程。所调查主题的特质意味着它涉及一些社会和政治因素，但最终所取得的科学进步与特定形势无关。

争议的解决

WMO团队发表文章是否意味着争议得到解决？嗯，是也不是。正如文章中所述，目前大多数证据表明飓风的发生会受到气候变化的影响，迄今为止有关该主题的发表数量似乎在2008年达到了顶峰（见图 5）。然而，其他争论还没有完全消失，随着新数据的收集、计算机模型的分辨率、算力的提高以及气候变暖的持续，这一领域无疑将会有更多的研究。

然而也可能有更完整的解决。例如在二十世纪60年代发生的关于板块构造理论的争论中，积累的证据变得压倒性地支持板块构造理论。在其他情况下，解决问题需要等待新技术或工艺的发展，以获取能够真正解决问题的数据。例如，人类“种族”的定义在人类历史的大部分时间里都是重要研究和争议的主题，但直到人类基因组测序后，科学家才真正能够检验其遗传基础的说法。比赛，但没有发现（Jorde 和 Wooding，2004）。

在大多数情况下，争议是科学事业健康发展的标志。参与争议、开展研究来解决问题的人越多，取得进展就越快。有时，人们把卷入争议的科学家描绘成竞争对手，类似于海上钻探争议中的环保主义者与石油公司。但这样描述并不是准确。科学争议的“胜利者”不是某一方，而是整个科学共同体。

References

Barnes, J., & Lyons, S. (2007). Florida's hurricane history. Chapel Hill, NC: The University of North Carolina Press.
Bergeron, T. (1954). The problem of tropical hurricanes. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 80, 131-164.
Curry, J. A., Webster, P.J., & Holland, G.J. (2006). Mixing politics and science in testing the hypothesis that greenhouse warming is causing a global increase in hurricane intensity. Bulletin of the American Meteorological Society, 87, 1025-1037.
Emanuel, K. (2003). Tropical cyclones. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 31, 75-104.
Freudenburg, W. R., & Gramling, R. (1994). Oil in troubled waters: Perception, politics, and the battle over offshore drilling. Albany, NY: State University of New York Press.
Gray, W. M. (1984). Atlantic seasonal hurricane frequency. Part I: El Niño and 30 mb quasi-biennial oscillation influences. Monthly Weather Review, 112, 1649-1668.
Jorde, L. B., & Wooding, S. P. (2004). Genetic variation, classification and 'race'. Nature Genetics, 36, S28-S33.
Kerr, R. A. (2010). Another quarry sighted in the great mantle plume hunt? Science, 328(5986), 1622-a.
Knutson, T. R., McBride, J. L., Chan, J., Emanuel, K., Holland, G., Landsea, C., . . . Sugi, M. (2010). Tropical cyclones and climate change. Nature Geoscience, 3, 157-163.
Landsea, C. W., Glenn, D. A., Bredemeyer, W., Chenoweth, M., Ellis, R., Gamache, J., . . . Woolcock, L. (2008). A reanalysis of the 1911-20 Atlantic hurricane database. Journal of Climate, 21, 2138-2168.
Liljequist, G. H. (1980). Tor Bergeron: A biography. Pure and Applied Geophysics, 119, 409-442.
Mann, M. E., Woodruff, J. D., Donnelly, J. P., & Zhang, Z. (2009). Atlantic hurricanes and climate over the past 1,500 years. Nature, 460, 880-883.
McMullin, E. (1987). Scientific controversy and its termination. In Engelhardt Jr., H. T., & Caplan, A. L. (Eds.). Scientific controversies: Case studies in resolution and closure of disputes in science and technology. Cambridge, MA: Cambridge University Press.
Millás, J. C., & Pardue, L. (1968). Hurricanes of the Caribbean and adjacent regions, 1492-1800. Miami, FL: Academy of the Arts and Sciences of the Americas.
Palmén, E. (1948). On the formation and structure of tropical hurricanes. Geophysica, 3, 26-38.
Public Broadcasting Service (PBS). (2006). Stronger hurricanes. NOVA, WGBH.
Simkin, T., Tilling, R. I., Vogt, P. R., Kirby, S. H., Kimberley, P., & Stewart, D. B. (2006). This dynamic planet: Geological investigations map I-2800. US Geological Survey.
Tarduno, J. A., Duncan, R. A., Scholl, D. W., Cottrell, R. D., Steinberger, B., Thordarson, T., . . . Carvallo, C. (2003). The Emperor Seamounts: Southward motion of the Hawaiian hotspot plume in Earth's mantle. Science, 301(5636). 1064-1069.
Trenberth, K. (2005). Climate: Uncertainty in hurricanes and global warming. Science, 308(5729), 1753-1754.
Vecchi, G. A., & Soden, B. J. (2007). Increased tropical Atlantic wind shear in model projections of global warming. Geophysical Research Letters, 34, L08702.
Webster, P. J., Holland, G. J., Curry, J. A., & Chang, H. R. (2005). Changes in tropical cyclone number, duration, and intensity in a warming environment. Science, 309(5742), 1844-1846.

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