地球系统科学讲义

目录1.全球变化2l 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）l 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）l 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21P21 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？（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 P51火山与气候 P52）11.全球近期和未来气候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l 真实存在的自然过程l 地球本身释放的温室气体的保温作用l 有数据支撑的一个假说l 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l 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l 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l 全球变暖：认识争议统一幻灯片19对二氧化碳浓度的观测l Keeling曲线：夏威夷最高点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l幻灯片21Keeling曲线证明的事实l 近50年二氧化碳的浓度在增加l 这种增加趋势在去1958年以前就存在l 近50年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势l 二氧化碳浓度存在着规律的年内波动趋势l 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幻灯片22Keeling曲线不能证明的事情l 1958年以前大气中的二氧化碳是如何变化的l 二氧化碳是从什么时候开始增加的l幻灯片23探寻1958年以前二氧化碳浓度l 在实测数据难以获得的情况下，我们应该如何去了解历史上的二氧化碳浓度？l 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l 仪器或测量方法变化前后数据序列的对齐问题l 气象站如何规避城市热岛效应l 测试点分布的变化以及全球密度的不均l 新近测试点时间序列短的问题幻灯片29其它争议l 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。l 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l 欧洲北美贸易的“西北海上通到”每年可以通航数周l 环北冰洋带的城市可能得到发展l 北极熊以及因纽特人生存危机l 格陵兰冰盖加速融化导致海平面升高l幻灯片32海冰融化是否会导致海平面升高l 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幻灯片33全球变暖的潜在后果l 气候变化（极端事件的增加）l 海平面上升（极地冰盖融化、海水受热密度变小）l 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l 氧气释放减少l 物种灭绝l 药物来源消失幻灯片39我们最应该关注的变化l 两个原则：l 1.迫切程度：臭氧层空洞全球变暖物种灭绝l 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l 地点：南极冰盖东方（Vostok）和南极穹顶（Dome C）l幻灯片42Dome C数据证明了什么l 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l 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l 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地层分界线富铱黏土层l幻灯片46太阳光度的变化幻灯片47早期太阳暗淡佯谬l 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l 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l 可能的解释：地球早期的温室气体含量远高于现在。l 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l 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。幻灯片49Gaia假说l 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l 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。l 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l 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）、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l 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l 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l 例子：空调l 正耦合：在正耦合中，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l 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l 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。l 例图幻灯片56反馈循环实例l 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）l 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）l 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）l 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）l 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）l幻灯片57两种反馈循环负反馈循环正反馈循环l 降低扰动的影响l 使系统趋向于稳定ll 放大扰动影响l 使系统更不稳定幻灯片58反馈循环符号判定l 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l 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l 自然系统的成分通常是能量和质量的累加或者蓄积，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l 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。l 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l 系统的稳定状态可以比一些干扰打破，根据干扰持续时间的不同可以分为扰动和强迫。l 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l 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l 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l 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l 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？幻灯片81雏菊世界给我们的启示l 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l 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l 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l 系统常常存在一些阈值，一旦超过这些阈值，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l 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l 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。l 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。l 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。l 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l 电磁辐射l 黑体辐射l 行星能量平衡l 大气成分与结构l 温室效应的物理机制l 气候的反馈过程幻灯片6通量l 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（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l 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l 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l 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l 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。l 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l 到达地球轨道所在处的太阳辐射通量（S）l 地球的反照率（A）l 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l 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StefanBoltzmann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l 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l 辐射：地表发出红外辐射，近地面大气吸收l 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l 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l 前面我们已经得知，温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l 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灯片33分子运动及温室气体CO2幻灯片34CO2分子运动特性l 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l 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l 阴天气温日较差小，晴天气温日较差大。l 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。l 云层对于太阳辐射和地面辐射都具有反射作用，地球行星反照率30%很大一部分是由于云层的存在。如果没有云，地球反照率将下降到10%左右，根据行星能量平衡公式，地表的有效辐射温度将升高17摄氏度；但是云层在夜间对温室效应有促进作用，因此云层的降温作用要小于17摄氏度幻灯片39高云和低云对大气辐射的收支l 高处的卷云由冰晶构成，较薄允许太阳辐射通过，但是温度较低可以吸收红外辐射，自身温度低不易向太空发射红外辐射，因此对温室效应贡献明显l 低处的层云除了吸收红外辐射，由于较厚反射了大量太阳辐射幻灯片42气候模型简介l 有了地球能量收支数据，我们可以利用计算机模型跟踪这些复杂的过程，来预测未来的温度变化。这样的计算需要考虑到所有不同温室气体的旋转和振动吸收波段。对于气候工作者有利的是，目前已经有大量的精力投入到了参数获取方面，数据信息是比较丰富的。幻灯片43GCM模型l 在所有模型中，最完整的一类计算机模型为大气环流模型（GCM），有时也称全球气候模型。其模块包括风（洋流）、水分传输和能量平衡的大气（或海洋）的三维结构。大气GCMs模型描述了云、风、雨、雪和其他大部分天气现象。因此，该模型在理论上可以较为准确的预测区域气候的变化。l 但是其缺陷也很明显：目前世界上最快的计算机模拟几年内的全球气候变化也需要大量的时间。幻灯片44一维气候模型RCMsl RCM模型对气候系统进行近似的计算，对地球整个表面的入射太阳辐射和出射太阳辐射取平均值，并考虑了大气的垂直结构，通过考虑垂直方向上大气每层以辐射形势发出和接收的能量，以及最低几层对流和潜热释放效应，RCM模型可计算每层的温度。由于其未考虑大气水平方向上的变化，该模型也被称为一维气候模型。幻灯片45RCM模型计算的CO2倍增效应l RCM模型的准确性在很多地方得到了验证，比如准确计算了温室气体的增温效应为33摄氏度，因此该模型被气候学家重视，并通常用来参考CO2浓度从20世纪初的300ppm增加到600ppm引起的温度变化，RCM模型计算表明，在其他所有过程不变的情况下， CO2浓度翻倍将使全球地表均温增加1.2摄氏度（这个值相当于雏菊世界中的T0）。l幻灯片46气候的反馈过程l 事实上， CO2浓度的增加会使气候系统中其他因素发生变化，为更准确的估算温度变化，我们必须考虑气候系统的反馈过程幻灯片47水蒸气的反馈过程l 水蒸气大部分时间都很接近其凝结温度。如果地表温度降低，水蒸气将以雨雪的形式凝结出来，大气中的水蒸气含量降低，从而降低温室效应；反之气温升高会增加海洋中水分蒸发速率，增加大气中水蒸气浓度，强化温室效应。l 水蒸气与地表温度相互作用的最终结果是能将微小的温度扰动扩大化的正反馈循环。幻灯片49将水蒸气循环加入RCMl 假定水蒸气对由于CO2倍增引起的升温 T0为1.2摄氏度产生了反馈，且假设对流层内相对湿度廓线不变，那么该反馈循环可以并入RCMs,考虑水蒸气反馈计算结果是CO2倍增引起的升温Teq是2.4摄氏度。根据反馈系数可得f= Teq/ T0=2.4/1.2=2l 反馈系数2表示在气候系统中，这是一个很强的正反馈作用。幻灯片50雪冰反照率的反馈过程l 雪冰反照率的反馈循环对于冰期间冰期的变化非常重要。地球变冷时地表积雪覆盖面积加大，增加反照率，进一步降低地表温度，反之温度升高，冰雪覆盖率降低，反照率下降。这也是一个正反馈循环。幻灯片52维持地球稳定的负反馈l 目前讨论的两个反馈都是正反馈，我们都知道只包含正反馈的系统是不稳定的，那么是否意味着地球系统是不稳定的呢？l 当然不是的，否则我们就不会坐在这里上课了，地球系统包含了一个非常强的负反馈作用，但因为太过于基本而常常被忽视。它就是地表温度与出射红外辐射通量之间的关系。幻灯片53红外通量温度反馈l 如果地表温度上升，大气层顶出射的红外辐射将增加，地表温度将降低。这一反馈循环在大气中水汽含量多到一定程度时不再适用。幻灯片54云的反馈过程l 云可以加热地表，也可以起到降温作用，这取决于云的高度，因此定量估算云的反馈作用是有难度的。目前大多数三维气候模式表明：云的净反馈效应是正的，因为高云增多超过了低云的增多。但是气候模式的研究者表示这是他们最没有把握的预测之一，也是预测未来全球气候变暖的最大不确定因素。3. 海洋环流幻灯片1海洋环流1、为什么会形成海洋环流？l 首先，海水的温度垂直分布使得海水难以进行垂直方向上的运动。l 其次，由于水的比热容大，且海洋面积广阔深度大，要让海洋温度发生变化需要巨大能量，另外，海水密度随温度变化幅度远小于大气，因此与对流层不同，对海洋表面加热并不能直接造成海洋表面环流，更多的是间接通过影响大气环流，由全球的风场分布来决定上层海洋环流形势。2、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如何？l 表层海洋环流l 当风持续在北半球广阔海面上作用，将会给予表面海流和风向一样的加速度，而海流同时受到科里奥利力影响并产生和风向垂直的向右加速度，并且当速度增加时会逐渐向右方偏转。因为海流方向会稍微偏向风向的右方，垂直于海流方向的科氏力会有部分抵消风力。最后，当风力、科氏力和海面下海水黏滞力达到平衡时，海流将达到终端速度并在风存在的状态下以平衡状态时的速度和方向前进。表面的海流会拖曳下层海水，并且在前进方向上对下层海水施加力量，连续向下重复的过程最终会使各层海水的稳定流向比风向更偏右方，并且向更深层海水作用，最终产生一个因为海流方向随水深改变的连续性的旋转（或螺旋）。深层洋盆环流l 与风驱动海洋表面环流不同，深海环流是由水的密度引起的，前面提到水在4摄氏度的时候密度最大，而海洋获取能量由表面到下层逐步减弱，因此海水垂直方向的运动较难发生。但是我们忽略了一个指标，即海水的盐度，因为海水的盐度也可以影响密度。相互关系在高纬度，由于两极大气温度低，会使表面海水遇冷结冰，盐分与冰的晶体不匹配，因此在结冰过程中绝大多数盐分会被析出，其结果是：海冰下的那层水盐度很高，海水的冰点降低，继而形成更冷，更咸的水，低温和高盐共同作用下形成高密度海水，下沉后沿海盆坡度向下并在深层海底向赤道扩展3、海洋环流在全球气候系统中扮演什么角色？海洋环流对全球能量再分配有着重要影响，这会在地区温度上有充分体现；比如北半球中高纬度大洋东西两侧陆地气温有着巨大差异。海洋表面环流结合行星风系还能够影响不同地区的气候，比如离岸流可以造成温度较低的海岸沙漠。幻灯片5l 海水温度变化-垂直温度幻灯片11海洋与大气热力性质的不同l 首先，海水的温度垂直分布使得海水难以进行垂直方向上的运动。l 其次，由于水的比热容大，且海洋面积广阔深度大，要让海洋温度发生变化需要巨大能量，另外，海水密度随温度变化幅度远小于大气，因此与对流层不同，对海洋表面加热并不能直接造成海洋表面环流，更多的是间接通过影响大气环流，由全球的风场分布来决定上层海洋环流形势。幻灯片15弗里乔夫南森北极探险的发现l 南森在18931896年进行l 了一次北极探险，目的是l 乘坐Fram号穿越北极，虽l 然最终没有成功，却意外l 发现了表层海水流动与风l 向有2040的夹角，这一l 发现后来被瑞典科学家l Ekman证实幻灯片18埃克曼解释南森的疑惑l 在弗里乔夫南森跟随“前进号”（Fram）进行北极探险时，发现冰漂移的角度为盛行风的方向偏右20-40。之后南森请他的同事威廉皮耶克尼斯安排一名学生对此问题进行研究。埃克曼被皮耶克尼斯选中，并在1902年他的博士论文中提出了他的成果。幻灯片19埃克曼螺旋l 当风持续在北半球广阔海面上作用，将会给予表面海流和风向一样的加速度，而海流同时受到科里奥利力影响并产生和风向垂直的向右加速度，并且当速度增加时会逐渐向右方偏转。因为海流方向会稍微偏向风向的右方，垂直于海流方向的科氏力会有部分抵消风力。最后，当风力、科氏力和海面下海水黏滞力达到平衡时，海流将达到终端速度并在风存在的状态下以平衡状态时的速度和方向前进。表面的海流会拖曳下层海水，并且在前进方向上对下层海水施加力量，连续向下重复的过程最终会使各层海水的稳定流向比风向更偏右方，并且向更深层海水作用，最终产生一个因为海流方向随水深改变的连续性的旋转（或螺旋）。幻灯片23埃克曼输送l 把埃克曼螺旋中所有各层水的运动叠加起来，那么整个水柱的净输送方向是在表面流右偏90的地方。水体的这种净输送称为Ekman输送。幻灯片40海洋环流与全球能量再分配l 海洋环流对全球能量再分配有着重要影响，这会在地区温度上有充分体现；比如北半球中高纬度大洋东西两侧陆地气温有着巨大差异。海洋表面环流结合行星风系还能够影响不同地区的气候，比如离岸流可以造成温度较低的海岸沙漠。幻灯片43离岸流与海岸沙漠l 南半球非洲西海岸的纳米比沙漠和南美洲西海岸的智利阿卡塔马沙漠是世界上最干旱的地区，离岸流使温度低的海水上涌，特别是阿塔卡马沙漠在东南信风控制的时候还有焚风叠加。海洋对于气候的意义l 海洋对于地方气候格局的意义重大，对于气候年际变化的控制中，海洋是非常重要的。与大气能够快速输送热量不同，海洋可以吸收和储存大量热量，且释放缓慢。因此海洋的变化周期比大气长的多，而且因为海洋的表面温度可以控制大气环流的变化。海洋表面温度对于气候变暖具有迟滞效应，同样地，海洋的一些变化可能会对气候产生十年时间尺度上的气候异常。幻灯片49沃克环流圈原理l 赤道附近对流层上部的偏西风受到安第斯山脉以及南美大陆上升气流的阻挡后下沉，与秘鲁寒流辐合强化东南信风，带动赤道以南的海水向西流动l 在太平洋西岸海水受到大陆阻隔后堆积，造成大量较热海水聚集，在太平洋西岸形成上升气流，与高空偏西风，近地面东南信风以及东岸下沉气候组合闭合环流，称沃克环流。幻灯片55厄尔尼诺拉尼娜现象l 沃克环流被加强时，也就是上述情景2，称为拉尼娜现象；沃克环流被打破，也就是上述情景1，称为厄尔尼诺现象。l 由于沃克环流变化时海平面气压场也会发生变化，因此科学家经常通过计算赤道太平洋东西两侧的气压差来评估沃克环流圈的变化，并预测厄尔尼诺和拉尼娜现象。这个气压差被称为南方涛动指数（SOI）。幻灯片63深海环流l 与风驱动海洋表面环流不同，深海环流是由水的密度引起的，前面提到水在4摄氏度的时候密度最大，而海洋获取能量由表面到下层逐步减弱，因此海水垂直方向的运动较难发生。但是我们忽略了一个指标，即海水的盐度，因为海水的盐度也可以影响密度。幻灯片64全球海水的盐度幻灯片65海水中盐分的来源l 地壳岩石分解或风化，海水带走可溶物质l 河流携带陆地可溶离子进入海洋l 海水蒸发ll幻灯片66讨论：海水盐度的变化l 海水的盐度会不会越来越高？l 答案：不会，因为还有许多过程可以去除海水中的盐分，如浅海蒸发沉淀，海洋生物的躯壳，洋底火山喷出的岩浆中和作用，海洋飞沫作用等幻灯片67温盐环流幻灯片68温盐环流l 我们都知道没有盐度的水在4摄氏度的时候密度最大，但是有盐度的水呢？据测，若盐度为10的时候，海水最大密度出现在2摄氏度，而盐度达到24.6或更高的时候，海水最大密度出现在冰点（冰点的温度随盐度的增加而降低），因此海水最大密度的温度随着盐度的升高而降低。幻灯片72 什么是温盐环流？ 幻灯片81底层水的形成l 我们发现高纬度的海洋表面海水温度和盐度都相对比较低，这与深层海水相似，它们之间是不是有某种联系呢？l 由于两极大气温度低，会使表面海水遇冷结冰，盐分与冰的晶体不匹配，因此在结冰过程中绝大多数盐分会被析出，其结果是：海冰下的那层水盐度很高，海水的冰点降低，继而形成更冷，更咸的水，低温和高盐共同作用下形成高密度海水，下沉后沿海盆坡度向下并在深层海底向赤道扩展幻灯片94深海环流实例l 由于温度和盐度共同影响密度，不同的深度和不同的地理位置可以分辨出不同的水团，比如地中海温暖而高盐度的海水与大西洋中部越1000米深处的低盐低温海水密度相仿，因此当地中海水穿越直布罗陀海峡后，会下潜到大西洋深处，并在1000米深处扩散开来。幻灯片101同位素概念介绍l 我们关于地球系统的很多历史知识都来自同位素的使用，同位素是指拥有相同质子数和不同中子数的元素，元素符号前的上标指的是质量数（质子数+中子数）。在同位素中，有一部分是稳定同位素，有一部分不稳定同位素（发生放射性衰变称为其他元素或其他同位素）幻灯片10214C一种放射性时钟l 银河系中遥远的射线撞击大气层使得N源自中的一个质子变成中子，使N原子变成14C, 14C不稳定，又会衰变成N，衰减一半需要5730年，再衰减一半又需要5730年，以此类推。大气中14C的衰减速度和生成速度相对平衡，当与大气交换的活体生物死亡或者表层海水下沉，它们不再与大气交换，这时候就可以通过它们中14C的含量多少来计算它们的年龄。4. 大气圈、冰冻圈、岩石圈补充知识幻灯片1大气圈、冰冻圈、岩石圈补充知识P2 冰冻圈相关知识P23岩石圈知识点补充地震监测、地磁测年、威尔逊循环P45 大气圈知识点补充行星尺度天气系统幻灯片2冰冻圈相关知识水圈补充内容幻灯片7冰冻圈的组分l 大陆冰盖、冰原和冰架l 高山冰川l 海冰河冰和湖冰l 积雪l 多年冻土幻灯片8全球冰冻圈组分及时间尺度幻灯片9北半球积雪l 北半球中高纬陆地面积广阔，冬夏季节积雪面积相差12倍以上，冬季北半球积雪面积占北纬20以北约一半的陆地面积。积雪的高反照率有利于气温维持在冰点以下，使气候系统具有一定的热惯性，减缓冬春交接的时候气温升高的速度。l 新雪的结构导致晶体之间有大量空气间隙，因此较厚的积雪导热较差，对地表有保温作用。l幻灯片16大陆冰原物质平衡l 在大陆冰原由于气候酷寒，并不存在消融区，那么降落到那里的积雪都会积累起来，这是否意味着积累区的冰会不断变厚？幻灯片17大陆冰原物质平衡l 一旦冰盖厚度达到4000米左右，底部的冰就会由于高压（熔点降低）和地热开始融化。（大陆地区的地热通量为0.03W/m2）l 冰原底部融化会加快冰的移动，格陵兰冰盖边缘形成了延生到海洋中的山谷冰川，且近年来运动速度在加快。格陵兰附近的北大西洋是深海温盐环流的重要节点之一，未来气候变暖加速格陵兰冰盖的融化可能将会通过影响北大西洋盐度来影响全球深海环流。幻灯片21极地无冰水域l 造冰工厂，增加表层海水盐度，推动深海环流l 无隔热作用，无冰水域向大气散热的速度是有冰水域的100倍，同时海洋向大气吸收热量也得到加强。幻灯片23岩石圈知识点补充地震监测、地磁测年、威尔逊循环岩石圈知识点补充幻灯片24了解地球深部的方式l 地震（通过地震波的特性来了解）l 火山（通过火山喷出的岩浆成分来了解）l 星际物质（通过陨石成分来了解）幻灯片34海底磁条带-古地理重建l 海底磁条带是古地理学重建大陆过去位置的最好工具，然而俯冲构造破坏了海底2亿年前的古老记录，必须通过其他证据来确定古大陆的位置。幻灯片35现在是解开过去之谜的钥匙l 我们在古地理重建的时候必须谨慎使用这些指标，在某些情况下这些假设并不成立。l 比如地质历史时期上冰期和间冰期交替出现，极端时期还有“雪球地球”的情况。因此地质历史时期的大气环流，沉积岩以及盐层指标未必可靠，必须寻找更多、更可靠的古纬度指标。幻灯片36岩石磁性不能解决的问题l 岩石磁性并不能推断岩石形成时的经度，也不能计算岩石的经向运动，这也是目前古地理重建的难点。幻灯片37固体地球生理学板块构造运动的推动力l 来自深层的热量l 地幔的对流作用l 板块上的作用力幻灯片38来自深层的热量l 板块构造是地球内部热量散逸机制在地球表面的体现。l 一般来说，地幔的温度随着深度的增加而增加，地球内部的热量被传至地球表面，然后 扩散到大气中（平均地热通量0.06W/m2）l 地球内部能量主要来源于放射性衰变和地球形成初期残留下来的热量l幻灯片39放射性衰变l 我们之前已经讨论过14C的放射性衰变以及通过半衰期测定年龄。对于固体地球来说最重要的放射性元素包括钾、铀及钍，这些元素的半衰期可达数亿或数十亿年，由于这些元素在地幔中的含量很高，因此其放射性衰变会产生大量的热量。由于衰变会导致地球内部放射性物质不断流失，因此地球形成早期放射性衰变带来的热量比现在要高。幻灯片40地幔对流作用l 在地幔的温度和压力条件下，岩石具有延展性。通过局部加热，可以使这些物质膨胀、密度降低并上浮（尽管这种过程非常缓慢）。而温度较低密度较大的物质下沉取代较轻的物质。l 热的岩层上升打到岩石圈后，其热量传导给岩石圈，并逐渐冷却，随着冷却的进行岩石会向侧方移动。最后冷却到一定程度岩层密度高过下面的岩石圈后，岩层下沉回到岩流圈被再次加热。幻灯片41地幔对流幻灯片42岩石圈对地幔对流的影响l 从某种意义上看，岩石圈是对流圈温度较低的上边界。温度较低的海洋岩石圈的俯冲作用会影响上地幔的内部热结构和对流圈的分布。由于海洋岩石圈密度大塑性差，板片脱离后会沉入地幔深层，然后从下部来冷却周边地幔区域，在这种情况下，这些区域会形成热稳定区。另一方面，板块的侧向运动也可能会导致岩流圈的侧向运动最后海底扩张中心会发生岩石圈分离现象导致地幔物质向上涌出。幻灯片43 Wilson 周期l 认为地球历史上由于板块l 运动，超级大陆会定期出l 现，并从热力学角度给出l 了合理解释。幻灯片45大气圈知识点补充行星尺度天气系统大气圈知识点补充幻灯片54NAO,AO,东亚大槽相关l NAO（North Atlantic Oscillation）-北大西洋涛动l AO（Arctic Oscillation）-北极涛动l 东亚大槽l幻灯片59热带风暴工作原理l 飓风又称热带气旋或台风，源于热带海洋上空的低压中心，气压梯度力与离心力和地转偏向力相平衡，发生旋转，旋转时海水蒸发加速，向空气中加入大量水汽，空气上升过程中凝结成雨释放潜热，暴风获得能量后进一步加强，吸入更多的空气，形成一个正反馈循环。只要飓风一直位于热带海水上空，它就能够自我维持工作幻灯片60热带风暴工作原理幻灯片61热带风暴生成条件l 纬度：南北纬5以外，保证科里奥利力起作用l 水温：海水温度达到26度以上l 北半球的夏末秋初热带辐合带（ITCZ）离赤道最远，海水表满温度也最高，因此这一时间段是北半球飓风发育的最佳时期5. 碳和营养元素的循环幻灯片1碳和营养元素的循环P16 短期有机碳循环：光合作用、呼吸作用、产甲烷作用、生物泵P43 长期有机碳循环：碳泄漏、沉积岩中的有机碳P46 无机碳循环海气碳交换、化学风化、碳酸盐矿物沉积P74 碳酸盐-硅酸盐地球化学循环P82 磷循环与氮循环哪个是最终的限制营养元素？幻灯片2本讲关键问题l 1/什么因素决定了储库（如大气二氧化碳库）物质输入输出的不平衡？l 库的流入流出量的不平衡。l 2/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？ll 长期有机碳循环ll 3/反馈机制能否调节大气中二氧化碳的含量l 地球上一定有一个反馈机制，能够依据大气中二氧化碳含量的多少来调节火山喷发时释放二氧化碳的速率与硅酸盐风化去除二氧化碳的速率，从而使碳库保持稳定。l 4/营养物质是如何限制地球上的生产力的？l 在海洋中，提高浮游植物生长所必需的营养元素可以提高初级生产力；而有些有害元素的提高可能会限制浮游植物的生长。任何一种元素既可能是营养元素，亦可能是有害物质，这取决于其浓度的大小，类似于雏菊世界的温度抛物线。每种元素都有有利于生物生长的的最佳浓度。幻灯片4陆地有机碳循环之旅l 假设我们追随一个CO2分子中的碳原子，这个CO2分子在对流层漂浮的几十年里几次拜访了南北半球，之后在北半球万物复苏的一个春天， CO2分子进入一个植物叶片的气孔光合作用场所中。在于一群分子和原子激烈碰撞之后，氧原子被分离了出去，而氢、氮和其它碳原子结合到了这个碳原子上。这个时候我们的碳原子已经成为了叶子的一部分，由无机碳转化成了有机碳幻灯片5陆地有机碳循环之旅l 有些叶子被动物啃食、消化，之后这些叶子中的碳原子就随着动物的呼吸作用以CO2的形式排放到大气中，夏去秋来，含有这个碳原子的叶子很幸运没有被吃掉。这时候树已经不再向叶子输送营养物质和水，叶子便凋落在地面上，被其他叶子覆盖，形成腐殖质层，这个碳原子成为了土壤的一部分，并将在此停留50年。约50年后细菌和真菌会分解含这个碳原子的有机质，通过化学反应再一次以CO2的形式排放到大气中。幻灯片6碳循环之旅l 一般情况下，一个碳原子在生命中的循环大致重复500次，才会发生一次“遗漏”：有时在含碳有机质被降解之前土壤被侵蚀，然后被河流输送到海洋中。在那里这个碳原子与其他微粒一起沉积到海底，并被后来的沉积物压到下层，或被海洋板块携带到俯冲带，在高温高压下可能会被转化成气态原子逃逸到地表，或被转化成沉积岩和变质岩的成分。幻灯片7碳循环之旅l 碳原子在沉积岩/变质岩库中停留几百万年，直到山脉形成时，将深埋的岩石推至地表或者很高的高度。最终碳原子从地下被运输到地表。碳沉积岩在风化中分解，有机碳与氧气反应形成CO2，以气体的形式回到大气中幻灯片8库的概念l 库一般以在特定时间其内部物质储存的量来表示，单位一般采用质量或体积（化学家最常用的是摩尔），地球系统中碳库的单位一般是十亿吨（Gt）l 对流经库的物质来说，库是其临时的储存地，因此库的大小是随着物质流入流出的不平衡状态而变化的。幻灯片12库的相关概念l 如果库的流入流出量达到平衡，使大气中CO2的量保持不变，我们可以说达到了稳态，任何流量的不平衡都会导致CO2含量发生变化，当流入量超过流出量时， CO2水平升高（北半球冬季）；当流出量大于流入量时，CO2水平降低（北半球夏季）。幻灯片13停留时间与稳态l 停留时间=稳态时储库的大小/流入或流出的速率llll 由图可知，假定大气处于稳态，碳在大气中的停留时间是760Gt(C)/60Gt(C)=12.7年，即碳在大气中的更新周期。幻灯片15特征响应时间l 我们可以将停留时间看做储库对不平衡状态的响应时间。以大气中碳为例，如果光合作用停止，而呼吸和分解保持现状，那么大约12年后大气中CO2含量升高一倍。因此停留时间就是对这种不平衡现象的特征响应时间，类似于半衰期的概念。幻灯片16短期有机碳循环光合作用、呼吸作用、产甲烷作用、生物泵短期有机碳循环幻灯片17短期有机碳循环l 短期有机碳循环包括我们可以日常观测到的日变化或季节变化。如光合作用和呼吸作用，以及缓慢的分解过程。此过程的关键一步在于光合作用让无机碳向有机碳转化。光合作用的全球效应一般叫做初级生产力，指地表单位面积单位时间内光合作用所生产的有机物的量。初级生产力取决于初级生产者即植物（也可以是其他光合作用的生产者）的群落大小。幻灯片20初级生产者碳库生物量l 大部分光合作用每年都会产生大量的可再生物质，如树叶。这种循环再生机制是导致keeling曲线季节变化的原因。但是构成植物细胞组织的有机碳都有几十年的停留时间，因为陆生植物的有机碳主要聚集于生长缓慢的树根和树干中。l 生物量是指在特定储库中活体生物的有机质总量。幻灯片21呼吸作用l 与生产者相比，消费者生物量只占很小的比例（大约1%）。消费者用于新陈代谢的能量主要来自于储存在植物组织的化学能，通过消化植物组织和呼吸作用得来。呼吸作用是光合作用的逆反应。幻灯片22