全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力课件

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 1015kg/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 43 400 1015kg；咸水主要贮存于深海，为 89000 103km3。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 43 400 103km3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 CO2；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 CO2，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 CO2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 CO2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 CO2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 CO2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 CO2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 CO2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 5 1015g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) 1015g的碳 。 这些逐年增加的碳排放量很可能是引起 全球大气 CO2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 315 10-6 ；到了 1995年 ， 已达到约 358 10-6， 其增长的趋势十分显著 ， 平均 每年增加约 1.2 10-6。 大气中 CO2浓度逐渐增加的事实表明 ， 海洋对 CO2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 CO2的能力终将会被 耗尽 ， 那时 ， 更大部分的 CO2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 10a100a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 14C测量的结果表明 ， 太阳活动强时 ， 14C含量低；反之 ， 14C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 14C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 14C含量的变化和极地冰芯中 10Be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 23 27 ， 在几百万年内 ， 黄赤交角的变化范围为 21 39 24 36 ， 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.， 19ka和 23ka的岁差周期占主导地位；在2.4MaB.P. 0.8MaB.P.期间， 41ka的黄赤交角变化周期为主要周期；而在 0.8MaB.P.以来却是在三个地球轨道参数中强度最弱的0.1Ma的偏心率周期最为显著；米兰柯维奇理论难以解释为什么会发生主导周期的变化。 地球 7.4亿年来经历的四大冰期和三大间冰期示意图 全球气候波动旋回的级序 全球气候的变化有不同的时间尺度 ， 如 108 107a、 105a、104a、 103 102a和 10a等 ， 从而构成了不同的变化级序 。 1.108 107a尺度 具有此尺度的气候变动称为大冰期和大间冰期 。 地球历史上有过四次大冰期 ， 第四纪大冰期是其中的一次 。 这四次证据比较确凿的冰盖活动时期彼此相隔时间约 2.5 108a 3.5 108a， 这恰好与银河年 （ 银河系自转一周的时间 ） 大致相等 。 因此 ， 有人提出地球历史上这四大冰期的出现与银河年引起的气候大波动有关 ， 这有待进一步研究 。 2.105a尺度 具有此尺度的气候变动称为冰期和间冰期。第四纪大冰期通常划为四个冰期，如欧洲的恭兹、民德、里斯、玉木冰期。这一级序的气候变动主要受地球偏心率、黄赤交角和岁差这些地球的轨道参数变化的影响。 3.104a尺度 具有此尺度的气候变动称为副冰期和副间冰期，又称冰阶(stadial)和间冰阶 (interstadial)。是叠加于冰期和间冰期之中的次一级气候波动。冰阶是指间冰期的寒冷阶段，间冰阶是指冰期中的相对温暖阶段。 这一级序的气候变动主要受地球表层系统各层圈相互作用的影响，包括海陆分布变化对大气环流的影响、地面性质及粗糙度对反射率的影响、火山活动对大气混浊度的影响、植物生命活动对大气成分的影响、人类活动的影响等。 4.103 102a尺度 具有此尺度的气候变动称为小冰期和小间冰期，仅用于冰后期和晚冰期，其他老的冰期中难以细分。第四纪中这一级序的气候变动以人类活动的影响最为重要。 5.10a尺度 仅用于近代的气候学研究之中。 二 、 驱动全球变化的地球内力因素 地球内力对全球变化的驱动主要通过受地球内部过程驱动的板块运动而起作用 ， 板块运动所造成的海陆分布形式的变化 、海底地形与陆地地形的变化 、 火山活动等 ， 均能引发进一步的过程 ， 导致全球变化 。 地球内部物质的重新分布能够导致地极漂移 ， 也会对全球变化产生影响 。 (一 )海陆分布变化 大陆漂移和海底扩张以及与此相关的海面升降，造成海陆分布格局及海洋和陆地面积对比的变化，陆地的位置和组合关系不同，对全球的温度和降水格局均会产生深刻的影响。 图 2-3 理想泛大陆的气候状况模拟 （ R. J. Huggett， 1991） 洋盆形状与海陆分布格局的变化会导致大洋环流形式的变化 。 大陆分布格局变化使得一些海道开启 ， 一些海道闭合 ， 它们所导致的必然结果就是造成洋流的迅速调整 。 新生代全球变冷的若干主要阶段分别与同期若干海道开启与闭合相对应 ， 其中 ， 大约 50MaB.P.之时 ， 澳大利亚向北运动形成具有重要意义的南大洋通道使得绕极环流得以建立与发展 ， 可能是导致南极大陆开始变冷并最终发育成冰川的原因 。 海陆分布格局的变化对生物的进化也有重要影响 ，其中的一个重要方面是大陆解体之后切断了生物之间交流的通道 ， 使得生物在各自的大陆上独立进化 ， 助长了生物多样性的增加 。 (二 )高海拔的山地或高原的隆起 洋盆与海陆分布格局的变化及其影响通常发生在 106a107a尺度上，而在 104a 105a尺度上对全球变化影响最大的板块运动事件是以垂直运动为主的巨地形变化。 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，这些冰雪通过反射率的反馈作用成为温度升降变化的放大器，增强气候变化的不稳定性，从而对全球变化产生与极地冰盖性质相近的作用。 高山和高原通过热力和动力作用对全球大气环流运动所产生的深刻影响更为重大。青藏高原和北美西部的山系等均对近地面行星风系的运动乃至结构有强烈的改造作用。北美落基山脉对整个北半球的大气环流都有深刻影响，主要表现为大气驻波作用与对反气旋运动的阻挡作用。 (三 )火山活动 从表面上看，火山喷发只是在极短的时间尺度内发生的局地事件，但一次火山的喷发可能需要酝酿几十甚至上百年的时间，而火山喷发的影响更具有全球性后果。 强火山爆发能在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐粒子的气溶胶层，它们存留在平流层中增加了大气的反照率，因而减少了到达地面的直接太阳辐射，进而导致温度下降，这个影响被称为 “ 阳伞效应 ” 。如 1963年 3月印度尼西亚巴厘岛的阿贡火山爆发约 3个月后，澳大利亚墨尔本的总辐射减少达 6%。 500A.D.以来冰芯酸度指示的火山活动全球气候变化（王绍武， 1994） a.中英格兰温度 b.加利福尼亚树轮宽度 c.格陵兰氧同位素 d.北半球温度指数 e.格陵兰冰芯酸度 三 、 全球变化中的人为因素 人类生态系统的建立和维持所造成的自然环境破坏与污染使得地球表层系统中的一些成分相对增加，甚至出现一些在自然状态下本不存在的成分，另一些成分相对减少甚至消失 ,从而造成各个组成成分的构成和性质的显著变化。人类向大气中排放 CO2、 CH4等使温室气体含量增加且出现新的温室气体成分，排放到大气中的氟利昂等 “ 氯氟烃 ” 类物质和氮氧化合物正在导致臭氧层破坏，酸性气体排放导致酸雨的发生。在生物界，人类驯化的作物替代了森林和草原，野生动物被驯化动物所取代或被排斥到生态边缘而绝灭或濒临绝灭，人类生态系统替代自然生态系统不仅减少了系统的生物量，而且减少了物种的多样性，进一步加速了生物绝灭的过程。此外，排入到江河的各种有机和无机污染物导致水体污染，各种人工合成材料的出现也改变了固体地球物质的组成。 土地利用 /土地覆被的变化 其他 林地 草场 耕地 农田扩张 农业文明约有 1万年的历史，但耕地增长速度缓慢。耕地的扩张主要发生在 1850以来的 140年间，其中最近 90年来全球耕地面积增加了一倍； 林地减少 过去 140年间，拉丁美洲林地面积减少了 28%；南亚和东南亚减少了 34-38% 城市扩张 总面积只占陆地总面积的 1%左右，但发展迅速。 自 1700年至 1980年，自然生态系统占地从95%减少到 65% 自 1700年至 1980年，人工生态系统占地从5%增加到 35% 物种的减少 哺乳动物 鸟类 灭绝的种数 50 20 1600 -1649 1650 -1699 1700 -1749 1750 -1799 1800 -1849 1850 -1899 1900 -1959 有关生物多样性，人类