地球系统科学~知识整理

第一章、地球系统科学1、如何认识一个系统：1物质组成2系统各部分中的过程3系统各部分之间的相互作用一反馈2、地球系统科学的定义地球系统科学：将地球大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈、生物圈作为一个相互作用的系统，研究它们之间的物理、化学和生物的过程，并与人类生活和活动结合起来，借以了解现状和过去，预见未来。从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间，时间度从几百年到几百万年。3、地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地幔、地核）冰雪圈、生物圈和人类圈组成的有机整体。是作为相互作用过程的集合，而不是单个部分的组合。4、水体：天然或人工聚集的水成为水体。5、水圈：地球表层水体的总称。（水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大气中。）6、生物圈：生物圈是地球上所有动物、植物和微生物等生物有机体及其活动空间的总称。生物圈占据了包括大气圈对流层下部、几乎整个水圈以及岩石圈表层的薄层范围。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之间，集中了绝大部分生物。7、冰雪圈。冰雪圈的5个组成部分：海冰、大陆冰原、季节性雪盖、永动土和高山冰川。前两者是最重要部分。相对于液态和气态的水而言，冰和雪具有相对的稳定性。冰雪圈覆盖全球海洋的7%，多年冰覆盖陆地表面的11%，但其覆盖范围可变。冰雪圈的分布范围对地球表面温度非常敏感。水的冰点恰好位于地球表面最高和最低温度之间约一半之处。冰、雪和冻土分为常年（多年）性和季节性。季节性冰、雪和冻土产生的季节影响和年际影响非常显著。因常年性冰、雪和冻土的分布稳定少变，在十到百年尺度以上，可以产生比较固定的影响过程和影响趋势。冰雪圈的重要性：（1）稳定的对太阳辐射的高反射率，影响地表能量收支。（2）极地大气一冰一开放海洋的能量交换过程。（3）约占总水量的2%，占有地球上近80%的淡水资源。（海平面）补充：岩石圈地球是由一个物质分布不均匀的同心球层构成，它包括地壳、地幔和地核。地壳厚度不一，平均厚度约17公里。上层为花岗岩层，下层为玄武岩层。地球内部的温度和压力随深度加深而增加。经检测，地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年，而地球生成到现在大约已有46亿年了，这说明构成地壳的岩石不是地球的原始壳层，是地壳内部的物质通过火山活动和造山活动形成的。8、土壤：土壤是地球陆地能够为作物提供生长发育具有肥力的疏松表层，是生物，特别是植物和微生物生活的重要环境，是地表与大气进行物质和能量交换的重要场所。9、“人类纪”的涵义：人类已经成为地球系统的核心。同组成地球的其他部分相比，人类具有不可比拟的能动作用。人类已经成为地球环境变化的主要驱动力。地球未来的命运掌握在人类手中。10、海洋一大气相互作用海洋作为热源，通过海洋表面温度（SST）加热大气，SST及其变化成为调控气候，并进而导致全球环境变化的重要物理量。海洋和大气作为流体，为实现地一气系统的辐射平衡，共同承担全球能量输送。海洋和大气之间的气体和其它物质交换。海洋碳循环是大气CO2的主要控制因子。人类活动产生的CO2有近一半被海洋吸收。中高纬度地区海洋从大气中吸收CO2，南北纬15度之间海洋向大气释放CO2。11、陆地一大气相互作用。一些具体过程：大气一植被一土壤中间的辐射传输过程感热和潜热交换。土壤蒸发和植被蒸腾。物质交换，特别是通过植被进行的物质交换。地面粗糙度和陆气之间的动量传递过程。一些陆面水文过程。12、气候一生态系统相互作用气候是生态系统的生存环境之一。生态系统与气候的关系首先是适应，即按照气候状况及变化确定其生长和分布特征；同时，生态系统对气候也产生反向的影响，从而构成双向的气候一生态系统相互作用。13、人类活动对地球系统产生影响的主要途径:大气成分、土地利用、覆盖生物多样性、水体。14、地球系统各部分的相互作用海洋一大气相互作用陆地一大气相互作用气候一生态系统相互作用海洋一陆地相互作用人与地的关系第二章地球系统与全球变化1、“全球变化”(GlobalChange)是指由自然和人为因素引起的、影响地球系统功能的全球尺度的变化。全球变化跨越了不同的时间尺度，既包括发生在全球尺度上的系统性变化，也包括由局地尺度上相同类型的变化累加而成的累积性变化。2、全球变化的科学内涵：以地球系统科学为基础，以发生在各种时间尺度上的动态变化过程为核心，，把人文因素纳入地球系统与全球变化3、地球系统科学和全球变化研究的科学问题：变化⑵驱动力(3)响应(4)后果(5)预测4、地球系统变化的驱动因子：包括自然因素(如太阳总辐射、火山爆发)和人为因素(如向大气中排放污染物质和土地利用/覆盖变化)，其中的关键在于量化和分析自然因素和人为因素对气候和生态系统造成的影响。5、全球变化科学活动的层次结构：GCOS、GOOS、GTOS、GPOS、等国际观测计划IGBP、WCRP、IHDP、DIVERSITAS等国际合作研究计划IPCC科学评估活动FCCC和议定书谈判~~~~国家的适应与减缓对策国际地圈一生物圈计划（IGBP：InternationalGeosphere—BiosphereProgramme）：主要以生物地球化学循环子系统及其与物理气候子系统的相互作用为主要研究对象，其科学目标是:了解和阐述控制整个地球系统的关键的物理、化学和生物相互作用过程；了解和阐述支持生命的独特环境;了解和阐述出现在地球系统中受人类活动影响的重大全球变化。特别是那些时间尺度为几十年至几百年，对生物圈影响最大，对人类活动最为敏感，具有可预测性的重大全球变化问题。IGBPPhaseI的8个核心计划（1）国际全球大气化学计划（IGAC）（2）全球海洋通量联合研究（JGOFS）（3）过去的全球变化（PAGES）（4）全球变化与陆地生态系统（GCTE）（5）水循环的生物学方面（BAHC）（6）海岸带海陆相互作用（LOICZ）（7）全球海洋生态系统动力学（GLOBEC）（8）土地利用/土地覆盖变化（LUCC）IGBPPhaseI的支撑计划：（1）全球分析、解释与建模GAIM（2）数据与信息系统IGBP-DIS（3）全球变化的分析、研究和培训系统START~—全球变化人文计划（IHDP：InternationalHumanDimensionofGlobalEnvironmentalChangeProgramme）其目标包括：第一，促进对左右人与地球总体系统相互作用的复杂原因的科学理解和认识；第二，不断努力探索预测全球环境下的社会变化；第三，确定大范围的社会战略以预防或减轻全球变化的不利影响，以适应那些无法避免的变化；第四，分析对付全球环境变化、促进实现可持续发展的政策与方案。IHDP研究的主要内容:第一，全球变化的根源，主要是人为根源；仔细区分自然趋势和由人类活动所造成的两类变化。第二，由于自然和直接由于人类作用所引起的变化的后果。第三，对全球变化的管理。IHDP的研究计划:土地利用/土地覆盖变化（LUCC）研究（与IGBP联合）、全球环境变化与人类安全（GECHS）、全球环境变化的制度方面（IDGEC）、产业转型（IT）、海岸带陆海相互作用（LOICZII）、城市化与全球环境变化（Urbanization）~—世界气候研究计划（WCRP-WorldClimateResearchProgramme）:以物理气候系统为主要研究对象，主要研究地球系统中有关气候的物理过程，涉及整个气候系统，其主要部分是大气、海洋、低温层（冰雪圈）和陆地以及这些组成部分之间的相互作用和反馈。它主要关心的是时间尺度为数周的到数十年的气候变化。目的是扩充人类对气候的认识，探索气候的可预报性及人类对气候的影响程度。总体目标是：确定气候的可预报程度，以人类活动对气候的影响程度。其三个具体目标为：1）月到季度气候异常的业务预报；2）年际时间尺度全球气候变化的预测；3）估计年代际尺度气候变化趋势，尤其是人类活动对气候的影响。现阶段WCRP的四个核心研究计划1）气候变动及可预报性研究计划（CLIVAR）（1995-）：主要研究气候的变异及其可预报性，重点研究大气一海洋相互作用在气候系统中的重要性。2）全球能量与水份循环试验（GEWEX）（1990-）：主要研究大气及其相关的全球水分循环、大气总能量收支，以及在气候变化情景下这些循环的变化。3）平流层过程及其在气候中的作用（SPARC）（1992-）：主要研究平流层中的动力、辐射以及化学过程的复杂相互作用。4）气候与冰冻圈计划（CLiC）（2000-）：主要研究冰雪圈在气候系统中的作用。~~~~生物多样性计划（DIVERSITAS）：核心计划：1,发现生物多样性，并预测其变化。2,评估生物多样性变化的影响。3,发展生物多样性保护和持续利用的科学。6、全球变化研究目标：逐步增加人类对地球的气候和环境演变规律（包括自然的和人为的）的认识，从而对未来环境发展趋势提出科学预测，为全球环境问题上的宏观决策提供科学依据，也为各国政府在资源开发和利用、环境保护和整理等方面的政策的制定提出咨询性建议。7、全球变化对自然地理学意味着什么：1提升了自然地理学的科学价值2对地理学新一轮伤筋动骨的瓜分3自然地理学的前途何在4如何对待自然地理学的变革第三章地球系统与全球变化的关键过程1、地理学：从空间和要素之间相互关系的角度认识表层2、近代地理学的奠基人洪堡：地球是一个不可分割的有机整体，一个由各部分组成的活的整体。他十分强调地理学的综合性、整体性，以及由此产生的地理学的特殊性。“局部只能从它与整体的关系去分析，作为世界现象的一部分区研究它。”“毫无疑问，气候一词首先是指大气的特性，这一特性取决于海洋与陆地的直接相互作用。李特尔：综合地、整体地研究区域。地理学是通过地表上面空间结合现象的区域差异来研究地球表面的。地理学的独特性在于，指出并解释自小至大，逐级区域单元内地面现象的区域结合的特点。探索同一区域内各组现象之间和两个地方之间的关系或联系。地理学的目的要找出作为自然的一切差异的基础的那些一般规律，从这一研究过程中产生了自然地理这门科学。F•冯•李希霍芬：地理的研究对象是地球表面。地理学的特殊目的在于研究地球表面相互关联的现象。地理学的最高目标，在于发掘人类和物质的地球以及与自然现象也有联系的生物现象之间的关系。。3、地球系统的物质循环过程：水循环、岩石循环和构造循环、生物地球化学循环。4、地球系统的非线性行为特点：反馈与临界突变：系统中初始变化所引起的响应如果使得初始变化得到进一步加强为正反馈，如冰雪圈的反照率具有强烈的正反馈放大作用，即所谓“雪球效应”：温度降低（升高）f冰雪覆盖增大（减小）f地表反射率增大（减小）f吸收太阳辐射减少（增多）f温度降低（升高）；5、地球系统的关键过程5.1大气系统过程气候系统的加热率取决于地球气候系统能量的收支平衡:一是与太阳辐射强度及地球轨道要素相关联的到达地球的太阳辐射能的多少，它们的变化会引起到达大气上界的太阳辐射的变化，是影响地球能量收支平衡的外在因素。二是地球的行星反射率(a)，决定了到达地球的太阳能被直接反射回太空的份额的多少。三是进入到地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间，与地球的温室效应相联系。大气温室气体含量大气气溶胶(物理、化学)：硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、黑碳气溶胶和矿物(沙尘)气溶胶等类型。陆地反射率温室效应维持地球表面的温度云过程：云对全球能量收支有两种作用：一是云是短波辐射的极好反射体，对地球的行星反射率有重要影响，另一方面云又是红外辐射的良好吸收体，对于来自地球表面的热辐射，具有类似温室气体的作用。这两种作用相反，前者使地表冷却，后者使地表变暖，但云对辐射总的效应是使地表略有变冷。5.2海洋系统的过程：大洋传送带、温盐环流、大洋深部排气作用、生物泵。海洋在对气候系统的平衡功能：一是影响地球大气系统的热力平衡。二是影响水汽循环。三是调谐大气运动。四是降低气候系统的敏感性。表层海水中动力学过程：大气中C02进入海洋储库的过程可理解为有某种抽气泵在工作。这种抽气泵可分为3种类型，一种是“溶解度泵”(SolubilityPump),这是一种物理泵，它与海洋环流密切相关，其原理是在高纬度低温海水将大气中C02溶解并带入深海中。另两种均为生物泵(Biologicalpump),其一是碳酸盐泵(Carbonatepunp),是一些微型生物如颗石藻、有孔虫以碳酸钙(镁)为骨架或细胞壁，将大气中C02气体转化为海水中的碳酸盐形式。其二是生物C02泵(Softtissuepump)指浮游植物通过光合作用将C02气体转化为海洋中有机碳形式。深层水碳库：海洋浮游植物死后形成沉降颗粒物，在重力作用下向海洋深部转移。在沉降过程中有机碳将被分解和氧化，碳重新回到海水中，但此时已进入深水。由于大洋深水的密度较表层水大，因此除了在有上升流的海区(如东赤道太平洋)之外,进入大洋深水的碳不再参与与表层水中的交换，这就是所谓的二氧化碳的海洋“生物泵”。冷泉：占海洋总面积10%左右的海底区域分布着巨大的天然气水合物矿藏，其形成多发生在陆坡、陆基和极区高纬陆架的低温高压富甲烷环境中，并多与海底冷泉或泥火山活动相关。甲烷是海底天然气水合物的最主要组分，海底甲烷的储量极其巨大(〜21X1015m3)，是地球上最大、最不稳定的甲烷库。5.3陆地系统过程不同气候条件下的植被特征显著不同、陆地生态系统碳循环、不同生态系统的净初级生产力、陆地抬升一风化作用：岩石的暴露对提高化学风化作用具有非常重要的作用。新生代构造隆升构造运动在引起CO2释放的同时，如果：①在造山带山脉地区发育着丰富的易风化陆源碎屑岩；②在抬升的高原和山脉地区边缘具有丰富的降水，有利于岩石的溶解和水解反应；③抬升的高原和山脉边缘斜坡坡度较陡，有利于不断暴露新鲜岩石，则以上区域的地表化学风化程度将提高，可以吸收较多的CO2,从而成为重要的碳汇（曲建升等，2003）。岩溶碳循环：岩溶系统对碳的调节作用主要以吸收碳为主，其中，我国岩溶作用回收大气中CO2的量为3.5X106tC/a、全球岩溶作用回收大气CO2的量为2.2X108〜6.08X108tC/a（曲建升等，2003）。5.4人类系统的过程自然系统：地带性因素控制、区域差异的基础。生产和设施系统：非平衡的物质输入和输出、减小或扩大区域差异。社会系统：非物质的输入输出、反馈。6、全球变化的驱动力地球外因素:太阳（太阳活动）、地球轨道参数变化、地外物体的撞击作用。地球内力：海陆分布变化、高海拔的山地或高原的隆起、火山活动。人类活动：。第四章地球系统的发展变化1、地球表层圈层：岩石圈、水圈、大气圈、生物圈。2、岩石圈形成和演化的三个阶段：原始地壳的形成与破坏。陆壳增生。板块运动。3、大气演化的三个阶段：（1）原始大气。（2）还原性的第二代大气。（3）具有氧化性质拄第三代大气。4、水圈的演化：原始水圈：地球内部大量的水因排气作用喷出地表以水蒸气的形式存在于原始大气中。5、生命的进化经历了三个阶段：早期为化学进化阶段、中期为细胞进化阶段、晚期7亿年前以后）为多细胞复杂生命进化。6、全球自然环境的演化6.1无生命无机环境时期（45至38亿年前）。地球形成初期发生的重大事件：第一，地球的物质分异作用，使得地球形成了它的主体结构并分离出其主要的圈层子系统，并产生了地球磁场。第二，原始地壳的形成与破坏。强烈的岩浆活动和频繁的天体撞击导致早期地球表面冷却而原始地壳破坏。第三，原始大气被主要由地球排气作用产生的还原性的次生大气所取代。原始海洋出现。第四，受外来天体的碰撞作用形成地一月系统。6.2古海洋自然地理环境时期（38至4（6）亿年前）。无生命系统向有生命系统的转变（距今38〜20亿年）。生命可居住环境的形成（20-6亿年）。海洋生命的繁盛（距今6—4亿年）。6.3古自然地理环境时期（4（6）-2.25亿年）。联合古陆的形成。O3层形成。维管植物、脊椎动物登陆并繁盛，与无脊椎动物三足鼎立。自然地带分异。6.4古自然地理环境向现代自然环境环境迅速过渡时期（225〜65MaBP）。联合古陆解体，现代海陆分布轮廓显现。裸子植物迅速发展繁盛，但又被被子植物排挤到生态边缘。爬行类动物盛极一时，但于本时期末大规模绝灭，为鸟类和哺乳类所取代。6.5现代自然地理环境时期（65MaBP）。现代化。海陆分布与大地貌格局的现代化。现代生物的出现。新生代衰落:全球气候变冷、变干的过程。7、第四纪气候变化。冰盖与海冰反馈：北半球冰盖反馈：冰雪积累形成冰盖的过程十分缓慢，但冰川融化、冰盖退缩的过程却十分迅速。冰盖随冰期一间冰期的转换发生大幅度的往复进退，这一过程既是对全球温度变化的响应，同时也对全球温度变化起到强烈的正反馈作用。与冰盖的扩张/收缩与全球海平面的升降。在从间冰期向冰期转换的过程中，大量的水分被从海洋转移到冰盖中固定下来，导致全球海平面随着冰盖的强烈扩张而发生大幅度下降。由于冰期大洋缩小、海面蒸发减弱，导致全球降水减少，气候变干，陆地冰盖因缺少水分供应而不会无限制增大，使冰盖一反射率反馈不致无限制增加。冰退过程中的下削机制：“下削”机制的意义在于，冰退作用的增强不是靠大气的增温使冰体融化，而是靠崩裂的海冰随海流漂走之后由海水的热量使冰融化。大气温室气体的反馈与气溶胶反馈：冰芯记录显示，温室气体CO2和CH4的含量在冰期时减少，在间冰期时增大，呈现与温度变化相同的趋势（图4-4）。这种强相关暗示存在着大气通过温室气体的变化影响温度的反馈作用，使得变冷或变暖的程度加大。南极冰芯资料表明，在增暖事件中，CO2的变化与温度的变化几乎是同步的，但落后于日射变化。在变冷事件中，温度变化落后于日射变化，而CO2的变化又落后于温度变化。冰期降水减少、风速增大、经向环流增强，浅海大量出露为大陆，陆地植被覆盖降低，有大量的尘埃由陆地吹向海洋，甚至到达南极中部，冰芯中粉尘浓度在冰期时增大（图4-4），冰期最盛期的冰芯中粉尘浓度是冰后期的70倍。气溶胶粒子在大气中的载荷增大具有正反馈效应，能将太阳辐射反射回太空，从而加速地面冷却，使冰期加剧。间冰期时情况则相反。末次冰期冰盛期：系指末次冰期中气候最冷、冰川规模最大的时段，其时间在21kaBP（或相当于14C年代18kaBP）前后，是距今最近的一个与现代环境反差最大的气候时期。8、9、新仙女木事件：指全球冰川消退、气候回暖过程中发生的气候恶化和严重的环境灾变事件。一般认为该事件发生于日历年代12900—11500aBP（14C年代11—10kaBP），该事件结束后即进入了温暖湿润的全新世。10、全新世环境演变：冰盖融化、降水增加与湖泊水位上升。第五章过去2000年的变化过去全球变化的启示：1PAGES对全球变化研究的主要贡献第一，增进了对地球系统动力学的理解。PAGES利用过去的气候记录解析了过去500000年气候的周期性变化，指出：冰期具有全球性，地球轨道参数、冰量、海洋表面温度、尘埃堆积、植物分布、雪线和温室气体浓度变化的密切联系反映了地球系统紧密联系的本质，气候在远小于冰期旋回的间隔内仍然在变化，轨道参数的变化是不能解释这些波动的。第二，增进对气候强迫因子的认识。PAGES认为：太阳辐射强度的变化对地球气候的变化有重要的影响。火山喷发使大量的气体和尘埃进入大气，从而也会影响全球气候。对过去的研究已经帮助我们理解了气候对驱动力变化的响应，并区分人类和自然对气候的影响。第三，揭示了过去1000年全球气候变化的基本特征，并初步分析了自然环境的可变性。PAGES认为：由于火山活动和太阳辐射的变化，在过去1000年里，全球平均气温已经在逐渐下降。然而，气温在二十世纪早期开始急剧上升，现在是处于整个千年中的最高水平?。类似地，温室气体浓度比过去420000年中的任何时候都高。第四，PAGES揭示了过去大气中的温室气体变化。冰期最盛期，大气中CO2的含量大概为190±10ppmv，只相当于间冰期中的50%高一点(280ppmv±20ppmv)。CH4浓度具有相似但不