地球系统科学讲义

目录1.全化.....................................................................................2三个问题：当前全球环境问题（温室效应和全球变暖P、早期全球变化（短时间尺度的全球变化P、地球系统的运行（雏菊世界P7最应该关注的变化P）人响资录寻19以前二氧化碳浓度PK界与白垩纪—古近纪物种大灭绝的对（白垩纪—古近纪大灭绝研究进展P）2.气应......................................................................83.流.................................................................................12？3系？3系？）4.大识...................................................7（7识8石充、循环20充尺气）5.碳环....................................................................0（P24短：、泵26：碳26环交风矿积8盐酸）

P1）输不？哪库较？2反馈机制能否调节大气中二氧化？质制产？6.地源..........................................................................297.生命对响球升...........................................34响P34据P35现代大气中氧气含量的控制机制7）8.地球历节.................................................................41（P46节石炭）9.更新世冰期…………710.全新化................................................................50（全新世气候主素P53世性期期全新世气候最佳适宜期P50中纪暖期P51小冰期P511火与气候P5211候...................................................................3（基放2测3全球变暖应缓5）.全球变化幻灯片2讲球化幻灯片3暖应暖真存自程地本温的用有数据支撑的一个假说人燃体用幻灯片16全球变化尺度的重要性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占主导幻灯片17短时间尺度的全球变化全：—一幻灯片19对二氧化碳浓度的观测Kee夏威夷最高点Maun山顶（海拔43，此地空气来自广袤无源响幻灯片21Keel明的事实近5年二氧化碳的浓度在增加这种增加趋势在去19以前就存在近5年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势二碳着波势一以，成响2幻灯片22Kee能证明的事情19以前大气中的二氧化碳是如何变化的二从加的幻灯片23探寻19以前二氧化碳浓度在碳？南两中到通过钻取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议仪量数问题气如岛应测试点分布的变均新试的题幻灯片29它议2世纪7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7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。实际情况周累排。幻灯片30北极海冰最小范围变化幻灯片31海化应效应效应欧洲北美贸易的“西北海上通到”每年可以通航数周环冰的可发展北以存机格兰融海高幻灯片32融会海高阿基德律没液的量3幻灯片33变潜果气化增）海平面上升（海）通过检验过去测。幻灯片38林伐后果氧释少物种绝药来失幻灯片39我们最应该关注的变化两个原则：1迫切程度：臭氧层空洞全球变暖物种灭绝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取地点：南极冰盖东方（Vostok极穹顶（DomeC幻灯片42Dom数证明了什么地加是依据的地一碳慢此因？幻灯片45白垩纪—古近纪大灭绝研究进展65年前小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯地区（20科学杂志；证据，全球K层分界线富铱黏土层幻灯片46阳度变化幻灯片47淡谬根光情地寒冷目前的实测结果显示3亿年前地球就有液态水的存在而3亿年前就有生物体存在了可能的解释：地球早期的温室气体含量远高于现在。4随问太具持的？幻灯片48Ga假说Jave提出：维持地球气候稳定的正是生物自身，生物可以通过光的就球自。幻灯片49Ga假说这规及的。幻灯片50统论方法系法有所的很。人二化化，的神系统等幻灯片51系的成分系称物描量统—内结系）幻灯片52系的状态用系征性系统成分可控内泌仍温。幻灯片53合分在相互得向些。幻灯片54内各合例子：空调5正耦合耦之进箭示负耦合耦之进因素。用圆形箭头表示幻灯片55馈环空子的的变化制。例图幻灯片56循例学生期中考试考砸了，老师找他谈话，老师的谈话方式可能是（讨论。可能的结（）老师严厉批评，学生知耻后勇，期末考试丰收（负反馈循环，批评成为激励）老师严厉批评，学生自暴自弃，期末考试继续退步（正反馈循环，批评成为打击）老师好言安抚，学生重塑信心，期末考试丰收（负反馈循环，安抚成为打气）老师好言安抚，学生忘乎所以，期末考试继续退步（正反馈循环，安抚成为放纵）幻灯片57反环馈环馈环降低动影响使于定放扰响使系更稳定幻灯片58号定乘则为循负幻灯片61衡态正常情况下，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646系环模同自然系统的成分通常是能量和质量的累加或者蓄积应间有有母。幻灯片65界衡对馈如统一定衡维稳的衡态。自循馈规析幻灯片66近1来五次最大火山爆发的平均气候响应幻灯片67扰和强迫系。扰硫遮，地温后通清统这扰恢来强迫：对于系统持升。幻灯片68地球系统对强迫的反馈前到球辐，JaLove提ock出了Ga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雏菊界上世纪8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Ga说提供了依据。幻灯片76平衡系统对强迫的响应续统在强迫稳定循始么光的雏菊处？幻灯片81雏菊世界给我们的启示首行部并的其具反循而已7再次己世并度雏长）幻灯片82雏菊世界给我们的警示系常些旦这值速于测预带可后。幻灯片83一假白界姊：白界哪个平衡状态是稳定的态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是比大还是小气候模型与温室效应幻灯片1结地平。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3摄氏度的温效应。云方支，。与馈。幻灯片5效理电磁射黑体射行能衡大气分结构温效物制气候反过程幻灯片6量单垂区积的小决的小。8幻灯片9反行候通过平比火也于我们了解地球过去3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，，。幻灯片10体射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%或质。幻灯片15Wi律计算太阳光谱太阳的表面温度是57据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为50近可围很的适利用了太阳光谱的特点）幻灯片19能衡根上理本下将述。第假能能事完者球发一球）幻灯片20表决素到达地球轨道所在处的太阳辐射通量（）地球的反照率（）大所温温）幻灯片22表决素为响做辐为T样我们可以通过Stefanlta计算地球发出的能量。幻灯片23能公算应计算得到T=255K,-氏度左右，地球实际的表面均温室1摄氏度左右，因此温室效应使地球表面增温3摄氏度。如果没有温室效应，地球上的温度将不适合生存。幻灯片27层交式9辐射收对补地循程潜（是洋转到中—概念幻灯片30效物因前室有出3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。那么为而？幻灯片31分子运动及温室气体H2O幻灯片32H子运动特性H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H子时，H子就会加快运动或旋转频率，并获取电磁波的能量。H的O分子结构能够吸收波长大于1微米的热红外辐射以及微波辐射。H分子旋转波段一直延生到微波波段（大于10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34C子运动特性C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1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C够在温室效应中起到关键作用的原因幻灯片35N、O2的特征对可负的会收幻灯片38天反应阴温，较。在样。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3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1右，根据行星能量平衡公式，地表的有效辐射温度将升高1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1摄氏度幻灯片3910低射支高的晶薄辐但吸自不红对明显低云辐反辐射幻灯片42模介有地支杂预的温变化于候利有信比富。幻灯片43GCM型在所有模型中最完整的一类计算机模型为大气环流模（G有时也称全球气候模平结气GC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的化。但是其缺陷也很明显模量时。幻灯片44一维气候模型——RCMsR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和接收的能量，以及最低几层对流和潜热释放效应R型可计算每层的温度。由于其上型。幻灯片45R型计算的C增效应R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C度从2世纪初的300ppm增加到600的温度变化R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氏度（这个值相当于雏菊世界中的T。幻灯片46候反过程事实，C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虑程幻灯片47馈程水大都结表降将的凝11出的水率气效。水作动。幻灯片49将水蒸气循环加入RCM假定水蒸气对由于C增引起的升温Δ 01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RC水蒸气反馈计算结果是CO2增起升ΔTq2氏度。根据反馈系数可得fΔTeΔ/T0=2.4/1.2=2反馈系数表示在气候系统中，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雪盖照这环。幻灯片52维持地球稳定的负反馈目两馈是地呢？当不系馈作用。幻灯片53馈如地度大红循环水定用。幻灯片54反程云地作多超过了的气者最之是暖。海洋环流幻灯片1洋流、为什么会形成海洋环流？12首的得直。其能度与层对洋加热直洋更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。、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？流当持球面海同右偏氏消海滞时流并面下且向偏改连。流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摄氏度的时候度大而能到减因方难了的。系在纬度在结冰过多会其结是，下深赤展、海洋环流在全球气候系统中扮演什么角色？再比北半中高纬度大洋东西两侧陆地气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5海水温度变化垂直温度13幻灯片11同首的得直。其能度与层对洋加热能成表的气的分来上流。幻灯片15乔森探现南森在1893~1896是乘坐Fr穿越北极，虽外风向有20夹角，这一家 E证实an幻灯片18埃克曼解释南森的疑惑在弗里乔夫·南森跟随“前进号（Fram行北极探险时，发现冰漂移的角度为盛行风的方向偏右20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19他的博士论文中提出了他的成果。幻灯片19埃曼螺旋当持球面海同右偏于抵消海滞时流并海层且向偏改连。幻灯片23埃曼输送把右偏90的地方。水体的这种净输送称为Ek。幻灯片4014配海分比如半球着结响的岸度漠。幻灯片43岸漠南米塔旱地制有焚叠加。对候义海。海慢洋表度变迟样时间尺度上的气候异常。幻灯片49克流原理赤偏上与化的动在洋受后较聚洋形上气。幻灯片55象沃克环流被加强时，也就是上述情景，称为拉尼娜现象；沃克环流被打破，也就是上述情景，称为厄尔尼诺现象。由洋的沃化个压差被称为南方涛动指数（SI幻灯片63海流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摄氏度的候度大而量下海的难了的。幻灯片64球水盐度幻灯片65的源地石海物质河携可进洋15海水发幻灯片66讨论：海水盐度的变化海盐越？答海海生物的山用等幻灯片67盐流幻灯片68盐流我们都知道没有盐度的水在摄氏度的时候密度最大但是有盐度的水呢？据测若盐度为1的时候海水最大密度出现在摄氏度而盐度达到24更高的时候海水度点度增随着盐度的升高而降低。幻灯片72？幻灯片81水成我的相之不联？由过，度在赤展幻灯片94环例由，比如地中海温暖而高盐度的海水与大西洋中部越10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10深处扩开。幻灯片101位概介绍我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，16部同衰他位）幻灯片1021—一种放射性时钟银河系中遥远的射线撞击大气层使得源自中的一个质子变成中子使原子变成14C,1稳定，又会衰变成，衰减一半需要57，再衰减一半又需要57，以此类推大气中1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1含量多少来计算的。大气圈、冰冻圈、岩石圈补充知识幻灯片1冻知识P冰冻圈相关知识P石圈知识点补充测环P4大气圈知识点补充气统幻灯片2冻相知识圈充容幻灯片7圈分大陆冰盖、冰原和冰架高山川海冰冰湖冰积雪多年土幻灯片8度幻灯片9北球积雪北半球中高纬陆地面积广阔，冬夏季节积雪面积相差1倍以上，冬季北半球积雪面积占北纬2°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。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7作用。幻灯片16质衡在这意区不？幻灯片17质衡一旦冰盖厚度达到40左右底部的冰就会由于高（熔点降低和地热开始融化。（大陆地区的地热通量为0.03W/m2冰原底会的兰生冰近一气兰影深。幻灯片21无域造，盐环流无隔热作用无冰水域向大气散热的速度是有冰水域的1同时海洋向大气吸收热也到强。幻灯片23识充、循环识充幻灯片24地部式地地解）火通出来）星通解）幻灯片34海底磁条带古地理重建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亿年老通确位。幻灯片35匙我候况。比历和现此更可的古纬指标。18幻灯片36磁决题岩性断的岩这是古地重的点。幻灯片37来自层热量地幔对作用板块的用力

体生——板块构造运动的推动力幻灯片38自层热量板块构造是地球内部热量散逸机制在地球表面的体现。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0.06）/m2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幻灯片39放性衰变我们之前已经讨论过1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些产衰导球性此射比。幻灯片40对用在、密度降低并上浮（尽管轻物。热层圈石向方动一岩回流被次热。幻灯片41幔流幻灯片42圈流响从上作流脱些形稳张19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43Wilson认地由块出出。幻灯片45识充天统识充幻灯片54NNorthA（Arctic东亚槽

NAO槽相关AtlanticlationOsction幻灯片59作理飓力转向相衡气量空上升过凝放获一多一反只带能作幻灯片60作理幻灯片61成件纬度：南北纬°以外，保证科里奥利力起作用水温：海水温度达到2度以上北半球的夏末秋初热带辐合带（IT）离赤道最远海水表满温度也最高，因此这一时半时期碳和营养元素的循环幻灯片1营素环P1短期有机碳循环：、泵P4长期有机碳循环：20碳P4无机碳循环交风矿积P7碳酸盐硅酸盐地球化学循环P8磷循环与氮循环最养？幻灯片2关题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？库衡。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？ 环213反馈机制能否调节大气中二氧化碳的含量地一机中时释持。4营养物质是如何限制地球上的生产力的？在海洋中需生而些元素高制物素素亦能害物于大物的佳。幻灯片4有循旅假设我们追随一个C子中的碳原子这个C子在对流层漂浮的几十年里几次拜复，C子进入一个植物叶片的气—场子而氢这的经的由机碳幻灯片5有循旅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没树22落覆殖质层这个碳原子成为了土壤的一部分并将在此停留5年约5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C形式排放到大气中。幻灯片6碳环之旅一般情况下，一个碳原子在生命中的循环大致重复5，才会发生一次“遗漏：有碳降被在子微到，被化成。幻灯片7碳环之旅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的与氧气反应形成C以气体的形式回到大气中幻灯片8的念库特质一质（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对流经库的物质来说存因是流平变。幻灯片12相念如果库的流入流出量达到平衡，使大气中C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C量发生变化，当流入量超过流出量时，C水平升高（北半球冬季；当流出量大于流入量时，C平降低（北半球夏季。幻灯片13留间稳态停留时间稳态时储库的大小流入或流出的速率由图可知，假定大气处于稳态，碳在大气中的停留时间是760Gt(C)/6t(C)=12.7。幻灯片15响间我以做衡时大作用停止，而呼吸和分解保持现状，那么大约1年后大气中C量升高一倍。因此停这征衰。23幻灯片16期机循环、泵环幻灯片17期机循环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kee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。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吸用与生产者相比，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在呼吸用是作逆。幻灯片22产烷作用在陆地上，光合作用产生的有机质大约一半被动物和植物本身的呼吸作用所消耗，剩余的则为土壤表层提供肥料补给。地下深处的微生物和菌类在新陈代谢过程中适应了氧境氧物过烷有分来的输气率大约是0.5G每年，)烷碳库大约是5Gt，C)甲烷在大气的停留时间大约是10年，甲烷在富氧大气中极易被氧化形成CO2幻灯片23化侵搬运风和流水会不断的侵蚀地球表面的土壤。一般来讲，每10大约会有5的土壤样就形成了一条陆地向海洋的有机碳输送链，大约每年转移0.1Gt(C)中生产的有机物质的这。幻灯片24海机—产者海中产由作浮其主硅球（风24的层）浮海然与大气交换释放游同。幻灯片27海机—费者浮层部些物不能进合的大机海是与地面落叶的通量相比，这些物质中大约只有1%够最终到达海底。而且海底最上层的需氧或厌氧生进只有0.1%保留在海底沉积物中幻灯片29海机—解者大物一程向深层海洋释放C营养物质提高深层海洋的初级生产力因此这些营养物质如何返回海洋表生。幻灯片30泵浅区合下使C水体表面向海洋深处运输，这个过程称为生物泵。生泵（种分的常均。幻灯片35物限用在海洋中需生而些有元素高制物素素亦能害物于大物的佳。幻灯片36Redf比值ld研究发现所有海洋浮游植物中营养元素的比例都大致相当这一比例被称为Redfield的。素 活的浮游植物中的相对原子数碳106氮 16磷1铁0.01幻灯片3725生的化遥感高光谱影像可以通过力生上？幻灯片38球级产力幻灯片39上级力阳光充足初层而，底初。幻灯片40物中布在洋养级的磷酸收水只有当深在的过积质此盐方而气的要多幻灯片43期机循环碳环幻灯片44期机循环有漏，燃料，有些被构造运动抬升到地表，随后被风化成为地表C这样就完成了长期有机碳岩且沉机留时间长达亿年。幻灯片48环有环到称环。大气中的C溶于水并能发生快速的化学反应形成离子形式的无机碳物质这些离易。幻灯片53海洋对C吸收能力由于化石燃料的燃烧导致沉积岩中的有机碳库加快排放C海洋吸收C量也大大增加海洋越来越多的扮演碳汇的角色但是海洋对于C吸收能力是有限的因为26如化，留在大气中的C例将更高。幻灯片57学化大气中的C于雨水会侵蚀裸露于地表的岩石，此过程称为化学风化。地岩有物盐种们的化学式分别为CaO3aMg(CO3)2分稍复杂，主要存在于火成岩中。幻灯片58学化含在要钙或式硅钙（CaSiO3示含钙硅酸盐矿物质因为在化学风化时只需要风化矿物质中的，体。幻灯片59碳酸盐和硅酸盐的风化硅酸盐风化会消耗两倍于碳酸盐风化所需的溶解态C这个情况对于碳循环是很重要（后论。幻灯片60水的酸盐海、。海洋中的硅藻和放射虫会把海水中的Si化成其骨骼结构的组成部分；球石藻和有孔虫以及珊瑚和贝类，会为自身骨骼组织形成固态Ca前海洋中沉淀的大部分碳通的。幻灯片63酸矿沉积海洋中的浮游植物通过光合作用吸收CO2海洋中的浮游动物是碳酸钙的制造者，他们通过沉积碳酸钙骨骼升高H2度，其结果是促进海水向大气排放C浮游植物有机质与碳酸盐产量之比为4这决定了表层海洋生物的总体作用是造成C浓降。幻灯片6418以来CaCO3丰度变化幻灯片65盐积浮游动物死亡后的骨骼和生分解，在水深小于40的地方，碳酸钙颗粒几乎完整的沉积到海底，这些浅水区的生转分低高及高CO2量不利于Ca累。Ca过程中经过这些腐蚀性水体中会慢慢发生溶解。当溶解速度等于沉积速度的深度我们称其为碳酸盐补偿深度(CCD)7幻灯片66C海底沉积物组分在C下以贝壳和骨骼形式存在的碳酸盐物质会在下沉的过程中完全溶解而不沉至底有沉积。洋脊处的碳酸盐沉淀会慢慢随着海底的扩张带到更冷更深的洋盆（C下深度，没酸至C下发生溶解。幻灯片71海洋与大气中C净去除量之参盐盐化淀为被因硅酸盐出后形淀。幻灯片72海洋与大气中C净去除量硅酸盐风化需要个H2，而碳酸钙沉积的时候只有一个H2被释放由于二氧化硅最终会被硅藻和放射虫用来制造骨骼硅的碳酸盐沉淀这两个过程的净效应就是将大气中的C化为固态碳酸钙。幻灯片73中CO2图幻灯片74碳酸盐硅酸盐地球化学循环幻灯片75碳循环沉聚到高将变就沉生矿碳：CaCO3+SiO2 CaSiO这一过程被称为硅酸盐的变质作用，与海洋去除C为逆反应。幻灯片78碳酸盐—硅酸制地山盐碳？地一机火释持。28地球和生命起源幻灯片1源从地球唯起20年4月1日安大博学北楼B4教室胤昊幻灯片7说太相对较的域将身理体能部够聚应一新星就生。幻灯片8说星收产小度快一称。幻灯片9星云说证据——BetaPictoris幻灯片10行的形成一旦日星合，太的同也始的一些气体在20的高温下冷凝成岩石物质（金属和硅酸盐矿物质；而距原始太阳较远的位置结冰物质为H甲烷和氨这就是类地行（水金火主要由岩石构成；的。幻灯片11早期地球的岩浆海想象图幻灯片12行的形成日星云中而星吸聚形星行在星。地增的核的大使核。29幻灯片15木星对早期地球的影响木星的质量是地球的3倍科学家们相信这是由于木星核开始增大的时间很早从使行星对地球的碰撞在生命进化总都起到了重要的作用能响着地球上的生命进化。幻灯片16月的形成共同增长理论时）裂理球转）捕生内被）以令观。幻灯片17月的形成根同素分于低月后熔岩。有所，。幻灯片18说幻灯片19说大学（火有两捕小角能大。我球利。幻灯片20撞时证据月陨球表都火作修了多次来水分和其他挥发性化合物。这个过程一直持续到3亿年前。幻灯片21海—论碰撞气程期发入实中能地表面处于炽热于者的再30蒸发（任何直径大于45外来物都足够让现今地球的海洋蒸发）幻灯片22续间根面球时间，一直到3亿年前才有所缓和。火星、水星、月球表面的重度陨石坑可以表明早期撞烈碰难气会期成长幻灯片23Ni型与太阳系形成由于在月球上探测到大量的岩石形成于383亿年前，可以得知在那个时期大碰撞可能非常频繁和强烈，而并不是如原先科学家们预计的那样：大碰撞通量从4亿年前到3亿年前这段时间是下降的，那么在383亿年前这段时间，太阳系发生了什么？在20，几个科学家在法国南部城市Ni提出了一个新的太阳系形成模型，这个模型能够解释383亿年前太阳系大碰撞之谜。幻灯片24Ni型与太阳系形成幻灯片25期气组成氮中和气氧。二氧化碳碳量其分压可达60~80bar幻灯片26逃大化幻灯片27命源190Oparin-的产生由具有强还原性原始大气（含氢气体）发，有们进。幻灯片30Miller-Urey氨蛋的生。Miller-Urey明地球早期生命产生的重要前提之一是早期大气需要有足够甲这够。幻灯片31合气成31解示意CO+VCO+OH2OOHO2+H如果这些反应中的原子逃逸到太空中那么就会出现氧气的净生成但是这并不代表非生物行星大气中的氧气可以累积起来还原性气体C和H可以消耗掉所有光解产生大示。幻灯片32大分布幻灯片33生著论R界理论星子论海热出论幻灯片34R界理论19年Thomas和Cecheytm蛋白质之前产生的证据，他们发现一类特别的R子能够自我复制且不需要任何其他分子的帮（D子的复制需要蛋白质构成的复杂的酶帮助。因此，科学家们猜测最早的生命世界是仅仅基于RNA的世界。为此我们需要了解R分子结构幻灯片38R学成分的合成如果基于R生物体最先产生，那么生命起源的第一个需求就是合成核糖和四个碱基。核糖C5H成是由个H2CO甲醛分子组成。这一步是很容易实现的，在弱还原性的化现个虑最简单的腺嘌呤C5H5N5是由个氢氰酸H成的，Milley明H产生原理。但是在早期的弱还原性大气中，、原子会优先与C的原子结合，因此大气中的C于H生成便十分重要幻灯片39子论尽管H2H理论存在的可能，但是它们浓缩到足以进一步反应的机会很小，且形物它遭化应的。19科学家发现星际尘埃中包含了氨基酸等有机化合物星际的低（大约1K杂被日了在45前的大撞击时期大量降落到地球上幻灯片40热出论32热喷一于各是温度很高（3氏度）生是境幻灯片41起间论2世纪中叶以前，古生物学家普遍认为生命的起源是5年前的寒武纪初期。这个生存化。这明经化更。幻灯片42Apex微化石rt早于天外来客，直到本世纪初期在澳大利亚Apex发现，引发了地球生命的时新。Aph石的年龄有3亿年，其结构看起来与现代细菌很像，但是这些外观并证物更多新的微化石，其中不少可能与生物残骸有关。特别是在格陵兰发现的38年前轻位有碳。幻灯片43Apex微化石rt幻灯片44古生物学家乐园PilbaraCraton西澳洲的Pilbara前的沉积岩，且由于植被稀疏大多出露地表幻灯片45密生类通过基因密码解译生物学家将生物体的R行排序可以将生物分成三大类细菌单，等类。幻灯片46幻灯片47共喜吗我们把注意力集中到细菌生点接生的同先现今能33些如点。这意于出环？幻灯片48否境辑一些生物学家认为，D鸟嘌呤—胞嘧啶键（G在高温下比腺嘌呤—胸腺嘧啶键（A键稍微稳定一些，而超喜温生物中的D经进化成富含G-C，因此这些生物在R序的时候聚在一起，看起来是“古老的。幻灯片49否境辑我们之前已经知道生命可能起源于3亿年（格陵兰轻同位素有机碳如果这个时间点成立，结合3亿年前的地球宇宙环境（Ni型模拟的大撞击，无论哪一种情况，成星洋。幻灯片50否境辑假源据再巨大的撞击毁灭了所有生物除了洋脊附近栖息的生物——因为它们躲避在海面以下2-3千米深处在撞击后的1年地表从碰撞的影响中恢复过来这时来自喷出孔系统始喜生树告我。生命对大气的影响地球上氧气含量的上升幻灯片1生命对大气的影响地球上氧气含量的上升早期生命对大气的影响P2氧气含量上升的地质证据P17现代大气中氧气含量的控制机制P51幻灯片5用用用叶成糖出： 12H2O光+6CO22+6+6O2+6H2O在此作用中，HSH取代HOC原成有机碳。反应式如下：CO2+H2S34C6H12O紫硫细菌等光合细菌采用这一种方式进行光合作用。幻灯片152亿年前地球生命世界的主导者？1对丰度推测甲烷浓度：产氧光合作用产生的1对丰度一般为-25%o-30%o亿年前的1对丰度的极低值很可能是碳通过甲烷的循环产生幻灯片16氧气含量上升的地质证据幻灯片17条带状铁建造（BI）s幻灯片18铁的态亚铁离子Fe2+三价铁离子Fe3+可溶水存在缺环境浅绿色与三价铁离子共同存在的倍半氧化物Fe色不溶水存在富环境棕黄色氧化物Fe色幻灯片19条带状铁建造（BI）的生成时间幻灯片20条带状铁建造的形成条件条带状铁建造能够存在说明1亿年前海洋表层以下是缺氧的；这样溶解态的亚铁离子在以可海出来铁中土那大。幻灯片21边界流与条带状铁建造1亿年前地球上的陆地可能是超级大陆的形式存在，因此海岸带的风可能存在季节性的变化，这会导致边界流方向的改变，从而使得近海大陆架海水时而上涌时而下沉。海水上涌时形成富铁沉积物，其他时间则形成富硅沉积物。一旦溶解态的亚铁离子被带到水面，就会被蓝藻产生的溶解氧氧化，或者是被光养细菌和紫外线辐射氧化。35幻灯片22条带示1亿年前深海缺氧，表层海水含氧，当时大气中氧气，其浓度应该低于现在的值。当边的节。幻灯片23岩屑状沥青铀矿（2亿年前）幻灯片24铀的态U4+U6+不溶水在富氧环境中风化成为U溶于水后在海底沉积可溶水在氧形矿积幻灯片25被流水磨圆后的碎屑沥青铀矿幻灯片26碎屑状沥青铀矿和黄铁矿说明了什么？地球上还找到了2亿年前碎屑形式沉积的黄铁矿（FeS2侵蚀的黄铁矿在河流和溪不是指。岩源风化时期大气中的氧气含量太低而不能氧化价的沥青铀矿根据定量计算表明氧气浓度不超过10-3bar幻灯片27层幻灯片28层大气中氧气含量上升时间段的确定Hein大量的前寒武纪土壤进行化学分析，他发现比大约2亿年更老的大多数古土壤已经失去了大量的铁而在1亿年前到现在的古土壤依旧保存着铁。这很可能是2亿年前大气中氧气含量低，亚铁离子被流水冲走而不能留存在土壤中；而1亿年前之后大气中氧气含量得到了上升，铁离子变成不溶于水的三价状态而留存于壤中。幻灯片36升臭命胁于3米以下，其中二氧化碳和氧气可以吸收2米以下的紫外线，而臭氧吸收200-300紫外线36臭氧吸收紫外线的能力取决于臭氧柱厚度，以Dob（D）计量，个Dobon位相当于地面0.米厚的一层纯臭氧。幻灯片37臭氧域幻灯片38不同氧气水平下臭氧柱厚度部分屏蔽幻灯片39过去2亿年大气中氧气含量变化目前的证据可以推断大约2亿年前是大气中氧气含量开始上升，但是一个比较奇怪的现象是：从2亿年前到文德期（约5.42的化石记录中并未出现多细胞生物所有的真核生物都是单细胞的。如果真核生物在2亿年前就出现了（甾烷为胞化时？幻灯片40多细胞生物的生存条件根据目前海洋生物的观测，发现在海水中的溶解氧，至少要达到当前水平的10%20%现代多细胞生物才能生存（DonaldRhoad可期以氧。幻灯片41早期多细胞生物的特点文德期的生物被称发水母长约3厘米，但是厚度只有1米。幻灯片44显生宙时期大气中氧气含量变化由生细物体除尽有何的壳裹壁。幻灯片45显生宙时期大气中氧气含量变化大约在5.年前，生物获得了制造坚硬外壳的能力，这一变化的结果是古生物化石变细随分使整最出形不为的建立，生物之间捕食被捕食关系的发展，为逃避捕食而发展出硬壳。幻灯片51现代大气中氧气含量的控制机制7幻灯片52碳同位素在光合作用中的运用碳有两种稳定同位素1C1在光合作用中植物吸收含有这两种同位素的二氧化碳速率不同，含有1二氧化碳被吸收的速率较快，因此生成的的有机质中缺乏1C在，被埋的有机碳具有较轻的同位素（缺乏13。因此保留在大气中和海洋里面的碳拥有更多相对较重的同快重幻灯片56几个氧气含量可能较高的时段石炭纪和二叠纪早期（约3~2年前）和白垩纪（约1.~0前：这碳的因因此学家纪趣。石成型纪幻灯片57Ber和anf的研究d幻灯片58显生宙时期大气中氧气含量耶鲁大学Beranf碳同位素数据输入全球碳循环模型并用它们来估但性结果已经泛生，天而。幻灯片62对大气中氧气的现代控制自从泥盆纪晚期植物来到陆地以后（大约3年前，氧气浓度在此水平上下浮动从未超过5证据是从那时起森林一直存在，从未消失；且森林火灾也一直存在。幻灯片63植物陆地球上最早的陆生植物化石出现在晚志留纪至早泥盆纪的陆相沉积物中，表明距今4改变以往陆与，统。幻灯片64植物陆陆生植更产仅拟糖且在光合作用过程中大量吸收大气中的C排放出大数量的游离氧（O，从而改善了成陆展件说便没今日38世。幻灯片65植物陆幻灯片66森林大火和大气中的氧气当林象在19：被确定为苏联第一个首航太空的航天员邦达连科在充满纯氧的舱室里进行紧随一块电极板上，结果舱内燃起大火，他被严重烧伤，1个小时后死亡，成为人类载人航遇于消。19，阿波罗号宇宙飞船载着名宇航员在休斯敦测试台着火。那时候NA飞船舱内使用纯氧来降低发射重量。这场大火以后NA用正常空气，因为他们意识到太燃。幻灯片69森林大火和大气中的氧气如气过引森，但是在实验室用湿火柴棍和碎纸做的试验显示，当氧气浓度达到3，地球上的生物危。幻灯片70森林大火和大气中的氧气森林大火也可以用来设定大气中氧气的下限。根据测试当氧气体积比低于1，火不点自盆纪晚期起沉积木不出结论：最近3年来大气中氧气含量从未低于1%幻灯片71口幻灯片72氧气稳定在窗口内的机制为口光和有掩去因幻灯片73深层用我循大海发，的。深高因氧降气降。39幻灯片74深层用从则有碳分提大。遗支与不在接关为细这细菌可用硝。幻灯片75低纬度海洋中的氧气廓线幻灯片76溶解氧与沉积物中碳磷比率实际的氧气控制机制要稍微复杂一些，海洋生产力通常会受到关键营养物质磷（）含失速率控制的。岩石以浓能量来源其含量高的时候碳磷比（C低于缺氧时期。幻灯片77溶解氧与沉积物中碳磷比率这的接速个的中降沉积物种的C加这种变化可与允许更多的有机碳被掩（海水Redf而额有氧。幻灯片78控制大气中氧气浓度的反馈循环幻灯片79溶解氧与沉积物中碳磷比率尽一于的持大到如变。幻灯片80溶解氧与沉积物中碳磷比率而环会被关闭导致深海缺氧紧接着是高C率的沉积物下沉这种下沉按照之前的负反馈循环将导致大气中氧吸。幻灯片81森林火灾与沉积物中碳磷比率尽上起非了问洋着气中的氧气直范巧么40森林本身与氧气的调节有关这个问题的答案也涉及到沉积物中的C率海洋中的C:P约是10源于树木有机质的C:约是100。:1幻灯片82森林火灾与沉积物中碳磷比率因埋的有少量那么陆地植被利用的磷会进入海洋并降低海洋沉积物的C这些有机质在海底掩埋对于氧气生产的净效应要比循。幻灯片83可能存在的森林控制大气氧气含量的反馈循环地球历史上的气候调节幻灯片1地球历史上的气候调节P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幻灯片2再论早期太阳暗淡佯谬幻灯片3淡谬上气线状型考虑了馈表线代应。按照这个模型，距今1亿年前地表温度降到冰点以下，并在距今4亿年前达到-0氏度以下。我们已经知道地质历史记录显示地球表面在3亿年前就存在液态水。因此模实互。幻灯片4可的解释地热说行反说还原性气体NH3室效应说（Saganullen幻灯片5碳硅—影响大后响41幻灯片7面含量陆面小洋底化影响火活率幻灯片8面含量如果二氧化碳和水是早期地球仅有的温室气体，为平衡3太阳光度减少量，那么二氧化碳最低含量需要达到现在大气中二氧化碳含量的10，这个数字看起来多，但实早地化碳含量可能达到现在的1万倍，在这种二氧化碳浓度下地球表面温度可以达到80~90氏。幻灯片9面含量幻灯片10代候响二氧化碳很可能不是唯一的温室气体；在2亿年前氧气含量很低时，甲烷含量可能相产含的互）幻灯片11代候响早磁铁（Fe被还原为氢气但是水中如果含有二氧化碳的话就会生成甲烷而不是氢气一旦适量的甲烷生成可能会有助于生命前体分子H合成一旦生命开始演化，产甲烷菌会大大加速甲烷的生成。理论模型表明，38前大气中甲烷含量可能大于100ppm幻灯片12代候响甲，霾。哈佛大学的Rob据2亿年前（太阳光度是现在的8的古土壤数据建立了化上中没有甲烷的时候，二氧化碳浓度需要达到现在的6，而甲烷浓度达到 1化碳浓度只需要达到现在的1倍。幻灯片13代候响幻灯片14的据根据R古土壤样本数据的研究表明当时土壤样本中没有菱铁（Fe铁矿42是亚铁离子与碳酸上虚线的一表的浓要室。幻灯片17时橙吗现在天空中由于气体分子对于太阳辐空射到者候象用称为瑞利散射（较短。因们的视范内被方此红的幻灯片18图幻灯片19时橙吗如太一发展实室据温气甲成反。幻灯片20反室应”最先由NAm究中心的一篇研究土卫六气候的文章中使用具体是指太阳光在高气被这样球表会。幻灯片21反室应”以上分析似乎表明早期地球会越来越热，直到超过生命存在的最高环境温度1氏本也收量释放使冰会大量死亡，雾霾变薄。幻灯片22室候节地表温度化雾循温甲度氧含少烷厚生效可的解代现。43幻灯片25质据由于早期地球被海洋覆盖而由于固体地球循环我们目前只能在海底找到亿年以内岩因的难前地记中的氧同位素）显示太古宙时期地表温度在7摄氏度左右，原生代大部分时期温度都高于5摄氏度。这是生物学家喜闻乐见的结果，但是与其他记录中显示的地球早期冰期矛。幻灯片26质据寒气古为同的向气纪么时生大多为单细胞——单细胞。幻灯片27的期根据冰川证据记录，地球历史上发生过六次大冰期，最早一次是在2亿年前，目前关于这次冰期的记录资料还非常（南非附近接下来是2亿年前的冰（休伦冰期，之后是长达1亿多年的无冰期，一直持续到前寒武纪。关于这次冰期，目前的解释是2亿年前大气中氧气含量的首次上升，导致还原性的甲烷被大量氧化，温室效应大幅导。幻灯片30间冰据冰碛石冰川横漂石幻灯片36冰地证根据休伦湖断层组岩层放射性地质年代测定显示该地层年龄在22间最底层沥铀碎示表伦氧。幻灯片37幻灯片38休伦冰期后的温度上升休碳此远致通产再得。幻灯片3944球球距今大约6~前期间气候再次变冷在地球如今的个大陆都有证据表明在那时是期根的大原的磁与最基行说在间明了球球件。幻灯片407年前大陆分布图幻灯片41生因之一期度就些氧低。对，即氧气含量对后。幻灯片46分雪球我们之前注意到7年前世界陆地大多分布在低纬度地区这样的情况会导致的一个效应就是来直这二持减为。这也可以解释为何的。幻灯片47雪球地球的形成和持续一旦冰原到达南北纬30附近，海洋会在几十年内以惊人的速度开始结冰，直到在赤道对接，地球反照率翻倍到0上，地表温度降到-氏度以下。然以完发碳大气中堆积而无法消除。按照当今火山喷发的速率和频率，10年就可以使二氧化碳浓度达到0.1bar效应使得冰盖开始融化，冰—反照率间的正反馈可以在几千年地全。幻灯片48地其据条带状铁建（BI在之前我们了解到绝大多数BI约是在18前在缺氧的深海中形成的，令人惊讶的是在新原生代雪球地球时代BI一次短暂再现，且出。BI再现可以用雪球地球来解释，因为全球冰盖阻止了大气中的氧气进入海洋，海积来累积，最终在冰盖融化后上涌到大陆架上并沉积下来。幻灯片54地其据45纳米比亚两个新原生代冰期沉积物正上方有一层厚约4的碳酸盐沉积物这些沉这过如沉会酸度度层然球是解。幻灯片55幻灯片56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寒武纪以来的气候调节幻灯片57大期我气且但是在石炭纪出现了氧气含量的一个高点，且对应了有机碳的大量掩埋（，碳的掩埋会减碳。幻灯片58中气温幻灯片59的代中生代长达2.年，这个时代的气温要比现在温暖的多，因为这个时代大型动物种类丰富由此化石资料也比较齐全在亿年前的白垩纪中期蕨类植物和鳄鱼出现在西伯利亚白度比现在高2氏度；极地温度比现在高20度。幻灯片60中气算幻灯片61温暖中生代的其他证据根据深海碳酸盐沉积物中氧同位素比测量值，中生代深海的平均温度为1摄氏度，而今天只有摄氏度。氧素水量幻灯片62的因显生宙大气中二氧的是现在的倍就能产生白垩纪中期的高温现有的海底地（终于到了两亿年之内可以物在俯冲带潜没的更快作样二也面减慢幻灯片6446据理二氧化碳含量充分的时候生物吸收1C1而二氧化碳匮乏时不具有选择性因此较低的13C高二氧化碳浓度，亦即较高的全球气温。幻灯片67影生的因素尽二浓据候型地不高一流层并极域层流延有。幻灯片68新代降温大约在80年前开始地球气候逐渐变冷，最初这是由洋脊扩张减慢导致二氧化碳含量降低导致的；然而在30年前的渐新世，温度降低的趋势开始加剧，这种趋势与海底扩张速率不再相关。Maureen和Raymoam提出了一个新理论。该硅受干。幻灯片69新代降温40年前印度古大陆与亚欧大陆碰撞形成青藏高原。面积广大的青藏高