全球变化的驱动力

全球变化的驱动力第1页，共80页，2023年，2月20日，星期三导致全球变化的驱动力：周期变化的因素：如太阳活动、地球轨道参数变化，其作用是连续变化的，可导致全球环境的周期性变化；非可逆性变化的因素：如太阳长期演化、板块运动，其作用是持续性的，可能导致环境的非可逆性变化；随机发生的因素：如火山活动、小行星碰撞，其发生的时间不确定，作用过程暂时，但所导致的全球变化既可能是短期的扰动，也可能是长期的不可逆的变化。第2页，共80页，2023年，2月20日，星期三驱动力分为四种类型（以来源看）：地球外因素地球内力因素人类活动地球系统内部的反馈作用与全球变化第3页，共80页，2023年，2月20日，星期三1、驱动全球变化的地球外因素有：太阳活动地球轨道参数的变化地外物体的撞击作用第4页，共80页，2023年，2月20日，星期三

太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程。其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。1）太阳活动第5页，共80页，2023年，2月20日，星期三1（1）太阳辐射的变化——长期变化第6页，共80页，2023年，2月20日，星期三

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。第7页，共80页，2023年，2月20日，星期三小大（2）太阳活动——短期变化第8页，共80页，2023年，2月20日，星期三1）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。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。第9页，共80页，2023年，2月20日，星期三树木年轮14C浓度变化与太阳活动关系大气圈产生14C的多寡取决于宇宙线的强弱，而宇宙线又受到地球磁场的影响。当太阳活动强烈时，由于地球磁场的作用，进人大气圈的宇宙线减少，则产生的14C较少；反之，大气中产生的14C浓度增加。大气中14C浓度变化会被树木年轮记录下来。目前，已经从树木年轮中获得了近5000年来△14C的记录，用以表述太阳活动变化。原因：第10页，共80页，2023年，2月20日，星期三2）太阳黑子活动在101～102年尺度上均存在显著的周期变化。如11年的沃尔夫周期、22年的海尔周期、80年的世纪周期、180年的双世纪周期等。第11页，共80页，2023年，2月20日，星期三太阳黑子数变化，虚线为观测值101～102年尺度上周期变化第12页，共80页，2023年，2月20日，星期三如太阳辐射变化1％，地面平均温度可变化1℃左右，冬半球高纬度的地面温度变化可能为平均值的2～3倍。大气环流模式的模拟结果表明，太阳常数增加2％，地面气温可能上升3℃；减少2％，地面气温可能下降4.3℃。分析过去的气候变化与太阳活动的关系发现，太阳黑子活动弱时气温偏低，历史上太阳活动极小期是冷期。3）太阳活动增强时太阳辐射也增强。第13页，共80页，2023年，2月20日，星期三2）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第14页，共80页，2023年，2月20日，星期三A、黄赤交角B、岁差C、偏心率41000年周期第15页，共80页，2023年，2月20日，星期三周期约41000年。在几百万年内，黄赤交角的变化范围为21.65º~24.6º（当前为23.44º

），好象船的左右摇摆。黄赤交角越大，冬季和夏季接受的辐射量差异越大。若黄赤交角减小，极地地区变暖，反之，极地寒冷。黄赤交角：-41000年周期第16页，共80页，2023年，2月20日，星期三据N.Ekholm(1901)计算，在距今28300年时地轴倾角最小为22.1º，高纬度冬暖夏凉，70ºN地区夏半年气温比之公元1883年低3.8℃；在距今9100年前地轴倾角最大时，高纬度冬寒夏热，70ºN地区夏半年气温比公元1883年要高2.4℃；第17页，共80页，2023年，2月20日，星期三周期约21000年。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，北半球冬暖夏凉；经过10500年，近日点的时间将在7月，情况相反。岁差：第18页，共80页，2023年，2月20日，星期三周期96000年周期。大约96000年的一个周期内变化于0.005～0.0607之间（目前为0.0167），从圆形→变偏（椭圆形）→圆形。目前的偏心率为0.0167，日照量的差别为7%，偏心率越大，冬夏季节的长短差异越大。偏心率：第19页，共80页，2023年，2月20日，星期三如果太阳辐射量稳定不变，那么上述三种变化联合起来会使地球接受的热辐射量发生变化，从而使地表平均温度也按一定的规律发生变化。第20页，共80页，2023年，2月20日，星期三“轨道驱动”理论的提出：米兰科维奇综合地球轨道偏心率、地轴倾角和岁差现象对于太阳辐射的影响，按照冬、夏半年分别计算出了60万年来两半球每10个纬度的辐射量变化。后来Vernekar(1968，1972)又进行了详细的计算，将米兰科维奇太阳辐射量曲线延长到距今100万年前。第21页，共80页，2023年，2月20日，星期三解释冰期、间冰期米兰科维奇认为60º~70ºN高纬度地区夏季辐射量减少的时期，会使夏半年气温降低4~5℃，而冬季气温略有升高，因此冬天降雪量增大，到了凉爽的夏天积雪还未来得及融化，又一个多雪的冬天就来到了。如此反复进行，冰雪大量积累导致冰川扩张，就形成了冰期。相反，夏季辐射量增加会形成夏热冬寒，冬季降雪减少，夏季完全消融导致冰川退缩，成为间冰期。产生了所谓气候变化的“轨道驱动”理论。第22页，共80页，2023年，2月20日，星期三黄土剖面和深海沉积物岩芯气候变化信息序列的谱分析结果（刘东生，1997）气候变化具有10万年的周期，其间还亦叠加着41000年和21000年的次一级周期。深海沉积物和黄土地层研究证实第23页，共80页，2023年，2月20日，星期三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它时期？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存在什么反馈机制使得由地球轨道参数变化所引起的变化被放大？存在问题：第24页，共80页，2023年，2月20日，星期三根据地质记录发现，在2.4MaBP以前，19ka和23ka的岁差周期占主导地位；在2.4～0.8MaBP期间，41ka的黄赤交角变化周期为主要周期；而在0.8MaBP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？第25页，共80页，2023年，2月20日，星期三3）地外物体的撞击作用

在地球的历史上，地外物体对地球的撞击作用不仅存在而且频繁发生，在地球历史的早期尤其如此。第26页，共80页，2023年，2月20日，星期三对全球环境的影响短期的环境影响。对全球变化的深远影响。产生一系列的物理、化学和地质作用过程。导致地球内部物质的重新分配。第27页，共80页，2023年，2月20日，星期三小行星体通过地球大气层时，因爆炸、气化、熔融和粉碎会高空出现耀眼的分光现象；强大的冲击波使地面可燃烧的物质燃烧，引发森林大火甚至全球森林大火；撞击体本身所携带的一些有毒物质如镍等重金属，可使地球环境恶化，生物中毒死亡。小行星在撞击区上空因整体爆炸而气化，可留下少许残余物。短期的环境影响第28页，共80页，2023年，2月20日，星期三强大的冲击波可使直径20倍于撞击体的靶岩物质碎裂、粉碎、熔融、气化和溅射。发生在海洋中的撞击作用，则会使海水大量气化和沸腾，形成强烈的海啸和地震。在撞击的瞬间，在撞击区形成一个巨大的向上运动的蘑菇云状气体柱，大量的气化物质和细微的熔融溅射物质及撞击释放出的一些气体通过这个通道被输送到平流层及近地空间，阻挡入射的太阳辐射，引起全球降温，形成漫长而黑暗的冬天，并抑制光合作用致使某些动物的食物链中断。第29页，共80页，2023年，2月20日，星期三全球变化的深远影响巨大陨石的撞击作用可能是海底扩张和大陆漂移等地球内部驱动过程变化的触发因素，陨石撞击可能导致地幔柱的生成，而这些地幔柱又可以将板块破裂并使大陆分离。第30页，共80页，2023年，2月20日，星期三地质历史上巨大陨石冲击的时间与大陆开始分离和海底扩张方向改变的时间几乎是一致的。210MaBP以来可以区分出9个陨石冲击率大为增强的冲击期，9个冲击期中有5个和大陆分离的时间一致，仅54MaBP的大陆分离与冲击期不相符；8次海底扩张方向变化的时期中有6次与冲击期一致，另有1次冲击期与大西洋海底扩张开始的时间（203MaBP）相对应。第31页，共80页，2023年，2月20日，星期三第32页，共80页，2023年，2月20日，星期三第33页，共80页，2023年，2月20日，星期三225K（-48℃）第34页，共80页，2023年，2月20日，星期三

如果考虑撞击造成森林燃烧所产生的烟尘、地表的反馈作用、海洋平衡变化引起的大气CO2含量降低，则撞击作用后所产生的降温可能会持续更长时间，甚至导致全球气候的变化。第35页，共80页，2023年，2月20日，星期三

地质记录显示，65MaBP（K/T）的撞击事件，不仅导致大批生物的灭绝，可能也造成了新生代的气候变冷。34、15、1.0和0.7MaBP的撞击事件与地球气候的主要变冷事件基本处于同一时期，并出现不同程度的生物物种绝灭事件。2.4MaBP发生的撞击作用处在第三纪与第四纪的分界上。第36页，共80页，2023年，2月20日，星期三2.4MaBP发生的撞击作用处在第三纪与第四纪的分界上，它不是一次事件，而是多次撞击作用的叠加，其规模尚不十分清楚，但在2.4MaBP以后，全球气候变化呈现出在米兰柯维奇周期主导下的冰期-间冰期周期性变化特征，上述转折与外来物体撞击事件的时间相当。第37页，共80页，2023年，2月20日，星期三研究证据：在南极附近深海岩芯(Kyte，1988)和西安白鹿原黄土剖面(马配学，1996；吴锡浩，1991)第三纪和第四纪的分界线上，即在距今248万年高斯正向极性期向松山反向极性期的转变界面，发现了陨石微粒和稀有元素铱(Ir)和金(Au)的富集。世界各地许多地点在松山反向极性期向布容正向极性期的转变界面也都发现了玻璃陨石微粒(朱照宁，1992)。第38页，共80页，2023年，2月20日，星期三前者是由于陨星体撞击地球，造成地球磁场变化的同时，还使得地球表层系统发生了根本的变化。它使全球气候变冷，极地和高纬度大冰盖形成，气候呈现冰期一间冰期交替变化，热带和亚热带范围缩小，荒漠和干草原扩张，形成所谓“第四纪大冰期”。后者不仅造成了磁极倒转，还使得气候变化中10万年周期更加明显，东亚的季风环流气候显著增强，西北季风与东南季风气候盛行期的气候和环境反差十分显著。第39页，共80页，2023年，2月20日，星期三2、驱动全球变化的地球内力因素海陆分布变化高海拔的山地或高原的隆起火山活动第40页，共80页，2023年，2月20日，星期三1）海陆分布变化板块运动所导致的海底扩张与大陆漂移使得地球的大陆一直处在拼合一破裂的旋回性运动之中，在不同的地质历史时期形成不同的大洋盆地的形状与海陆分布形式。

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。

第41页，共80页，2023年，2月20日，星期三第42页，共80页，2023年，2月20日，星期三第43页，共80页，2023年，2月20日，星期三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。如50MaBP之后，南极大陆变冷并发育成冰川的原因。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。第44页，共80页，2023年，2月20日，星期三2）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106～107年尺度上，而在104～105年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的变化。第45页，共80页，2023年，2月20日，星期三地壳上升运动形成了高山、高原地貌，成为大气运动的屏障，也成为主要的流水侵蚀区域，分布着不同类型的植被和动物群落。地壳沉降运动形成了平原、盆地、裂谷，成为水系汇集之处，形成河湖、沼泽或者荒漠，接受各种碎屑物质的沉积。第46页，共80页，2023年，2月20日，星期三一是位于亚洲南部的范围大于200×104km2、平均海拔4.5km的青藏高原以及其南缘的喜马拉雅山脉，二是位于美国西部以科罗拉多高原为中心、从内华达到落基山的广大山地。均是40MaBP以来隆起的，高海拔的山地或高原虽只具有区域尺度的规模，但它们的影响却远远超出高原或山地范围本身，造成更大范围的、乃至全球尺度的变化。两个最大的高原山地：第47页，共80页，2023年，2月20日，星期三对气候的影响：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的场所，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。如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。

第48页，共80页，2023年，2月20日，星期三青藏高原对气候的影响第49页，共80页，2023年，2月20日，星期三青藏高原不存在时，现今东亚大陆上冬季的西伯利亚高压和夏季南亚低压都不出现，即不存在现代季风；增入青藏高原的影响后，出现与现代季风环流相近的高低压分布形式。模拟结果也得到地质记录的支持。GCM模型的模拟第50页，共80页，2023年，2月20日，星期三青藏高原的抬升同时导致西风带的弯曲，并在东亚和北美中西部形成两个大槽。北美中西部西风槽的形成将加强携带水汽的气旋系统北移的程度，有利于在高纬度地区形成冰盖。多数学者认为东亚与印度、非洲的现代季风环流只是在第四纪青藏高原急剧隆起、超出一定高度（2000m）后才得以建立，而且季风的强度和影响范围不断随高原的继续升高而加大。第51页，共80页，2023年，2月20日，星期三第三纪开始的、第四纪大幅度差异性升降运动，使得青藏高原抬升成为地球中低纬度一个显著的“冷极”。它也使得我国西北内陆成为封闭的具有大陆性气候的内流区域，形成沙漠戈壁和盐湖。第52页，共80页，2023年，2月20日，星期三3）火山活动世界上有500～600座活火山，与活动的板块边界有密切联系，15％处于板块分离的引张带，80％位于板块会聚的挤压带，板块运动最活跃的地区，也就是火山和地震最频繁的地区。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尺度事件，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的后果。第53页，共80页，2023年，2月20日，星期三强烈的火山喷发能够把大量的气体和火山灰抛向高空，它们可在平流层大气中停留1年以上。可以改变平流层的化学成分并造成化学过程异常，将对大气中的CO2、O3等的平衡产生影响；而受火山活动影响最大的，可能是平流层中气溶胶及其光学性质的变化所造成的太阳辐射收支的变化。第54页，共80页，2023年，2月20日，星期三火山活动对全球气候的影响——短尺度影响强烈的火山爆发能在平流层下部形成气溶胶层，增加了大气的反照率，减少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”。第55页，共80页，2023年，2月20日，星期三由于气候系统的复杂性，要从实际的气候变化中检测出受火山活动影响所致的部分是十分困难的。一般认为，一次较大火山爆发后1～2年，半球或全球平均温度下降0.3℃左右，以后逐渐回升，4～5年后恢复正常。北半球的火山喷发往往使全球温度在3个月后产生最大降温，并可影响南半球的气温，但影响时间短；而南半球的火山喷发要在19～20个月之后才产生最大降温，但影响时间长，对北半球影响不大。第56页，共80页，2023年，2月20日，星期三按气溶胶在大气中的停留时间计算，单个火山爆发的影响一般不超过1～2年，但持续几十年到数百年的火山活动集中时期和火山活动沉寂时期，会影响到几十年到几百年尺度上的气候变化。对于长尺度的气候变化影响第57页，共80页，2023年，2月20日，星期三最近100年来北半球气温变化与火山喷发活动上世纪20~50年代，地球上没有火山喷发，而北半球则是一个显著的温暖时期。第58页，共80页，2023年，2月20日，星期三公元1550~1900年地球上火山频繁爆发，如冰岛的海克拉火山多次喷发，印度尼西亚坦博纳火山喷发，日本许多火山喷发，我国东北五大连池火山和长白山火山的多次喷发等。它们使得这350年成为全新世的“小冰期”，气候显著恶化，冰川也有扩张。第59页，共80页，2023年，2月20日，星期三火山喷发出的细微尘埃在大气中漂移存留数年，使得陆地降温幅度比海洋的大。海陆温差的加大会增加冬季风暴和降雪，有利于冰川的形成。夏季时灰尘又是凝结核，使云量增加，地面降温，冰雪不能完全消融。这样长期的冰雪积累可以导致冰期形成。第60页，共80页，2023年，2月20日，星期三3、全球变化中的人文因素人类活动所引起的地球系统的状态和功能的改变，在工业化以来的200多年里急剧加速，在几十至几百年的时间尺度上，人类活动对全球变化的影响与全球变化对人类的影响均极为显著，人类生态系统过程已成为全球变化过程的一个不可忽视的组成部分。根本的问题是，“人类正在以各种连自己还没能认识得很清楚的方式，根本性地改变使生命得以在地球上存在的各种系统和循环”。第61页，共80页，2023年，2月20日，星期三1）是人类建造的农业系统和城市生态系统取代自然生态系统，为人类活动导致全球变化的一种主要的形式，它不仅使得土地覆盖的状况发生显著改变，而且使得自然生态系统的许多功能也随着丧失。

2）是为维持农业和城市等人类生态系统的正常运转，大量的物质和能量持续不断地输入到系统之中，与此相联系的资源开发和废弃物的排放均对自然环境产生巨大的压力，当其超出自然环境的承受能力时，就会引发全球变化过程。影响方式：第62页，共80页，2023年，2月20日，星期三人类通过土地利用改变地表景观、或通过化石能源和矿物原料大量开发使用的方式改变自然环境，其结果造成土地覆盖变化、自然过程变化和自然系统功能变化。影响的结果：第63页，共80页，2023年，2月20日，星期三1）土地覆盖变化土地覆盖：指地球表面的生物物理状态，如森林、草地、湿地、作物用地、城市用地等。土地覆盖变化为人类活动最直观的表现，包括生物多样性、现实的和潜在的初级生产力、土壤质量以及径流和沉积速率中的种种变化。包括渐变和换型两种方式。

第64页，共80页，2023年，2月20日，星期三渐变指影响土地覆盖特征但不改变其类型的较和缓的变化，如草场过度放牧和森林退化。如草场过度放牧和森林退化。

换型指一种覆盖型完全为另一种覆盖型所替代，如热带雨林被牧场所替代，此种土地覆盖转换通常对生物地球化学、水分和能量平衡产生巨大影响。如热带雨林被牧场所替代。

第65页，共80页，2023年，2月20日，星期三原始自然景观：指未被人类扰动、仍保持原始状态的地区。仅存在于高纬度地带的针叶林和苔原地区。包括了大面积的冰盖、沙漠等人类根本无法居住的地区。遭受破坏的自然景观：是人类为开发利用各种自然资源而破坏的地区，如被砍伐的森林地区、被开采过的矿区等。人化自然景观：指自然系统为农田、牧场等人化自然系统所替代的地区。人造自然景观：指由城市、地面交通网、各种工程设施、人工垃圾所占据的地区。土地覆盖类型的四种景观类型：第66页，共80页，2023年，2月20日，星期三2）自然过程的变化人类活动不仅仅改变了地球的面貌，而且从多方面改变了自然过程，人类活动不仅使一些自然过程加快，另一些过程减缓，而且极大地改变了一些自然过程的性质、甚至产生一些在自然界中并不存在的新过程。第67页，共80页，2023年，2月20日，星期三天然能量的人为释放与转化是人类驱动的各种过程的基础，导致全球的能量平衡过程因此而发生改变。物种多样性减少。受到人类排挤与破坏的许多野生动植物因森林的破坏和土地利用而丧失其栖息地，丧失其物种和基因的多样性，正在以前所未有的速度绝灭着。森林破坏和农业耕作等过程，中断土壤的自然发育，加速土壤侵蚀。人类每年的引水量使地表水、地下水的过程均受到显著改变，等等。第68页，共80页，2023年，2月20日，星期三3）系统成分的变化

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。第69页，共80页，2023年，2月20日，星期三人类向大气中排放CO2、CH4等使温室气体，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。

。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，减少了物种的多样性，进一步加速了生物绝灭的过程。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。第70页，共80页，2023年，2月20日，星期三

土地覆盖的变化、系统成分的变化、自然过程的变化最终会导致自然系统的功能的失调和变化，并通过累积性变化或系统性变化两种方式导致全球变化。在人类的干预下，许多自然过程的功能正在发生显著变化，一些过程得到强化，另一些功能遭到削弱甚至丧失，自然系统的平衡因此破坏，进而发生全球变化。第71页，共80页，2023年，2月20日，星期三全球气温增加在很大程度上与人类活动导致大气中二氧化碳等温室气体含量的增加、温室效应增强有关。人类活动导致的大气中二氧化硫、二氧化氮等化合物的增加，使得水汽在凝结降落时酸化产生酸雨，彻底改变水循环的性质和功能，使得陆上的许多生命活动会因此受到伤害。生物多样性的减少，导致生态系统类型的单一化，以及与之相联系的生物基因多样性的减少，必然导致生态系统的脆弱程度增大。第72页，共80页，2023年，2月20日，星期三4、地球系统内部的反馈作用与全球变化

全球变化是通过地球系统中的一系列复杂的作用与反馈过程来实现的，反馈是地球系统过程的一个重要特征。地球系统中的许多过程都是既产生正反馈又产生负反馈，究竟哪种过程占主导地位，视具体情况而定。由于反馈作用的存在，驱动与响应之间存在着复杂的非线性过程，微小的触发作用有可能导致巨大的变化，发生在某一区域的变化可能导致全球性变化。第73页，共80页，2023年，2月20日，星期三举例1：新仙女木事件新仙女木事件：即YD事件（YoungerDryasEvent）发生时间为11000~10000aB.P.。仙女木拉丁文