全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力

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,*,第二章 全球变化的主要过程与驱动力,第一节 全球变化的主要过程,一、气候系统与水文循环过程,物理气候系统由大气、海洋、冰雪、陆地表面和生物圈所,组成。如果气候系统的能量收支与时空分布的平衡受到破,坏，将导致气候变化。,（一）地球表面的能量收支平衡与温室效应,（二）大气和海洋环流,（三）水文循环,全球水文循环过程图,（通量单位,10,15,kg/a,，,各源汇中水量占全球总水量用百分比表示。,Moore,，,1996,）,地球水体分为淡水和咸水，淡水主要来自陆地冰雪，占,43 4001015kg,；咸水主要贮存于深海，为,89000103km,3,。全球水分循环主要是通过地表径流与河流、蒸发、风和降水等作用实现循环。,全球水循环图反映了以下特点：,（,1,）全球,97%,的水在海洋，,86%,的水是海洋蒸发的，大气从海洋上空携带水汽输往陆地，以降水形式落下，以冰雪堆积在陆地表面的,43 40010,3k,m,3,水量超过了地下水水量。,（,2,）陆地水分通过植物蒸腾和地表蒸发回到大气，有些还存在于土壤表面。,（,3,）植物在水循环中通过截流、根部吸收和以蒸腾方式把水分送回大气。由于植物种类不一样，对水分循环作用也不一样，例如森林和草原在水分循环中作用是不同的，因此植物本身也使得全球水分循环不均。,海洋在全球变化中的作用,由于全球,97%,的水在海洋，因此海洋在全球变化中的作用极其巨大。海洋在全球变化中的作用主要表现在以下几方面。,（,1,）在水和能量循环方面：贮存了全球,97%,的水量；贡献了全球,86%,的蒸发量；吸收了,70%,以上到达地球表面的太阳能量。,（,2,）在生物地球化学循环方面：贮存了地球上非沉积的,90%,以上的,C,和,N,；,吸收了至少一半以上人为排放的,CO,2,；,海洋环流决定了全球,C,输送的时空分布和收支的基本特征；上层海洋的垂直混合运动决定了全球变化的大的循环过程。,二、固体地球系统与岩石圈循环过程,（一）板块运动过程,（二）陆上风化与侵蚀堆积过程,（三）海洋沉积过程,三、生态系统与生物地球化学循环过程,全球碳循环（,IPCC,，,1996,）,大气中及溶解在河流、湖泊和海洋等水体中的,CO,2,，是可供生物圈利用的主要无机碳源，陆上植物和海洋浮游植物等有机物通过对,CO,2,的光合作用而捕获太阳能为生物圈提供能量，同时使得碳进入生物圈，并向大气提供氧气。,在无机环境中，碳主要以,CO,2,或者碳酸盐和重碳酸盐的形式存在。生态系统中的碳循环基本上是伴随着光合、呼吸和分解过程进行的，在较长的时间尺度上，地质因素对于碳循环也是重要的，因为贮存在沉积岩中的大量碳,(,煤、石油和天然气等,),是生态系统在过去年代中所固定的，它们暂时退出了生物圈活跃的生物地球化学循环。自然界碳的活动贮存库主要是海洋、大气和有机体。,在全球尺度上，碳的交换随季节而变化，这可以从北半球,大气,CO,2,含量的季节波动看出。在夏季，初级生产者通过光合,作用对大气,CO,2,的固定量超过动、植物呼吸作用和微生物分解,作用归还给大气的,CO,2,量，在曲线上形成波谷；冬季则正好相,反，形成波峰。相似的波动也发生在昼夜之间，昼为波谷，夜,为波峰。尽管存在季节和昼夜的波动，就全年而言，光合作用,所固定的碳量与呼吸和分解作用所排放的碳量仍大致保持着平,衡状态。,夏威夷冒纳罗亚观象台大气,CO,2,含量的测量结果,（,Kump,L.R.et al.,1999,）,然而，在不断加剧的人类活动的驱动下，特别是使用化石,燃料和大规模砍伐森林所造成的碳的排放，正在引起自然界碳,循环自组织系统的失稳。据估计，每年约有,510,15,g,的碳通过,化石燃料的燃烧排入大气圈，其中约,50%,保留在大气圈中，近,一半溶解在海洋中，只有很少的量增加到陆地生物量中。此,外，砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃烧每年向大气圈排放,(1,2)10,15,g,的碳。这些逐年增加的碳排放量很可能是引起,全球大气,CO,2,含量增加的主要原因。在夏威夷的观测结果表,明，,1958,年大气二氧化碳的平均含量约为,31510,-6,；到了,1995,年，已达到约,35810,-6,，其增长的趋势十分显著，平均,每年增加约,1.210,-6,。,大气中,CO,2,浓度逐渐增加的事实表明，海洋对,CO,2,的调,节能力是有限的。可以设想，如果人类继续增加化石燃料,的使用量和森林的砍伐量，海洋吸纳,CO,2,的能力终将会被,耗尽，那时，更大部分的,CO,2,将被保留在大气圈中，必然,会导致更为显著的温室效应加剧、全球变暖和海平面上升,等一系列人类生存环境的变化。,第二节 全球变化的驱动力,按照全球变化驱动力的来源，可以将驱动因素分为三种类型：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。,一、驱动全球变化的地球外力因素,地球的环境状态与太阳有密切的关系，同时受到其,他天体的深刻影响。影响是多方面的，其中受关注较多,的是太阳辐射输出变化，受其他天体的引力作用产生的,地球运动轨道参数的改变，以及小行星和彗星等天体对,地球的撞击等。,（一）太阳活动,太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程。太阳辐射的变化改变了到达大气顶层的能量，并通过影响物理气候系统的能量收支平衡导致气候变化，进而引起全球变化。,太阳是一颗不断演化的恒星，太阳的辐射输出是随着太阳年龄的增长而变化的，在地球诞生之初的,45,亿年前，太阳的辐射输出较现代低,30%,，在此后的,45,亿年历史中，太阳的辐射输出不断增加到现代水平。除太阳辐射的长期变化外，发生在,10a,100a,时间尺度上的太阳活动更为引人注意。,太阳活动是太阳表面上一切扰动现象的总称。主要包括：发生在光球表面的黑子、光斑，发生在色球层的谱斑、耀斑，以及日珥、日冕等。一般用黑子活动代表太阳活动，黑子越多，太阳活动越强，其他太阳活动都和黑子活动呈同步变化，太阳常数的短期变化也与黑子的变化一致,。,太阳黑子活动引起太阳辐射质和量的变化，太阳活动高峰期能够引起太阳紫外辐射和微粒辐射的极大增加。一些地球物理现象，如极光、磁暴、电离层扰动等可间接反映太阳活动。太阳活动高峰年份，与太阳微粒辐射密切相关的极光现象明显增加；对树木年轮中的,14,C,测量的结果表明，,太阳活动强时，,14,C,含量低；反之，,14,C,含量高，,可能是由于强磁场使宇宙射线偏离了地球。观测的结果表明，,紫外辐射对臭氧层有强烈影响，太阳活动高峰期臭氧层变厚并且升温，,哥伦比亚大学的,Shindell,等人,(1999),提出，臭氧在很大程度上放大了太阳活动周期的效应，其模型表明，首先是太阳辐射增加，加速平流层中臭氧的生成，然后臭氧的增加引起温室效应，进一步加热平流层，此后热流传递至对流层。两个大气层的耦合作用十分重要，可能是太阳活动影响气候的一个中间环节，使得只有,0.1%,、而且只是直接影响上层大气的太阳辐射变化，成为影响地球气候变化的因素。,现已发现，太阳黑子活动在,10a,100a,尺度上均存在显著的周期变化。如,11a,的沃尔夫周期、,22a,的海尔周期、,80a,的世纪周期、,180a,的双世纪周期等。根据历史记载可以追溯上千年的太阳活动历史，树木年轮中,14,C,含量的变化更提供了长达,5ka,，,甚至,9ka,的太阳活动的记录，进而从过去,5ka,太阳活动的历史中区分出若干异常时期。极地的硝酸盐是太阳微粒辐射与极地大气相互作用的产物，在太阳活动弱的时期极地冰雪中硝酸根离子的含量也低，利用保存在南极冰芯中的硝酸盐可以将太阳活动的历史追溯到几万年前。根据树木年轮中,14,C,含量的变化和极地冰芯中,10,Be,的变化可以识别出,2,2.5ka,的太阳活动周期变化。,太阳活动的历史记录,（王绍武，,1994,）,表,2-1,5000,年来太阳活动异常时期,编号,名称,可能时间范围,编号,名称,可能时间范围,1,现代极大,1780A.D.,现代,7,希腊极小,440B.C.360B.C.,2,蒙德尔极小,1640A.D.1710A.D.,8,荷马极小,820B.C.640B.C.,3,施帕雷尔,极小,1400A.D.1510A.D.,9,埃及极小,1420B.C.1260B.C.,4,中世纪极大,1120A.D.1280A.D.,10,石柱极小,1870B.C.1761B.C.,5,中世纪极小,640A.D.710A.D.,11,金字塔,极大,2370B.C.2060B.C.,6,罗马极大,20B.C.80A.D.,12,苏美尔,极大,2720B.C.2610B.C.,（二）米兰柯维奇天文理论,1.,地球轨道参数的变化,偏心率、黄赤交角和岁差这些地球的轨道参数都是随时间变化的，它们的变化均会导致地球接受太阳辐射的季节和地区分布的变化。,地球轨道参数变化及其引起的地球接收太阳辐射的变化,地球绕太阳运转的轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆轨道的一个焦点上，轨道偏离正圆的程度就是地球轨道的偏心率。偏心率以,10,万年变化于,0.005,0.06,之间，同时还存在,40,万年的周期变化。目前的偏心率为,0.0167,，地球分别处于近日点和远日点时，日照量的差别为,7%,，偏心率愈大，差异愈大。,因受太阳和月球的引力作用，使得地球自转像陀螺一样地摇摆，由地轴进动引起的黄道和天赤道交点的变化就是岁差，其变化周期约,21ka,（,23ka,和,19ka,两个周期）。岁差导致地球近日点时间的变化，现在地球在,1,月位于近日点，全球,1,月日射率稍大于,7,月，从而使北半球冬季稍暖，夏季稍凉，而南半球冬季更冷，夏季更暖。,10.5ka,以后，当近日点出现在,7,月时，情况将相反。,由于行星的摄动作用，黄赤交角发生周期性的变化。现代黄赤交角是,2327,，在几百万年内，黄赤交角的变化范围为,2139,2436,，变化周期约,40ka,。,这一变化被比喻为好像船的左右摇摆。黄赤交角影响地球上不同纬度和不同季节的气候差异程度的大小，黄赤交角越大，冬季和夏季的差异越大。黄赤交角变化对极区影响最大，若黄赤交角减小，极地地区变暖，反之，极地地区更为寒冷。,2.,米兰柯维奇天文理论要点,地球轨道参数变化可能导致气候变化的思想可以追溯到,17,世纪。,19,世纪末期科罗尔（,James,Croll,）,对地球轨道参数变化的影响进行了深入的讨论，提出地球轨道变化可能影响季节变化，从而形成冰期。,20,世纪早期，,米兰柯维奇（,Milankovitch,）,对地球轨道参数变化的影响进行了更深入的研究，提出了第四纪冰期的天文假说（,1920,年），他认为偏心率、黄赤交角和岁差的周期变化改变地表的日照量，足以导致冰盖的大规模进退，是形成第四纪冰期和间冰期更替的主要原因。,米兰柯维奇认为夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。米兰柯维奇的理论较好地解释了第四纪冰期,-,间冰期变化的驱动因素，但最初因缺乏实证而未被普遍接受。直到,1950,年以后，从深海沉积、巴巴多斯等地的珊瑚礁阶地、陆上的黄土沉积等过去环境变化的记录中均分别检测出地球轨道参数变化的几个特征周期，如,0.4Ma,、,0.1Ma,的偏心率周期，,41ka,的地轴倾斜率周期，以及,23ka,和,19ka,的岁差周期，反映了第四纪气候变化与地球轨道参数变化的高度相关性，使得米兰柯维奇的理论得到广泛接受。,米兰柯维奇理论虽然比较成功地解释了第四纪冰期,-,间冰期的变化，但仍存在不少问题。首先它不能解释冰期建立的机制，即为什么冰期出现在第四纪而不发生在始新世或上新世等其他时期，因此第四纪冰期的建立可能还受到更长尺度的因素作用。其次，从计算结果来看，地球轨道参数变化本身所引起的气候变化比地球上实际发生的全球变化的幅度小得多，因此，在地球轨道参数变化与全球变化之间必然存在一系列的反馈机制使得由地球轨道参数变化所引起的变化被放大。第三，根据地质记录发现，在,2.4MaB.P