全球环境变化地球系统科学.ppt

宇宙环境系统宇宙环境系统 宇宙与天体 一、宇宙与天体一、宇宙与天体 n人类对宇宙的不断探索！ n20世纪20年代，哈勃发现红移红移和蓝移蓝移现 象 n膨胀宇宙 三种形态：开宇宙、开宇宙、 闭宇宙和临界宇宙闭宇宙和临界宇宙 n人类的有限观测:150 亿光年； n宇宙中的天体：物质 的存在形式（类星体 、脉冲星、恒星、星 云、行星、卫星、星 际物质，以及黑洞等 n宇宙的特性 宇宙的物质性物质性（基本 粒子（微子） 宇宙天体结构的系统系统 性性 宇宙的运动性运动性（宇宙 膨胀、天体运动，星 体内部运动等） 宇宙形成 n n 大爆炸理论大爆炸理论 n n 150150亿年前？亿年前？ n n 9090100100亿年前亿年前 太阳、太阳系 n太阳的半径约70104KM；是地球 的109倍，太阳体积约 1.41018KM3,是地球的130万倍。 n太阳的物质组成： H(78.4%),HE(19.8%),其次为 C,N,O和其他金属等。 n太阳的能量： 太阳辐射，仅1/20亿为地球接受。 E=mcE=mc 2 2 4H4H + + -He -He 4 4 + 2e + 2e + + +2v+r +2v+r (2)(2)太阳的大气结构太阳的大气结构 太阳炽热的气体火球 n内部稠密气体： 中心区（核反应区）、辐射区、对流区 n外部稀薄气体： 光球：太阳黑子、光斑； 色球：耀斑、日饵； 日冕：太阳风 （3 3）太阳活动对地球的影响！）太阳活动对地球的影响！ 地球环境系统 地球环境的演化 n n 地球的年龄地球的年龄:地壳年龄约46亿，地球约50 70亿年 n地球的演化: v固体圈层的形成和演化 vv大气圈、水圈的形成和演化大气圈、水圈的形成和演化 vv生物圈的形成和演化生物圈的形成和演化 n n 地质历史地质历史：地质年代表（表地质年代表（表1 13 31 1） 地球的结构 一、地球的内部结构一、地球的内部结构 n地壳：大洋6KM，大陆35KM,总平均 16KM.康拉德面康拉德面把地壳上下分为硅铝层 （不连续）和硅镁层 n地幔：莫霍面莫霍面和古登堡面古登堡面之间。 n地核：外核、过渡层和内核 二、地球的外部结构二、地球的外部结构 地球的运动地球的运动 A A、地球的自转地球的自转 n自西向东，逆时针旋转（北极） n恒星日、太阳日和太阴日 n地球自转速度：角速度和线速度，周期性变化（34 月最慢，8月最快） B B、地球自转的意义地球自转的意义 o产生两极和赤道； o形成昼夜变更； o形成地方时； o使水平运动的物体偏向 o产生潮汐摩擦阻力 o造成地球整体自转同局部运动的差异 C C、地球的公转地球的公转 恒星年和回归年（春分点） 地球公转轨道接近圆的椭圆； 近日点、远日点，平均1.496108KM（天文单位） 黄道面地球公转轨道面；黄赤交角（23。26） 岁差（少公转59“.29） D D、地球公转的意义地球公转的意义 太阳直射点的周年变化（南北回归线） 正午太阳高度的变化 昼夜长短的变化（当地地理纬度和太阳直射点位置有关 ） 四季和五带的划分 参考书目： n时间简史从大爆炸到黑洞（史蒂芬 霍 金著，许明贤、吴忠朝译） n n 地球我们输不起的实验室地球我们输不起的实验室（斯蒂芬.施 奈德著） 地球系统科学 全球环境变化研究全球环境变化研究 n人类环境系统永恒的主题 n人类环境系统的演化 n生态圈、生物圈、智慧圈和人类圈 人类研究地球环境研究的推动因素 n作为行星的地球 n用于实际利益的科学 n新的推动因素？ 全球环境变化（人类活动作用） 作为行星 的地球 用于实际 利益的科 学 全球环 境变化 地球系统科学：三个推动因素 全球观点的出现 n过去几十年中三大重大发展向我们揭示 ：地球是各部分相互作用的综合（整体 ）系统。对这一系统的研究应当超越学 科界限。 n第一、很多传统学科自身的成熟性，促 进了对于各学科间基本联系和相互依赖 的认识。（海洋学、大气科学、地质学 、生物学） n第二、我们可以从空间对地球进行全球 性的、大尺度的观察。地球科学研究必不可少 的手段。同时，从空间观察地球还排除了国家政治界 限，促进了地球上人类具有共同命运这一意识的形成 ，极大推进了目前全球环境变化的国际合作研究。 n n 第三、人类活动人口、技术、经济的第三、人类活动人口、技术、经济的 在导致全球环境变化中的作用日益在导致全球环境变化中的作用日益 增大。增大。 n传统学科的成熟性，从空间对地球进行 全球观察以及人类活动在全球变化中日 益增长的作用促进了地球系统科学的发 展。 当今地球环境研究的新目标： n通过描述地球系统各部分及 其相互作用的演化、运行， 以及在所有时间尺度范围内 将会怎样继续演化等，获得 对整个地球环境系统的科学 认识。 n n 在所有时间尺度上认识地球在所有时间尺度上认识地球 环境的演化环境的演化。 面临的挑战： n发展预报未来几十年到百年内将发生的 、由自然和人类活动引起的全球环境变 化的能力。 现在是采取行动的时候 n科学知识的成熟 n新技术的出现 n高度的世界性的政治意识 和利益的形成 n科学家国际性努力的结果 地球系统科学 研究全球环境变化的新方法 A A： 2020世纪的地球科学研究工作回顾世纪的地球科学研究工作回顾 n 1905 通过横越大西洋无线电传播揭示了电离 层的存在 n 1906 对地球年龄进行了放射性年代测定 n 1915 提出大陆漂移假说：有证据但无机理 n 1920创立冰期的米兰柯维奇理论 n 1930 创立大气臭氧层的第一个综合性理论 n 1948开始了数值天气预报 n1957 国际地球物理年（IGY）开始和空间时 代的开端 n1958探险l号发现范艾伦（Van Allen） 辐射带 n1958开始对大气二氧化碳进行长期测量 n1959出版精确的北大西洋海底图 n1960 首次获得地球的卫星影象 n 60年代岩石圈板块结构和大陆漂移机制得到 公认 n 1971 通过月球、岩石年龄测定确认地球一月 球系统的年龄为45亿年 n 1972发射用于进行陆面观测的 1号陆地卫星 n 70年代确认催化循环可导致平流层臭氧层破 坏 n n1977在海洋扩张中心地带发现厌氧生物 n1978发射用于进行海洋和大气观测的海洋卫星 和雨云7号卫星 n1981 从空间研究地球极光 n1983 用 VLBI直接测量大陆漂移 n 80年代 对南极“臭氧洞”作了进一步研究 n1986 ICSU 签署了国际地圈一生物圈计划（ IGBP） n1995 开始实施地球系统科学的观测计划 n n 2121世纪的全球环境变化研究世纪的全球环境变化研究：国际性合作研究 计划的实施。 B B：地球系统过程地球系统过程 大气湍流 大气对流 火山爆发 地震周期 营养循环 土壤侵蚀成矿作用 土壤发展 上层海洋混合 厄尔尼诺 全球天气变化 大气组成 地球起源 板块构造 造山作用 海洋环流 特征空间尺度 秒 分 天 年 百年 万年 百万年 十亿年Log(s) 1km 10km 100km 1000km 10000km 图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度 全球变化的五个主要时间尺度： 1、几百万年至几十亿年。在一亿年之内，地球 很快地形成。此后金属核（它产生磁场）明显 地与其上的对流地幔和岩石圈隔离开。这些系 统运行的特征时间尺度为几百万年。生命的演 化及与此有关的目前大气化学成分的演变具有 类似的时间尺度。 2、几干年至几十万年“冰期和间冰期之间的交替 （连同大气化学组分中的相应变化），土壤的 发育，以及生物种类的分布，它们主要是由地 球围绕太阳运动的轨道变化而引起的这种轨 道变化具有几万年的循环周期。 3、几十年至几百年。那些对地球上某些生 命形式的存在有威胁的变化气候变 化，大气化学成分的变化，地表干燥度 或酸度的变化，以及地球和海洋生物系 统的变化在未来的十年至一百年间 应予认识和预报 4、几天至几个季度。天气现象、洋流中的旋涡 ，极区海冰覆盖的季节增长和融化，地面径流 和风化以及植物生长的年循环等，都受制于由 日射年循环调节的时间尺度范围内。大部分生 物地球化学循环的反馈过程是通过为主要子系 统提供能量的辐射过程的交替而发生的。 n 地震和火山爆发都是在相当长的时间尺度内固 体地球内部进行调整的一种瞬间表现形式，这 种灾难性事件的突然爆发掩盖着一个基本事实 ，这就是为积累使这种事件重复所需的能量需 要有几十到几百年的时间。 5、几秒至几小时。陆地、海洋、冰、大气 和生物群落之间的质量、动量和能量通 量全部由时间尺度小于一天的过程所支 配。在陆地和大洋，这些交换以湍流输 送作为介质而发生，而湍流输送本身又 部分地受逐日加热循环的影响。 n上述时段中的前两个具有较长的时间尺度，它们包括 属于传统地球科学地球物理学、地质学和地球化 学领域的那些现象。而在大气科学、生物科学和海洋 科学的研究中，则着重于最后两个时段。中间时段包 含几十年至几百年时间尺度的全球变化中直接出现的 那些过程和效应。 n n 生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间 时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要 。为迎接这一挑战，地球系统科学首先应当融合地球 科学、大气科学和海洋科学的知识以及地球生物系统 的知识，以便认识乃至预报人类生存时间尺度内地球 系统的演化。因此，这一方法应当阐明那些共同产生 中等时间尺度的行星规模变化的现象和过程之间的相 互作用。然后，将这种新知识纳人反映地球做为一个地球做为一个 动力学系统运行动力学系统运行的有关科学结构中去。最后，还必须 用地质记录中的长时间尺度过程的证据对这一结构的 适用性进行检验。 C:地球系统是如何运行的:概念模式 nC1:几千年至几百万年时间尺度 在几千年至几百万年的时间尺度范围内，固体地球变化的那些不 可抗拒的过程主宰着所有其他过程。各种早期地球过程，从来自 微星体的最初始积聚到生命的起源，发生在距今几十亿年以前并 决定了地球系统的长期演变阶段。在这些早期事件以后，地球的 历史便由下述三类主要过程所决定： n地核和地漫过程。它们主导着地球的主要磁场，几乎涉及地球的 所有质量和动能。 n板块构造过程。其作用在于通过地壳的形成和破坏以及大陆的形 成而产生地表地形。 n太阳驱动过程。其作用一般在于使高于或低于海平面的地形起伏 剥蚀夷平，并使物理气候系统和生物地球化学循环系统趋于多样 化。 n 早期地球过程 古气候历史 地核和 地幔过程 板块构造 太阳驱动过程 图: 几千年至几百万年时间尺度地球 系统过程简化模式 C2:几十年至几百年的全球环境变化 n n什么因素支配着地球的气候？ n在决定全球的温度和降水中，大气和 海洋有何作用？这两个巨大的流体系 统间相互作用的特点是什么？ n对维持地球上的生命有重要作用的元 素碳、氮、氧、磷、硫等是怎样 在地球系统各分量之间循环的？这些 元素循环的扰动所产生的全球影响是 什么？ n尤其是人类活动对全球的物理、化学 和生物环境的影响如何，怎样提高人 类预测未来十至百年内可能出现的、 自然和人类活动诱发的变化的能力？ n正是几十年到几百年这一时间尺度内， 自然变化对人类有着重大的影响，且人 类活动对全球过程的影响也最显著。在 这一时段内，运行着两大类过程：物理物理 气候系统和生物地球化学循环。气候系统和生物地球化学循环。 古 气 候 系 统 人 类 活 动 物理气候物理气候 系统系统 生物地球生物地球 化学循环化学循环 几十年至几百年尺度地球系统过程的简化模型 n物理气候系统 包括控制着地面温度和降 水分布的大气和海洋过程，包括由于太 阳加热的不同而产生的运动以及冰雪覆 盖的变化。它包括大气物理学和大气动 力学，海洋动力学以及地球表面温度和 能量平衡等各个子系统。(fig.2.4) n生物地球化学循环是指诸如碳、氮、磷、硫这 类关键物质通过全球环境的物质流，包括它们 对全球环境中生命物质的影响（及受后者的控 制）；它们以不同方式形成了与物理气侯系统 连结的独立系统。它包括海洋生物地球化学， 地球生态系统以及对流层化学等各个子