地球系统科学讲义.doc

1、1目录1.全球变化 .2 三个问题：当前全球环境问题（温室效应和全球变暖 P2） 、早期全球变化（短时间尺度的全球变化 P2） 、地球系统的运行（雏菊世界 P7） 人类可以在很多方面改变环境：全球变暖、臭氧层空洞、森林砍伐和物种灭绝（我们最应该关注的变化 P4） 人类活动的影响可以通过历史时期的资料来证实：冰芯记录二氧化碳浓度变化（探寻1958 年以前二氧化碳浓度 P3） 、K-T 边界与白垩纪古近纪物种大灭绝的对应（白垩纪古近纪大灭绝研究进展 P5）2. 气候模型与温室效应 .83. 海洋环流 .13（为什么会形成海洋环流？P13表层海洋环流和深层洋盆环流的作用机制是什么，他们之间的相互关系

2、如何？P13海洋环流在全球气候系统中扮演什么角色？P13）4. 大气圈、冰冻圈、岩石圈补充知识 .17（P17 冰冻圈相关知识P18 岩石圈知识点补充地震监测、地磁测年、威尔逊循环P20 大气圈知识点补充行星尺度天气系统）5. 碳和营养元素的循环 .21（P24 短期有机碳循环：光合作用、呼吸作用、产甲烷作用、生物泵P26 长期有机碳循环：碳泄漏、沉积岩中的有机碳P26 无机碳循环海气碳交换、化学风化、碳酸盐矿物沉积P28 碳酸盐-硅酸盐地球化学循环）6. 地球和生命起源 .297. 生命对大气的影响_ 地球上氧气含量的上升 .34（早期生命对大气的影响 P34氧气含量上升的地质证据 P35现

3、代大气中氧气含量的控制机制 P37）8. 地球历史上的气候调节 .41（P46 寒武纪以来的气候调节石炭-二叠纪大冰期以及温暖的中生代）9.更新世冰期4710. 全新世以来的气候变化 .50（全新世气候主要特点及控制因素 P53代用数据在全新世气候研究中的重要性全新世暖期和冷期 全新世气候最佳适宜期 P50中世纪暖期 P51小冰期 P51P21 什么因素决定了储库（如大气二氧化碳库）物质输入输出的不平衡？在地球系统中，对于碳及其它营养物质来说，哪些储库和过程比较重要？P22 反馈机制能否调节大气中二氧化碳含量？营养物质是如何限制地球上的生产力的？2火山与气候 P52）11.全球近期和未来气候

4、.53（基于人为排放 CO2 的全球气候估算与预测 P53全球变暖的影响、适应与减缓 P55）1.全球变化幻灯片 2第一讲全球变化幻灯片 3温室效应和全球变暖温室效应全球变暖 真实存在的自然过程 地球本身释放的温室气体的保温作用 有数据支撑的一个假说 人类活动下化石燃料的燃烧增加排放的温室气体的增温作用幻灯片 16全球变化-尺度的重要性 空间尺度的重要性-什么现象是全球性的，什么现象是局地的 时间尺度的重要性-地质历史时期地球发生了哪些变化，现阶段不同时间尺度的现象哪个会占主导幻灯片 17短时间尺度的全球变化 全球变暖：认识争议统一幻灯片 19对二氧化碳浓度的观测 Keeling 曲线：夏威夷

5、最高点 Mauna Loa 山山顶（海拔 4300 米） ，此地空气来自广袤无人的西太平洋上空，基本可排除点源污染的影响幻灯片 21Keeling 曲线证明的事实 近 50 年二氧化碳的浓度在增加 这种增加趋势在去 1958 年以前就存在 近 50 年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势 二氧化碳浓度存在着规律的年内波动趋势 一些自然现象可以在短暂数年内影响变化趋势，但并不对总体变化趋势构成影响3幻灯片 22Keeling 曲线不能证明的事情 1958 年以前大气中的二氧化碳是如何变化的 二氧化碳是从什么时候开始增加的幻灯片 23探寻 1958 年以前二氧化碳浓度 在实测数据难以获得的情况下，我们应该

6、如何去了解历史上的二氧化碳浓度？ 南北两极冰盖中能够找到答案！通过钻取冰芯可以获得冰盖中久远年代封存的气泡，并获得历史上的二氧化碳浓度值。幻灯片 28对于数据结果的质疑和争议 仪器或测量方法变化前后数据序列的对齐问题 气象站如何规避城市热岛效应 测试点分布的变化以及全球密度的不均 新近测试点时间序列短的问题幻灯片 29其它争议 20 世纪 70 年代的北半球短暂降温以及硫酸盐气溶胶的降温作用。观点一：燃煤尾气脱硫是 70 年代以后气温升高的罪魁祸首；观点二：二氧化碳浓度是决定性因素。 实际情况：硫酸盐气溶胶会随着降雨在几周内被清除，而二氧化碳的温室作用则是由累计浓度决定的，因为二氧化碳一旦排放

7、出来，可以在大气中停留上百年。幻灯片 30北极海冰最小范围变化幻灯片 31北极海冰融化的效应积极效应负面效应 欧洲北美贸易的“西北海上通到”每年可以通航数周 环北冰洋带的城市可能得到发展 北极熊以及因纽特人生存危机 格陵兰冰盖加速融化导致海平面升高幻灯片 32海冰融化是否会导致海平面升高 阿基米德定律：浸没在液体中的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被取代的液体的重量4幻灯片 33全球变暖的潜在后果 气候变化（极端事件的增加） 海平面上升（极地冰盖融化、海水受热密度变小） 通过检验过去的气候变化来预测未来可能的情景。幻灯片 38森林砍伐的后果 氧气释放减少 物种灭绝 药物来源消失幻灯片 3

8、9我们最应该关注的变化 两个原则： 1.迫切程度：臭氧层空洞全球变暖物种灭绝 2.恢复难度及时间：物种灭绝全球变暖臭氧层空洞幻灯片 41长时间尺度气候数据的获取 地点：南极冰盖东方（Vostok）和南极穹顶（Dome C）幻灯片 42Dome C 数据证明了什么 地球历史上二氧化碳浓度与温度高度正相关，说明把全球变暖归因与温室气体浓度增加是有依据的 地球历史上每过一定的时间会发生一次二氧化碳浓度激增，然后伴随着数十万年的缓慢减少，如此循环，这是什么原因？幻灯片 45白垩纪古近纪大灭绝研究进展 6550 万年前小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯地区（2010 年科学杂志） ；证据，全球 K-T

9、 地层分界线富铱黏土层幻灯片 46太阳光度的变化幻灯片 47早期太阳暗淡佯谬 根据太阳光度随时间变化情况显示，早期地球会远比现在寒冷 目前的实测结果显示 38 亿年前地球就有液态水的存在，而 35 亿年前就有生物体存在了5 可能的解释：地球早期的温室气体含量远高于现在。 随之而来的问题：温室气体为何能够随着太阳变亮而降低？是因为巧合还是地球本身具备维持稳定的机制？幻灯片 48Gaia 假说 James Lovelock 在 1972 年提出：维持地球气候稳定的正是生物自身，生物可以通过光合作用或改变二氧化碳进入碳酸岩的速度来使地球保持合适的生存环境。也就是说地球本身是一个具有自我调节功能的系统

10、。幻灯片 49Gaia 假说 这是一个难以得到验证的论断，但是这个假说提示人们去认识地球系统本身及其运作规律，以及系统各部分的功能。幻灯片 50系统理论和方法 系统方法在几乎所有领域中都有所运用：包括自然科学和社会科学的各个分支。一个很好的例子就是人体生理学。 人体由很多系统组成，这些系统共同执行维持生命的各项功能：如吸入氧气排出二氧化碳的呼吸系统；用来进行血液循环、携带氧气和二氧化碳在整个人体运行的心血管系统，加工食物并为全身活动提供燃料的消化系统；感受内外环境变化并控制其他系统活动的神经系统等幻灯片 51系统的成分 系统的各个部分称为系统的成分。成分可以是物质的储库（用质量或体积描述） 、

11、能量的储库（如用温度表示） 、系统的属性（如体温或压力）或子系统（如心血管系统 人体内相互连结的子系统之一）幻灯片 52系统的状态 用来描述系统某一时刻特征的一组重要属性。比如人体系统的血压、体温。系统的成分是相互作用的，系统状态的变化能被整个系统“感觉”到。在许多系统中，这种联系可以使重要的属性得以控制。比如即使周边的环境温度发生了很大的变化，人体的内分泌系统仍能保持体温恒定。幻灯片 53耦合 从人体生理的这些例子可以看出，人体“系统”的组成部分不是独立存在的，它们相互关联，使得信息从一个成分传向下一个成分。这些关联称作耦合。幻灯片 54系统内部的各种耦合6 例子：空调 正耦合：在正耦合中，

12、一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生同方向变化的促进因素。用箭头表示 负耦合：在负耦合中，一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生反方向变化的促进因素。用圆形箭头表示幻灯片 55反馈循环 空调的例子中，成分之间的两个耦合形成的一个“往返” ，即反馈循环。反馈是一个变化和对变化响应的自我延续机制。 例图幻灯片 56反馈循环实例 学生 A 期中考试考砸了，老师 B 找他谈话，老师的谈话方式可能是（讨论） 。可能的结果是（讨论） 老师 B 严厉批评，学生 A 知耻后勇，期末考试丰收（负反馈循环，批评成为激励） 老师 B 严厉批评，学生 A 自暴自弃，期末考试继续退步（正反馈循环，批评成为打击）

13、老师 B 好言安抚，学生 A 重塑信心，期末考试丰收（负反馈循环，安抚成为打气） 老师 B 好言安抚，学生 A 忘乎所以，期末考试继续退步（正反馈循环，安抚成为放纵）幻灯片 57两种反馈循环负反馈循环正反馈循环 降低扰动的影响 使系统趋向于稳定 放大扰动影响 使系统更不稳定幻灯片 58反馈循环符号判定 乘法法则：负耦合为奇数的反馈循环为负幻灯片 61平衡状态 正常情况下，空调或电热毯反馈循环的作用是使体温保持在舒适的范围内。如果温度合适，我们就不需要去按遥控器。这种状态称为平衡状态，除非被扰动，否则系统不7会发生变化。幻灯片 64自然系统反馈循环与理想模式的不同 自然系统的成分通常是能量和质量

14、的累加或者蓄积，而且它们的响应不仅仅取决于瞬间刺激，还与以前刺激的积累有关。响应还经常具有一定的滞后时间。在以上孩子与父母的例子中，如果父母和孩子的生气都是累积的，那么这种正反馈会逐步升级直到失控。幻灯片 65自然界的平衡 对于只包含一个简单反馈循环的系统来说：如果反馈循环是负的，该系统就有一个稳定的平衡状态；而反馈循环是正的，该系统则很难达到平衡状态或只能瞬间维持一个不稳定的平衡状态。 自然系统往往同时包含了正负反馈循环子系统，因此简单的反馈图难以表达自然系统规律，需要运用数学方法分析幻灯片 66近 120 年来五次最大火山爆发的平均气候响应幻灯片 67扰动和强迫 系统的稳定状态可以比一些干

15、扰打破，根据干扰持续时间的不同可以分为扰动和强迫。 扰动：比如火山喷发时释放大量的二氧化硫进入大气，形成硫酸盐气溶胶颗粒遮挡阳光，导致地表气温下降，几年后当这些气溶胶通过自然过程被清除后，气候系统会从这次扰动中恢复过来 强迫：对于系统持续的干扰称为强迫，如太阳升温，二氧化碳浓度增加等。幻灯片 68地球系统对强迫的反馈 前面曾经提到为了解释早年地球生命存在于太阳辐射强度的佯谬， James Lovelock提出了 Gaia 假说，但一直苦于难以验证，但是后来他找到了一个充满想象力的验证方法。幻灯片 69雏菊世界 上世纪 80 年代大型计算机兴起以后，他设计了一个叫做“雏菊世界”的模型，并通过计算

16、机模拟得到了很好的验证，给 Gaia 假说提供了依据。幻灯片 76平衡系统对强迫的响应 在自然界中，简单的扰动很少存在，更多的是持续的强迫在影响系统，在强迫下，稳定的负反馈循环很可能回不到初始的稳定平衡状态。那么在太阳光度增加的强迫下，雏菊世界会何处何从？8幻灯片 81雏菊世界给我们的启示 首先，一个行星系统在面对内部和外部的影响时并不是消极被动的 其次，雏菊世界的系统表面上看起来是智能的，但其中并不涉及到预见和计划，只是具有反馈循环而已 再次，生物群并没有使自己生存环境最优化的能力（雏菊世界系统并没有让温度达到雏菊最佳生长温度）幻灯片 82雏菊世界给我们的警示 系统常常存在一些阈值，一旦超过

17、这些阈值，系统会发生迅速而不可逆的变化，且由于阈值难以预测，这种变化往往没有前兆。在全球变化的预测中，目前的方法是线性的预测，很难去预测跨过一些阈值之后的后果。线性预测很可能错误估计一些强迫带来的可能后果。幻灯片 83作业一 假定白色雏菊世界有一个姊妹星球，除了雏菊是黑色的，其他的条件都相似，画图回答：黑色雏菊覆盖度对行星温度的影响。假设黑色雏菊世界中温度对雏菊覆盖度的影响与白色雏菊世界相同，画一幅黑色雏菊世界的稳定性图，图中要包含两个平衡状态，指出哪个平衡状态是稳定的，并回答其中的稳定平衡状态温度比白色雏菊世界中稳定平衡状态的高还是低。如果太阳光度降低，画图表示这个系统如何响应，并指出反馈因

18、子 f 是比 1 大还是小2.气候模型与温室效应幻灯片 1小结 地球是通过吸收太阳可见光辐射和向外太空发射红外辐射来达到能量平衡的。 地表的红外辐射大部分被一些温室气体吸收和再辐射，其结果是地表增加 33 摄氏度的温室效应。 云层以两种方式来影响地表收支；高云加热地表，低云冷却地表。 与大气水蒸汽以及冰雪覆盖的正反馈循环破坏了气候系统的稳定性。幻灯片 5温室效应原理 电磁辐射 黑体辐射 行星能量平衡 大气成分与结构 温室效应的物理机制 气候的反馈过程9幻灯片 6通量 单位时间内垂直通过一个给定区域（单位面积）的能量或者物质的量。通量的大小取决于能量源的强度以及与能量源的距离。通量可以换算各截面

19、（面积、夹角）接受辐射的大小值。幻灯片 9平方反比定律与行星气候 通过平方反比定律，我们可以定量研究地球的气候不同于金星和火星的原因，也有助于我们了解地球过去 300 万年的冰期间冰期循环的原因，因为地球轨道的一些微小变化，都会影响日地距离的平方反比关系，由此带来极地气候的强烈变化。幻灯片 10黑体辐射 为充分理解温室效应，我们还需要了解黑体辐射的概念：黑体是能在所有波长下以100%效率发射或吸收电磁辐射的物质。幻灯片 15Wien 定律计算太阳光谱 太阳的表面温度是 5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为 502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点（这很可能不是巧合，人类视觉的

20、发展很可能是适应和利用了太阳光谱的特点）幻灯片 19行星能量平衡 根据上述物理知识，我们具备了定量分析地球平均气候状况的基本条件。接下来我们将用能量平衡原理将上述物理知识结合起来。 第一步是假定地球吸收的能量等于释放的能量（事实上这两者不可能完全相等，如两者相等，地球的有效温度将不会发生变化，而在第一讲中我们了解到地球正在变暖）幻灯片 20地球表面温度的决定因素 到达地球轨道所在处的太阳辐射通量（S） 地球的反照率（A） 大气所提供的增温量（即温室效应）幻灯片 22地球表面温度的决定因素 为了计算温室影响效应的大小，这里将地球看做一个黑体，其对应的有效辐射温度为Te,这样我们可以通过 Stef

21、anBoltzmann 定律 来计算地球发出的能量。幻灯片 23行星能量平衡公式推算温室效应10 计算得到 Te =255K,也就是-18 摄氏度左右，地球实际的表面均温室 15 摄氏度左右，因此温室效应使地球表面增温 33 摄氏度。如果没有温室效应，地球上的温度将不适合生命存在。幻灯片 27对流层能量交换方式 辐射：地表发出红外辐射，近地面大气吸收 对流：近地面大气温度升高导致密度减小，产生浮力上升，高空温度低密度高的气体补充道地表的循环过程 潜热：近地面的水汽发生相变的时候，将地表（主要是海洋）的能量转移释放到空气中的过程此处不是潜热概念幻灯片 30温室效应的物理成因 前面我们已经得知，温

22、室效应的加热作用使得地表温度比没有大气存在条件下的高出33 摄氏度。这种加热作用主要是由于水汽和二氧化碳这样的温室气体促成的。那么为什么有些气体对温室效应有贡献，而有些（如氧气和氮气）却没有？幻灯片 31分子运动及温室气体 H2O幻灯片 32H2O 分子运动特性 H2O 分子可以在一定频率下发生旋转或者形变，当电磁波（光子）以这些相应的频率发射到 H2O 分子时， H2O 分子就会加快运动或旋转频率，并获取电磁波的能量。 H2O的分子结构能够吸收波长大于 12 微米的热红外辐射以及微波辐射。 H2O 的分子旋转波段一直延生到微波波段（大于 1000 微米）也是微波炉能够加热任何含水物质的原理幻

23、灯片 33分子运动及温室气体 CO2幻灯片 34CO2 分子运动特性 CO2 分子的三种运动特性中，弯曲模式的振动能够使其吸收电磁波（光子）能量并加大振幅，此振动频率可以使分子字波长约 15 微米处吸收红外辐射。这个波段恰好是地球出射辐射的峰值附近，这也是 CO2 能够在温室效应中起到关键作用的原因幻灯片 35N2、O2 分子的运动特征 对称双原子分子可以发生旋转或振动，但是由于其对称性，在分子中不存在正负电荷的区别。因此包括了振动着的电场和磁场的电磁波经过这样的分子时不会被吸收幻灯片 38云对天气的反向效应 阴天气温日较差小，晴天气温日较差大。 在冬季，晴朗的夜晚往往更为寒冷；在夏季，阴天的白天没有晴天那样炙热。