石大遥感导论专题讲座：全球变化的高分辨率信息载体研究课件

全球变化的高分辨率信息载体研究主讲人：单位：师范学院地理系

全球变化科学(GlobalChangeScience)是20世纪80年代开始的一个新兴科学领域。它的科学目标是描述和理解人类赖以生存的地球环境系统的运转机制、它的变化规律以及人类活动对地球环境的影响,从而提高对未来环境变化及其对人类社会发展影响的预测和评估能力

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TheInternationalGeosphere-BiosphereProgram物理气候系统全球生态系统固体地球系统人类生态系统物理气候系统决定着地球表层水分和能量的交换与分布,形成全球的气候.固体地球系统决定着地壳的生消及其运动,形成地球的海陆分布格局和各种地貌形态.全球生态系统由地向下和向上延伸到任何形式的生命自然存在的地方,包括了地球上多种多样的生态群落与生态系统.水循环生物地球化学循环固体地球物质循环地球系统示意图全球变化,即地球系统的变化,可以定义为地球环境,包括气候、土地生产力、海洋和其它水资源、大气化学、生态系统等中的，能改变地球生命承载能力的变化。地球系统自形成以来就存在着永不停止的变化。它是在地外系统及地球系统内部力量的作用下，其系统模式在时间轴线上，一定空间内的延续。目前对全球变化研究的主要内容之一就是重建过去全球环境的变化，主要是古气候的重建。就是以残存的过去环境变化的产物为依据，反推形成产物的环境状态，进一步推测其成因机制。之所以如此是由于地球系统中的许多过程具有很长的时间尺度，现代的观测记录中无法观测得到，也不可能通过实验的方法进行印证。现代环境中的许多现象是过去不同时间，不同环境状态下所形成的产物的残留物的集合。所以才有可能根据现代所能获得的信息载体来推测古环境的特点。

信息载体观测记录，借助于各种观测技术手段所获得的环境信息，如地面的气象、水文记录、空间观测所获得的各种遥测数据。它们的特点是精度高，但时间尺度较短，而仅局限于小部分地区。考古和历史文献记录，指由人类物质文化活动而形成的物质的和文字的记录，如古人类的遗址和遗物，有关物候、灾异、耕作制度的文字记录。古环境的感应体，即在过去某一时间段形成并保留至今的各种自然体。它们本身就是当时环境过程的产物，记录了当时的环境状态，具有更长的时间尺度和空间尺度的分布，能弥补观测的不足，揭示更长时间尺度的全球变化历史。深海岩芯，极地、高山冰芯，洞穴石钟乳，树木年轮和黄土、古土壤都是古环境的感应体，即在过去某一时期形成并一直保持至今的自然体。

主要天然环境档案特征

（根据HansOeschserandJohnA.Eddy,1988）档案时间分辨率时间长度可提取的环境参数树木年轮年/季104THCaBVMLS湖泊沉积年104～106TBM极地冰岩芯年105THCaBVMS中纬度冰岩芯年103THBVMS海湾沉积年105TCwL黄土10年106TCsBM海洋岩芯100年107TCwBM花粉10年105THB古土壤100年105THCsV沉积岩芯2年107HCsVML历史记录天/小时103THBVMLST=温度；H=湿度或雨量；C=大气（a）、水（w）或土壤（s）的化学成分；B=生物量方面的信息；V=火山喷发；M=地磁场；L=海平面；S=太阳活动。黄土沉积（Loess）黄土高原黄土作为古环境的良好感应体忠实地记录了曾经发生的环境变化。中国黄土以其分布的面积及其深度具有极大的优势

黄土剖面的水平状层理中国黄土是过去260(第四纪)万年以来连续的风尘堆积物。气候的冷、暖、干、湿的旋回变化在黄土剖面中留下了红色古土壤与黄土相互交替的现象，这是风尘堆积作用与成土作用两种对立过程彼此消长的结果古土壤层

风尘堆积作用强成壤作用弱气候冷干冰期(冰阶)冬季风强度增大风尘堆积作用弱成壤作用强气候暖湿间冰期(间冰阶)夏季风强度增大如何提取黄土剖面中的环境变化信息?黄土层磁化率粒度全新世古土壤粒度正态概率累积曲线图

元素分布微量元素分布碳酸钙、有机碳粗颗粒物质和铁析出物孔隙土壤微结构黄土沉积的其他指标孢粉分析木炭屑分析土壤微形态分析碳氧同位素的分析……………….冰芯

极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终转换成冰，形成一个年层。从这些地区获取的冰芯是高分辨率地记录全球环境变化的主要信息载体之一钻取的冰芯δ18O,氧同位素比率大气中的水汽大部分来自于海洋,当水汽由海面蒸发时,含

18O的重分子不易被蒸发,而在水汽凝结时,含18O重分子更易于凝结因此陆地水体中的18O/16O均小于大洋中标准比值.离海洋蒸发源越远，水体中的18O/16O值越小.

蒸发和凝结作用均与温度有关，因此δ18O与温度之间存在着一定的关系，它的值反映了冰盖上空水汽凝结成雪时的气温变化，成雪时气温越低，18O的含量就越小。研究表明，温度每降低1℃，δ18O在格陵兰地区降低0.70‰，在南极地区降低0.75‰，在青藏高原北部降低0.65‰，根据这种关系，可以由冰芯中的δ18O值推断温度的变化

其它的信息

冰芯中包裹的气体记录着气泡生成时的大气成分；南极东方站(Ｖｏｓｔｏｋ)冰芯是目前所获取的时序最长的冰芯,可将大气中ＣO2浓度记录追溯到16万年前，该冰芯研究显示,

ＣＯ2浓度在暖期内高、冷期内低。冰芯中的化学成分和微粒含量记录着当时大气气溶胶的状况，以及地球沙漠化和大气环流的强度，如冰芯中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NO-3、SO2-4和Cl-等离子能提供环境信息以恢复研究地区的古环境。冰芯中的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程。冰芯中的火山灰和强酸信号则记录了火山活动的历史。

深海沉积大洋的沉积主要可以分为浅海大陆沉积、板块复合带的海沟或前陆盆地沉积，以及深海沉积。在远离大陆的大洋中心地区的深海沉积中，陆源物质很少，主要来自风尘堆积，其主要成分是微细的粘土、生物和化学成因的软泥。在大于63μｍ的砂质颗粒中，除主要成分是有孔虫和藻类的残体外，还有由风力从陆地吹扬搬运来的尘砂和火山灰砂。海洋中浮游微体生物骨骼的富集在深海沉积过程中具有主导地位，由有孔虫、放射虫等微体古生物的组合或物征种属的含量可以对古水温、古盐度等环境特征进行推断。有孔虫的碳酸盐介壳的18O/16O其基本原理是，自然界存在着18O，17O，16O三种同位素，其中17O的含量极小，其含量比例不随时间变化，但水的相态发生变化时会影响到氧同位素的含量。所以，18O的含量变化与温度有关。在水的蒸发过程中，H218O的逸出速度比较慢，相对的H216O分子比H218O分子更易于蒸发。所以，水汽中的18O的含量要比水中小一些。在寒冷的冰期里，大陆冰盖扩展，大量的低18O含量的淡水被固定的冰盖中不能回来大洋，大洋中的18O的含量显著增高，由于有孔虫介壳中的CO32-与大洋中的CO32-之间处在一定的平衡状态，因此介壳中的18O也相应的增高。根据有孔虫介壳中的δ18O可以推算海水的δ18O,尽而推断全球气温的变化.

18O属于稳定同位素，水在蒸发时，H218O逸出速度较慢。因而水汽中的18O要小于水的18O含量。因此冰期时，海水中的H218O相对浓缩富集；间冰期时，海水中的H218O含量降低。18O含量的变化也可以反映成雪时的气温变化，即成雪时气温越低，18O的含量也就小。有孔虫δ

18O=[18O/16O（样品）-18O/16O（标准）]÷[18O/16O（标准）]×1000‰深海氧同位素变化与全球变化的关系(据Moore,1996)根据δ18O值的变化可以计算出有孔虫生存时期的温度，也可以对全球冰量的变化进行推断。Epstein(1953)通过大量的实验研究发现有孔虫介壳中的δ18O值与海水温度的关系，即δ18O值增加1‰，相当于海水温度降低大约4.3℃。有关氧同位素方法的理论是HaroldUrey(1947)提出来的。美国学者Cesare

Emiliani

在1955年对加勒比海深海岩芯中有孔虫δ18O作了研究，根所δ18O的曲线变化发现过去70万年有7个间冰期与冰期旋回。氧同位素气候曲线也证实了第四纪以来的气候的旋回变化。末次间冰期以来，气候的变化在δ18O曲线上的反是δ18O值以不同的幅度的变化，有一定的周期性规律和突变。

树木年轮

温暖或湿润的环境下，树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成的年轮较宽；寒冷或干燥的环境下树木生长缓慢，细胞小而且细胞壁厚，形成较窄的年轮。温度起主导作用的森林北界或山地森林上限地区，低温年分年轮窄，高温年分年轮宽；在水分条件作为限制因子的干旱、半干旱区，宽轮对应于多雨年，窄轮对应于少雨年。

除了年轮的宽窄外，从树木年轮中还可提取其它的环境变化信息:δ13C,等可以用来反映大气中的CO2含量的变化及其对树木肥化作用和环境污染状态（污染能减少邻近空气中的CO2与树木间碳同位素的分馏作用，造成13C的减少）。考古和历史文献记录

考古和历史文献记录包括了考古遗址、遗物和遗迹等各种的考古发掘物，以及各种的史书，档案，地方志、日记及一些文学作品。这些考古资料和历史文献记录了丰富的当时的人类的物质活动及自然环境的状况。包括当时的社会生活生产，社会文化，异常的灾害现象等等。

研究全球变化,需要从信息载体中提取变化的趋势,及其波及的范围与强度.变化是存在于一定时间段内的变化.

定年-第四纪年代学释光测年释光（Luminescence）是结晶固体中储存的辐射能量受外加能量（如热或光）激发以后以光子释放的一种运动形式，它是利用结晶固体具有贮存辐射能量这一性质而成为记录核辐射剂量计而测年的。释光测年根据激发方式有热释光（TL:Thermoluminescence）和光释光（OSL:Opticallystimulatedluminescence）两种测年方法。石英:主要存在于各种沉积物中,通过实验方法提纯后用于释光实验.释光的基本原理:结晶固体在埋藏于各种沉积物中时,受到环境中放射性同位素发射的各种射线辐照(α、β射线或γ射线),并将这些辐射能储存在晶格中.在晶体所接受的辐射能均匀的情况下,晶体中储存的辐射能大小与时间成正比释光测年包括两方面的测量：一是测量埋藏阶段样品积累的辐射剂量总量（N）；二是测量埋藏环境的放射性辐射强度，即单位时间内所能提供给样品的辐射剂量（B）。根据这两个参数可计算样品的年龄，表述为：释光年龄=结晶固体中积存的辐射剂量总量/辐射核素每年提供的总辐射剂量。年龄计算公式为：