全球环境变化(第二章)

5/19/2020,.,1,（TelE-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（GlobalEnvironmentChange）,.,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20000km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100km20000km，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CO2、CH4、N2O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CO2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51015g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CO2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108a107a尺度，大冰期相隔的时间大致为2.5108a3.5108a（银河年）。（2）冰期和间冰期：105a（3）副冰期和副间冰期：又称为冰阶（Stadial）和间冰阶（Interstadial），104a，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：103a102a（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,表地球史上的大冰期与大间冰期（单位：108aB.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,表地球史上的大冰期与大间冰期（单位：108aB.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GiovanniArduino(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（33rdIGC,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2.588Ma；（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（QuaternaryGeosciences）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