全球环境变化(第二章)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,9/20/2024,1,（,Tel. 15934531086,，,E-mail: tianqch2006,）,田庆春,山西师范大学地理科学学院,2014,年,9,月,城市与环境科学学院课程,全球环境变化,（,Global Environment Change,）,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,1.,全球变化的时间尺度,（,1,）几百万年至几十亿年,发生时间和演变驱动力：,主要发生在地质历史时期内。,全球环境的变化主要受地球行星演化规律与进程的控制。,主要特征事件：,地球诞生,1,亿年之后，岩石圈板块运动,导致地球上沧海桑田的演变，陆地上的造山运动和造陆运动,形成山脉、高原等大的地形单元，大气圈和水圈的形成与演,化，以及生命的起源和原始人类的出现。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,1.,全球变化的时间尺度,（,2,）几千年至几十万年,发生时间和演变驱动力：,距今最近的一个地质时期,第四纪晚期和人类历史时期。主要受地球轨道参数（偏心率、黄赤交角和岁差等）变化的驱动。,主要特征事件：,第四纪冰期,-,间冰期的交替，海面升降，伴随冷暖、干湿变化的大气成分改变（尘埃含量），古土壤层发育、物种分布、迁移和灭绝、人类文明的诞生与发展。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,1.,全球变化的时间尺度,（,3,）几年至几百年,发生时间和演变驱动力：,年际、年代际到世纪际。主要受太阳活动、火山活动、大气环流变化、厄尔尼诺,-,南方涛动等自然因子和大气温室效应增强等人为因子的驱动。,主要特征事件：,全球气温趋势性上升，气温、海温、降水量、径流量、地表侵蚀、植物物候期及生长季节等准周期性波动和突变，植物种群结构变化和植物带的可能移动。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,1.,全球变化的时间尺度,（,4,）几天至几个季度,发生时间和演变驱动力：,数天到一年之内，主要受太阳辐射量的年循环的驱动。,主要特征事件：,气温、降水和地表径流的季节波动，植物群落季相和农事季节的更替，候鸟的迁飞、昆虫的活动等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,1.,全球变化的时间尺度,（,4,）几秒至几小时,发生时间和演变驱动力：,数秒到一天内，主要受太阳辐射量的日周期变化的驱动。,主要特征事件：,气温、湿度、气压的日变化、历时几分钟到几小时的天气现象（雷雨、冰雹、大风）等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,2.,全球变化的空间尺度,（,1,）全球尺度,空间范围和特征事件：,空间范围在,20 000km,以上，大约相当于半个地球至全球。特征事件有太阳辐射能的分布，大气环流和洋流，温室效应加剧与全球气候变化、臭氧层破坏，地球和生命的起源等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,2.,全球变化的空间尺度,（,2,）区域尺度,空间范围和特征事件：,空间范围在,100km20 000km,，大约大陆、大洋、陆地上的自然地带和自然地区以及海区等。特征事件有季风和大型天气过程（台风、气旋、反气旋、锋面）、海流、厄尔尼诺,-,南方涛动、岩石圈板块运动与造山运动、冰期,-,间冰期交替、气候带与地带性植被,-,土壤的形成等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,2.,全球变化的空间尺度,（,3,）地方尺度,空间范围和特征事件：,空间范围在,10km100km,。特征事件有地震、流域的水土流失、中尺度天气系统（雷暴）、植物物候期的水平变化、城市气候与大气污染、河流与水域污染、成矿作用等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,一、全球变化的时空谱特征,2.,全球变化的空间尺度,（,4,）局地尺度,空间范围和特征事件：,空间范围在,10km,以下。特征事件有火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统（龙卷风、山谷风），植物物候期随地形的变化，土壤养分循环等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,导致全球变化的因素按其发生可分为三种类型：,周期变化的因素，如太阳活动、地球轨道参数变化。,非可逆性变化的因素，如太阳长期演化、板块运动。,随机发生的因素，火山活动、小行星碰撞。,按全球变化的驱动力来源：,地球外因素、地球内力因素以及地球系统自身相互间的影响和反馈。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,1.,外力因素,（,1,）太阳辐射的长期变化：,太阳辐射变化,1%,，地面平均温度变化,1,。,（,2,）,太阳活动的周期性变化：,太阳黑子活动（,11a,周期、,22a,周期、,80a,周期、,180a,周期），耀斑,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,1.,外力因素,（,2,）地球轨道参数的变化,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,1.,外力因素,（,3,）地外物体的撞击作用,(,观看视频,),第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,2.,内力因素,（,1,）海陆分布变化：,一方面海陆分布格局对全球温度和降水格局会产生深刻的影响，另一方面会影响大洋环流形式的变化，。,（,2,）,山地和高原的隆起：,一方面高海拔的高原、山地的低温环境为冰川和积雪的积累提供了大范围场所；另一方面，高山和高原通过热力和动力作用对全球大气环流运动产生影响；此外还会对地球自转速率产生阻碍和减缓作用。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,（,3,） 火山活动,强火山爆发能在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐,离子的气溶胶层，由此增加了大气的反射率，减少了到达,地面的直接太阳辐射，导致地球温度下降,“,阳伞效应”。,一般认为，以此较大火山爆发后一两年，半球或全球平,均温度下降,0.3,左右，四、五年后才可恢复。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的驱动力,3.,人为因素,土地覆盖的变化，污染物排放等人类活动的强烈干扰了,全球生物地球化学循环。,人类活动产生的,CO,2,、,CH,4,、,N,2,O,等温室气体加速了全球,温室效应，排放到大气中的氟利昂等氟氯烃类物质和氮氧化,合物导致臭氧层破坏，酸性气体排放导致酸雨发生，人类驯,化的作物替代了森林和草原，野生动物被驯化东所取代或被,排斥到生态边缘而灭绝或濒临灭绝。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,1.,全球碳（,C,）循环,碳是组成生命组织的基本物质，碳在地球生命系统与大,气、水圈和地圈之间的运动与转换是地球上生命活动的基本,过程之一。,碳的贮存库：,沉积岩中的碳（煤、石油、天然气和碳酸盐）,植物、动物体,土壤中的碎屑碳（被微生物腐化的部分动、植物残体）,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,1.,全球碳（,C,）循环,海水中碳循环的两条途径：,一是在海流驱动下的物理运,动；二是通过浮游植物的光合作用，海洋中的动植物的呼吸,作用，以及食物链的生物化学传递。,陆地上碳循环的两条途径：,一是慢循环，动植物残体，,土壤腐殖质，新生泥炭和大的植物茎杆与根被微生物腐化过,程；二是快循环，植物叶片的光和、呼吸作用和动物活体进,行的呼吸作用。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,1.,全球碳（,C,）循环,碳循环的周期性规律：,年周期：,夏季是大气中,CO,2,体积分数的波谷，冬季是波,峰；,天周期：,昼为波谷、夜为波峰,总的来看，一天内光合作用所固定的碳和呼吸作用所,释放的碳大致保持平衡状态。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,1.,全球碳（,C,）循环,人类活动对碳循环的干预：,化石燃料的燃烧和大规模砍伐森林造成碳的排放，引起,自然界碳循环过程的失衡（每年约有,510,15,g,碳通过化石燃,料的燃烧排入大气，其中,50%,保留在大气中，近一半溶解在,海洋中，只有很少部分补充到陆地生物体中）导致温室效应,加剧，全球变暖和海面上升等。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,1.,全球碳（,C,）循环,夏威夷冒纳罗亚观象台大气,CO,2,体积分数的测量结果,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,2.,氮（,N,）循环,氮是生命物质，是氨基酸、蛋白质和核酸的组成物质,氮的贮存库：大气圈、生物圈（生物固氮）,氮的生物循环过程：,氮被生物体以氨或铵盐形式固定后，,经过硝化作用形成亚硝酸盐或硝酸盐，两者被吸收后转化成,氨基酸，合成蛋白质。在这一过程中，因硝酸盐可溶性强，,所以易引起氮流失。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,2.,氮（,N,）循环,人类活动对氮循环过程的干预,:,（,1,）工业固氮，氮肥的生产和在农业生态系统中的使用；,（,2,）工厂和汽车等交通工具燃料燃烧将大量氮氧化物排放,到大气中，导致大气中硝酸含量增加，形成酸雨。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,3.,磷（,P,）循环,磷是核酸的主要成分，又是植物养三大养分之一,；磷,主要贮存在岩石圈中。,磷循环较碳循环和氮循环慢，,在人寿命的时间段内，磷,酸迁移的总趋势是不断从生态系统中流失，最后随动、植物,沉积到海底，所以，磷循环是一个非闭合的循环。,第二章 全球变化的主要特征与过程,二、全球变化的三大循环过程,3.,磷（,P,）循环,人类活动对磷循环过程的干预,:,农业生产中大量使用磷肥，但土壤中的磷易于钙、铁等,离子化合，形成不能溶解的盐类，从而植物无法吸收利用，,同时，有机磷通过作物收获而移出农业生态系统，最后被以,废物的形式排放到陆地水体中，引起水体富营养化。,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,1.,冰期与间冰期的交替,冰期：,气温显著变冷，冰川规模扩大和增厚的时期。,冰期气候的主要特点：,大陆冰盖扩张，山岳冰川伸展，,海面降低，,气候寒冷干燥，植被退化，内陆沙漠扩张，湖面,缩小。,间冰期：,两次冰川之间由于气候回暖，冰川缩小和消融,的时期。,间冰期气候的主要特点：,冰川退缩、海面回升，气候温,暖湿润，湖面扩张，生物繁荣。,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,2.,全球气候波动旋回的级序,（,1,）大冰期和大间冰期：,约为,10,8,a10,7,a,尺度，大冰期相隔,的时间大致为,2.510,8,a3.510,8,a,（银河年）。,（,2,）冰期和间冰期：,10,5,a,（,3,）副冰期和副间冰期：,又称为冰阶（,Stadial,）和间冰阶,（,Interstadial,），,10,4,a,，冰阶是指间冰期的寒冷阶段，间冰,阶是指冰期中相对温暖的阶段。,（,4,）小冰期和小间冰期：,10,3,a10,2,a,（,5,）,10a,：,主要用于近代气候学研究。,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,3.,地球史上的大冰期和大间冰期,名称,持续的时间,基本特征,第一次大冰期,震旦纪大冰期,7.46.0,（,1.4,）,全球性大规模降温，冰盖广泛发育（出南极洲外其余各大陆均发育有冰川）,第一次大间冰期,寒武,-,奥陶纪大间冰期,6.04.45,（,1.55,）,第二次大冰期,奥陶纪大冰期,4.45,左右,北非、南美、欧洲中南部发育有冰川,第二次大间冰期,奥陶,-,石炭纪大间冰期,4.453.1,（,1.35,）,表 地球史上的大冰期与大间冰期 （单位：,10,8,aB.P.,）,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,3.,地球史上的大冰期和大间冰期,名称,持续的时间,基本特征,第三次大冰期,石炭,-,二叠纪大冰期,3.12.75,（,0.35,）,南非、澳大利亚、南极洲、南美和南亚等地发育有大规模的冰川,第三次大间冰期,二叠,-,第四纪大间冰期,2.750.14,（,2.61,）,第四次大冰期,晚新生代大冰期,0.14,左右,高纬度和高海拔地区发育有冰川,表 地球史上的大冰期与大间冰期 （单位：,10,8,aB.P.,）,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,3.,地球史上的大冰期和大间冰期,图 地球,7.4,亿年来经理的四大冰淇和三大间冰期示意图,1.4,亿年,2.61,亿年,1.55,亿年,1.35,亿年,0.35,亿年,0.14,亿年,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,3.,地球史上的大冰期和大间冰期,由全球,7.4,亿年来冰期,-,间冰期交替情况可知：,（,1,）全球四次大冰期经历的时间长度约,1.4,亿年，但间冰期,持续时间累积达,6,亿年，表明地球环境以温暖为主要特,征。,（,2,）地球,7.4,亿年来大部分时间年平均气温高于现在。,（,3,）我们目前仍处于第四个大冰期即将结束的阶段；,第二章 全球变化的主要特征与过程,三、冰期,-,间冰期理论,4.,第四纪冰期,-,间冰期更替的原因,米兰柯维奇理论,第四纪冰期和间冰期更替的原因主要是地球轨道参数,的变化，即地球绕日椭圆轨道的,偏心率,、,黄赤交角,和,岁差,的周期性变化改变地表日照量，引起冰盖的进退变化。,第四纪（,Quaternary,）术语的由来,意大利采矿工程师,Giovanni Arduino(,乔瓦尼,阿都伊诺,),（,1714-1795,）将地质历史划分为第一纪（,Primary,）、第二纪（,Secondary,）、第三纪（,Tertiary,）和第四纪（,Quaternary,），创立了,Quaternary,一词。后来，法国地质学家,Desnoyers(,德努瓦耶,),（,1829,） 用,Quaternary,一词描述覆盖于,Seine(,塞纳,),盆地第三纪地层之上的海相、湖相及河流相等松散沉积物。,第四纪（,Quaternary,）术语的由来,1833,年，,Reboul(,雷沃尔,),用,Quaternary,代指含现生动植物物种的地层。,1839,年，莱伊尔（,C.Lyell,）把海相地层中含无脊椎动物化石现生种类达,90%,和陆相地层有人类活动遗迹的沉积物划归为第四纪，并把第四纪分为更新世（,Pleistocene,）和近代（,Recent,）。,1869,年，基尔瓦斯（,Gerivais,）提出全新世（,Holocene,）一词。,第四纪术语的危机,2004,年的国际地质年表废除了第四纪！近年来出现了对第四纪在地质年表 中地位问题的争论，一些从事 第三纪（古近纪和新近纪）研究的 科学家主张取消第四纪作为正 式的地层单位。,2004,年的国际地质年表,废除了第四纪！,2005,和,2006,年的国际地质年表仅仅把第四纪（系）当做一个亚纪（系）！,2005,2006,2008,年的国际地质年表存在两个第四纪（系）的下限！,格拉斯阶（,Gelasian,）划归新近纪还是第四纪存在不同 意见。,第四纪地质学家们积极呼吁,问题在,2008,年的国际地质大会（,33rd IGC, Oslo,）上已经解 决，第四纪被确立为一个正式的地层单元。,取得的共识是： （,1,）第四纪（系）为一个完全正 式的地层单元，为新生代（界）的 一个纪（系）处于新近纪（系）和 古近纪（系）之上； （,2,）第四纪（系）的下限置于,Gelasian,阶的底部，对应,MIS103,， 其年代为,2.588 Ma,； （,3,）更新世下限与第四纪一致， 位于,Gelasian,阶的底部； （,4,）之前选定的意大利南部的弗 里卡（,Vrica,）剖面（之前上新世,/,更新世界限的层型剖面）的卡拉布 里阶（,Calabrian,）作为更新世的第 二个阶。,Nature,和,Science,周刊的报道,Nature,Science,第四纪在,2009,年国际地质年表中的位置,44,3,、确定第四纪下限的依据,（,1,）,冰川活动,一般观点是第四纪开始的一个重要标志就是由于,气候的变冷在中低纬度的山岳地区发生了冰川活动，出现了与上新世完全不同的环境特征,，早期学者就依据,阿尔卑斯山地区的冰川活动,(,恭兹冰期,),来确定第四纪下限,.,（,2,）,气候变冷,第四纪开始的一个重要标志是,全球性的气候显著变冷,，在,第四纪冰期与间冰期是频繁交替,的，至少有几十次的气候变冷事件。,（,3,）,动物化石,主要是哺乳动物化石。,传统上，把真马、真象、真牛的出现作为第四纪的下限,，而在,上新世出现的是三趾马和乳齿象,。,（,4,）,人类出现和人类文化,第四纪有人称为,灵生纪或人类纪,。,（,5,）,沉积构造事件,在中国，,黄土堆积,是东亚季风的,冬季风加强的结果,，上新世的,三趾马红土堆积,是在,夏季风的条件,下形成的。这种沉积类型的显著变化标志着地球表层环境发生了重大的转折。,四、本课程主要学科发展概况,本课程主要学科第四纪地质学与地貌学都是从地质学和地理学中发展起来的,19,世纪到,20,世纪初，探险、区域考察、运河、水坝建筑和建材与沙矿开采等活动推动了地貌学和第四纪地质学的发展。这一阶段提出了河流侵蚀理论，并为冰川地质学打下了基础。,1928,年建立了国际性第四纪学术研究机构,国际第四纪研究联合会（,INQUA,）,目标：促进有关第四纪基础研究和,应用研究的国际交流与合作。,四、本课程主要学科发展概况,20,世纪初到,60,年代,为满足工业化社会的多种需求,第四纪地质学在沉积物成因、沙矿、动植物群、古气候、海平面及新构造运动等方面的研究和地貌学在河流、冰川、岩溶、海岸、荒漠及冻土等方面的研究取得主要的理论与应用研究成果,在许多方面形成了相对独立的部分。,20,世纪,60,年代以来，气候地貌和构造地貌研究取得了明显进展。由于新技术、新方法的应用（,ODP,、,IODP,计划），第四纪海洋地质研究取得了重大突破。根据对深海沉积物钻孔岩芯样品的氧同位素研究，提出了气候多波动模式，黄土和冰岩芯的研究也取得了类似的结果。这些研究为全球气候与环境变化研究打下了新的基础。现代第四纪研究日益向多学科交叉的综合性第四纪地质学科（,Quaternary Geosciences,）方向发展，成为近,30,年来环境、资源与应用研究并重，研究内容最丰富和发展速度最快的地球科学分支学科之一。,四、本课程主要学科发展概况,中国在第四纪哺乳动物与古人类、黄土、地震和青藏高原隆升等方面的研究成果为世界瞩目。河流、沙漠、岩溶、冰川、冻土、平原堆积物和泥石流研究成果卓有实效。第四纪海洋沉积物、海平面变化、植物孢粉、地震灾害、环境研究和新技术方法的应用正蓬勃发展并取得若干重要成果。,1991,年,8,月在北京召开了国际第四纪联合会。（,INQUA,）第十三届大会，刘东生院士当选为第十四届大会主席，表明中国第四纪研究水平已为世界所公认。,四、本课程主要学科发展概况,刘东生：,1917,年,11,月,24,日生。天津市人。,1942,年西南联合大学地质系毕业。,1949,年南京大学生物系肄业（原中央大学）,四、本课程主要学科发展概况,刘东生院士,75,岁时在野外考察,中国科学院的地质专家刘东生院士于,2002,年,4,月获得世界环境科学最高荣誉、“环境科学的诺贝尔奖”,泰勒奖。颁奖机构发布的消息说，刘院士此殊荣是因为“在认识和应用陆地沉积物来理解全球环境变化方面作出了开创性的贡献”。,四、本课程主要学科发展概况,2003,年国家最高科技奖获得者,刘东生院士,四、本课程主要学科发展概况,国家最高科技奖获得者,刘东生院士,80,岁上下，探索的足迹仍遍布南极、北极和青藏高原等“地球三极”；,60,年潜心研究，被誉为“黄土之父”；平息,170,多年来的黄土成因之争，建立了,250,万年来最完整的陆相古气候记录；直至今天，,87,岁仍然活跃在国际地球环境科学舞台，引领世界黄土研究潮流，走在全球变化研究前列,一辈子与黄土打交道，研究数百万年前的古环境，是不是离今天太过遥远？,“,其实，刘东生的研究成果一直同自然环境、人类生活息息相关。古环境的温度、湿度、水文、植被等演变过程和周期规律，对认识今天以及未来环境和气候具有重要意义。,”中国科学院地质与地球物理研究所所长丁仲礼研究员说，“比如，近年来我国沙尘暴频繁发生，除了人为破坏地面植被等原因，是否与自然界周期性干旱气候演变有关？这需要大跨度的自然历史演变及其规律作为研究背景。”,四、本课程主要学科发展概况,刘东生星的命名,刘东生先生于,2008,年,3,月,6,日,11,时,52,分在北京逝世，享年,91,岁。,刘东生星的命名,众多科学家签名的纪念封,Thanks 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