环境地球化学中科院第三章全球变化.ppt

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1、第三章 全 球 变 化,近十年来，全球气候异常，土地荒漠化日趋严重，淡水资源短缺，生物物种减少，特别是温室效应诱发的全球增暖和臭氧层破坏等一系列重大而紧迫的环境问题困扰着人类社会。,从科学上看，全球性环境问题是地球系统整体性行为的结果，涉及到地球系统各层圈的相互作用，生命系统与无生命系统的相互作用，以及地球系统中三大基本过程的相互作用，最终影响到地球可居住性这样一个重大战略性问题。,第一节、全球变化学的概念,一、定 义全球变化学是研究地球系统整体行为的一门科学。它的主要目的是了解地球系统是如何工作、如何运转的；研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制，从而建立全球变化预

2、测的科学基础，并为地球系统的管理提供科学依据。,今天，全球环境问题的严重性主要在于人类本身对环境的影响已经接近并超过自然变化的强度和速度，正在并将继续对未来人类生存环境产生长远的影响。,这些重大的全球环境问题已经远远超过了单一学科的范围，迫切要求从整体上来研究地球环境和生命系统的变化，从而提出了地球系统的概念，它是由大气圈、水圈、陆圈和生物圈组成的一个整体。,观测技术的发展，特别是卫星遥感技术的发展，提供了对整个地球系统的行为进行监测的能力；计算机技术的发展，为处理大量的地球系统的信息，发展复杂的地球系统的数值模式提供了工具。技术的发展加上自然科学各分支学科自身的进步，到了今天才有可能从整体上

3、、从学科间的相互作用来研究地球系统和它的变化。,全球变化学的理论基础是地球系统科学（earth system science），它是研究地球系统各组成部分之间的相互作用，发生在地球系统内的物理、化学和生物过程之间的相互作用，以及人与地球系统之间的相互作用的一支新兴学科。它以整个地球为研究对象，但并不是一门凌驾于所有地球科学、环境科学和宏观生物学之上的“超级学科”，而是以学科之间的交叉地带作为其主要研究领域的一门交叉学科。,从90年代开始，全球变化将开始一系列的核心计划，成为未来1020年世界科学最活跃的一个研究领域。估计可能在学科之间的交叉地带产生许多新的思想和理论，并在物理、化学和生物过程相

4、互作用的基本理论方面有新的突破。同时，由于交叉、综合、相互作用过程研究的需要，可能在学科研究方法上产生重要的变革。,另一方面，全球变化的研究又具有十分明确的应用目标，它的研究成果直接用于自然资源的合理开发利用，农林牧副鱼的合理布局，水、土、气污染的控制以及全球环境问题上的重大决策，为保护和改善几代人的生存环境作出贡献，具有全局性的战略意义。,二、全球变化研究计划概述,全球变化研究是本世纪80年代以来国际科学界所组织的意义深远、规模最大的一项合作研究计划，涉及地球科学、宏观生物学、天体科学、遥感技术等众多的自然科学和社会科学学科领域，具有高度综合和交叉学科研究的特点以及跨世纪的影响，代表了当今世

5、界科学的发展趋势，吸引了全世界众多的科学团体和科学家的积极参与。,世界气候研究计划（WCRP）国际地圈生物圈计划（IGBP）全球环境变化中的人类因素计划（HDP）WCRP着重研究气候系统中物理方面的问题，IGBP则着重研究地球系统中的生物地球化学问题。,1世界气候研究计划（WCRP）,WCRP目的是扩充人类对气候机制的认识,探索气候的可预报性及人类对气候的影响程度,它包括对全球大气、海洋、海冰与陆冰以及地表的研究。,WCRP,1 热带海洋和全球大气2 世界大洋环流实验3 全球能量与水循环实验4 平流层过程及其在气候 中的作用5 北极气候系统科学6 全球气候变率及其可预测性,IGBP于1983年

6、提出，经过可行性论证和计划制定阶段，于1991年正式实施。其目标是描述和了解控制地球系统及其演化的相互作用的物理、化学和生物过程，研究人类活动在其中所起的作用。其中心的目标是为定量的评估整个地球的生物地球化学循环和预报全球环境变化建立科学基础。其应用目标是增强人类对未来几十年至百年重大全球变化的预测能力，为国家一级的资源管理、环境战略，即环境与发展问题的决策服务。,2国际地圈生物圈计划（IGBP）,IGBP,1 国际全球大气化学（IGAC）计划,2 全球海洋通量联合研究（JGOFS）计划,3 过去的全球变化计划（PAGES）计划,4 全球变化与陆地生态系统（GCTE）,5 水循环的生物学计划（

7、BAHC）,6 海岸带陆地海洋相互作用（LOICZ）,8 土地利用/土地覆盖变化,9 数据信息系统,10全球变化的分析、研究和培训系统,IGBP,IGBP与IHDP共同的核心计划,7 全球分析、解释与建模（GAIM）,过去的全球变化计划（PAGES）计划,PAGES的研究是IGBP已确定的核心计划之一。对历史资料和自然记录如发现于树轮、湖泊和海洋沉积物、珊瑚、冰芯中的自然信息的研究,以及借助于有效的现代物理、化学分析技术,使我们有能力恢复遥远的过去的地面温度的变化、大气和海洋化学、火山事件和植被分布,其时间分辨率有时高到能辨别局部或区域环境中的季节性变化.这些信息对我们现在认识全球系统的耦合性

8、极有帮助,同时也提供了能够用于校正数十至数百年时间尺度气候和环境变化的模式的数据。,通过PAGES计划研究过去的全球变化,将使我们能够回答下面一系列问题,在冰期和间冰期的那些层序上存在着温室气体和地表温度的变化?在近1000年以来,区域和全球的地表温度如何变化的?,过去的人类活动在何种程度上改变了气候和全球环境?地球系统的自然反馈在何种程度上对温室气体作用有贡献?,HDP计划由国际高等研究机构联合会（IFIAS）、国际社会科学联合会（ISSC）和联合国教科文组织（UNESCO）联合制定、组织和协调，时间为十年。该计划力图在社会科学领域仿效某些自然科学所特有的大规模合作精神，力求更好地了解导致全

9、球环境变化的人类原因。,3.全球变化中的人类因素计划（HDP）,该计划的理论取向大致有三个特点,观点是全球性的；时间跨度大，要进一步追溯过去和展望未来；不可能采取适合于一般学科或学术领域的研究方法。,该计划的研究内容包括,1)全球变化的根源，主要是人为的根源；仔细区分自然趋势引起和由人类活动所造成的两类变化；2)由于陆地/生物圈的其他部分和直接由人类作用系统所引起的变化的后果；3)对全球变化的管理。,第二节 与全球变化研究相关的几个问题简述 2学时,1.第四纪 第四纪是新生代的第二个纪，包括更新世和全新世两个世。第四纪是地质历史上最新的一个世，它是地质历史上发生过大规模冰川活动的少数几个纪之一

10、，又是哺乳动物和被子植物高度发展的时代，人类的出现是这个时代最突出的事件。第四纪的年龄目前认为可以延续约为200万年。,2.冰后期 冰后期即全新世。指更新世最后冰期消融后的时期。这时冰川逐渐向高纬度或高地后退，因此广大范围内冰后期的下限，是根据大致情况确定的。,3.古土壤 一般是指地质历史时期形成的土壤。一个保存完整发育完全的古土壤剖面，和现代土壤剖面一样，自上而下可以分为淋滤层、粘化层与淀积层。典型的古土壤呈暗灰棕色或浅红棕色，古土壤的下部碳酸盐淀积层位于未风化的黄土母质的顶部,剖面中的黄土和古土壤的交替。,4.黄土 主要由粉砂颗粒所组成的第四纪陆相沉积物，一般呈灰黄、红黄及棕黄色。黄土富含

11、易溶盐及钙质结核。黄土质地松散，具有肉眼可见的大空隙，不具层理。典型黄土又称为原生黄土，多数人认为是风积物。黄土中若具有层理且夹有多量砂粒或粘土成分时，又称为次生黄土，它是原生黄土经流水冲刷搬运后再沉积的黄土。,黄土呈断续带状分布在南、北半球的中纬度地带的大陆内部温带荒漠或半荒漠地区的外缘。我国西北和华北地区黄土广泛分布，是世界上黄土分布最广、厚度最大、类型最复杂的一个地区。其面积达60万平方公里，厚度一般为2030米，最厚可达200米左右。,5.磁化率 黄土和古土壤中的磁化率是它们在人工弱磁场被感应的磁性度量，黄土和古土壤中的磁化率信号的主要载体为非常细（1m）的颗粒部分，其中，磁铁矿和或磁

12、赤铁矿对磁化率有着主要贡献，因为这些1m的单磁畴颗粒所具有的超顺磁性显示了高磁化率值。,这些非常细的磁铁矿颗粒可能来自沙漠源区的粉尘、高纬度的火山尘埃、高层大气的气溶胶物质、沉积区成壤过程形成的磁铁矿以及宇宙物质等。,关于磁化率的物理意义有两种看法：一种认为，由于磁性矿物堆积速率在千年尺度上是恒定的，黄土序列中磁化率的变化主要反映了来自地质源区的粉尘堆积速率的变化，即磁化率高，粉尘堆积速率慢，发育古土壤；低磁化率值则指示了加快的粉尘堆积速率，形成黄土。,第二种认为，古土壤磁化率值之所以高于黄土，在于土壤中细粒磁铁矿是成壤过程中的就地产物，磁化率值的高低，指示了成壤或成土作用的强度。由于粉尘堆积

13、作用与成壤成土作用在黄土或古土壤形成过程中是相互联系又相互制约的两个方面，也即粉尘堆积速率快，成壤强度小，反之则成壤强度大。,可以将黄土和古土壤的磁化率值作为成壤作用强度或粉尘堆积速率的一种度量。当降水较多蒸发较少时，源区和沉积区的植被密度和土壤湿度较大，土壤中含有磁铁矿的细颗粒组分浓度高，磁化率高；反之，降水较少，植被密度和土壤湿度小，较粗颗粒的粉尘堆积速率增加，磁化率值低。从某种意义上说，黄土和古土壤的磁化率可作为衡量降水量甚至土壤湿度乃至季风强度的一种敏感参数或代用指标。,6.古气候旋回形成机制假说,1、一类假说涉及气候的外部系统，主要是地球接受太阳辐射的多寡。1)如太阳辐射说认为，太阳

14、辐射的输出量发生过周期性变化；或认为星云周期性地遮蔽了阳光，减少了到达地球的太阳辐射量。2)地球轨道变动说认为，即使太阳输出的能量不变，随着地球轨道几何形态的周期性变化，地球上不同纬度不同季节所吸收的太阳能量也会发生周期性的变化。,3)火山尘埃说：大量火山爆发时，火山灰吸收和散射阳光会导致气候变冷。4)地磁场变动说：气候波动与地磁场强度及地磁场倒转有关。2、还有一类假说牵涉到地球气候系统的某些内部因素及其反馈作用1)先热后冷说：当暖流进入北极地区时，会导致降雪量增大，形成冰盖；冰进伴随着海平面下降，致使北上的暖流受到海底岭脊的阻碍，冰雪反射使气候变冷。也会减小降雪量导致冰盖后退；融化的冰水使海

15、面回升，暖流可再度进入北极区使冰盖扩展。,2)造山运动说认为，山地抬升至雪线以上形成冰川，进而通过反射率升高使气候变冷。3)CO2的温室效应学认为，藻类等植物的大量繁殖，消耗CO2，引起冰期来临；而CO2的耗竭和温度下降使植物死亡腐烂，又会导致CO2重新积聚，进而引起温度上升。,7.米兰科维奇理论,本世纪二、三十年代，南斯拉夫米兰科维奇提出，地球轨道形态变化导致北半球高纬度地区夏半年日射率发生周期性变化，是引起冰期间冰期变化的主导因素。控制地球表面日射率的轨道参数有三个，即轨道偏心率（e）、地轴倾角（）和岁差（P）。在月球和其它天体微小引力的影响下，地球轨道参数发生周期性的变化。,偏心率（ec

16、centricity,e）,地球椭圆形轨道的最长直径与最短直径之差与赤道半径之比,指轨道偏离正圆的程度,变化在之间。地史上存在10万年、40万年两种变化周期。冰期均发育于e 的最小值，相当于日地距离增加而日照量减少。,目前地球轨道的偏心率为0.0167。偏心率越大，季节长短的差异越大。,黄赤交角或斜度（obliquity of ecliptic,）,黄道面与天赤道面的交角，即地轴与地球轨道面夹角的余角。现在约23 26。地质历史上存在4万年的周期，其值变化于22022430之间。值增大使冬、夏温差增强，即冬季更冷夏季更热。因此，在黄赤交角较小时，夏季相对较凉，有利于出现冰期。,岁差（prece

17、ssion,P）,由于月球和太阳对地球赤道鼓起部分的吸引，地球自转轴的方向环绕与黄道面的垂直轴作缓慢的进动，在空间上描绘出一个圆锥面，地轴绕完一圈约需26000年。这种现象叫岁差。最近一次岁差周期约 2.5万年，地质历史上 1.92.3万年（平均2万年）。P 值变化对赤道带气候影响较大，对两极高纬区影响较小。,目前地轴指向北极星。进动与地球沿椭圆形轨道的公转一起决定了近日点的时间，从而决定了地球最靠近太阳时地轴的指向。近日点时间的变化，即岁差的实际周期约2万年（有19000年和23000年两个周期），比进动本身的周期略短。它可使一半球的季节差异增大，另一半球的季节差异缩小。目前近日点在1月，1

18、月份全球的日射率稍大于7月，故北半球冬季稍暖，夏季稍凉，而南半球冬季更冷，夏季更暖。12000年后，地轴指向织女星，近日点在7月份，则情况相反,要确立米兰科维奇理论，必须解决以下三个问题,（1）地球轨道参数在过去几十万年期间的计算值是否可靠？（2）轨道参数的周期性变化是否与古气候旋回的地质记录相对应？（3）日射率的微小变化如何引起气候的变动与冰期的产生？第一个问题近年来已经解决。计算出的参数e、p的平均周期为95800年、41000年和21700年。第二个问题是验证米兰科维奇理论的核心课题。,8.新仙女木事件（younger Dryas,简称Y.D.事件）,新仙女木期是冰期向全新世过渡中发生的

19、一次最重要的气候回返事件。在晚冰期后的急剧升温过程中，大约在距今1110ka，气候突然出现短暂（持续约1.3ka）的逆转，这一现象被称为Younger Dryas事件（简称Y.D.事件）。,全球性的Y.D.事件已先后被北大西洋、赤道太平洋、红海中部的巴巴多斯等地区的深海沉积物记录和海平面变化所证实。此外，欧洲的Gerzensea、Chirens、Fanlensee湖、非洲的Ziwayshala湖和撒哈拉以南的Bosunti湖，以及格陵兰冰芯和南极Vostok冰芯等也记录了这一事件。地处亚洲季风区的中国同样也发现了这一事件的存在。,9.厄尔尼诺现象,厄尔尼诺现象发现已有一百多年的记载，最早出现在

20、赤道附近的秘鲁、智利等国沿岸海域，每年圣诞节前后，这一带海域的海水温度上升异常，雨量加大，鱼类大量死亡，这种冷暖生态不平衡现象常发生在圣诞节前后，故被当地渔民称之为“厄尔尼诺”，在西班牙语中意为“圣婴”。,厄尔尼诺现象可以出现在一年中的任何季节，但以春季为多，一般持续一年左右时间，其发生与变化也无规律可言，而且范围不限于秘鲁等国沿岸海域，它可扩展至赤道中、东太平洋的辽阔洋面，科学上将这种太平洋赤道一带的海水温度持续半年比一般年份高出0.52以上的大范围异常增温现象，定义为“厄尔尼诺”现象。,厄尔尼诺现象出现前几个月，赤道洋面表层暖水大规模自西向东移动，热带多雨带也随之东迁。原来干旱的赤道太平洋东部降水量骤增，有时造成严重水灾。本为多雨的赤道太平洋西部地区却出现少见的干旱。由于赤道太平洋海水温度异常升高，使沿岸生物大批死亡或潜逃，海鸟因失去食物而迁涉。有时，暖水也从东向西移动，导致大范围海水增温。,10.拉尼娜现象,指由于暖水不断被送入西太平洋，导致东西海区的温差增加。这样，空气在西太平洋上升，而在东太平洋却下沉。这种纬向东流的加强使赤道信风越来越加强的结构发生作用，有时也可使东太平洋的水温出现显著下降。,