地球系统科学第一讲

地球系统科学陆胤昊课程简介考核方式考勤20分4*5课堂参与10分平时作业20分一次期末考试50分开卷内容以课件为准，题型另行通知2023/10/243学科背景介绍过去的地学教学的局限性地学前沿研究的内在需要人类生存和可持续发展的客观要求教材与参考用书基本教材LeeR.Kump,JamesF.Kasting,RobertG.Crane-TheEarthSystem-Pearson(2009)BrianJ.Skinner,BarbaraW.Murck-TheBluePlanet-AnIntroductiontoEarthSystemScience-Wiley(2011)StevenM.Stanley-EarthSystemHistory,3rdEdition-W.H.Freeman(2009)进阶读物RuiXinHuang-OceanCirculation_Wind-DrivenandThermohalineProcesses(2009)G.TylerMiller,ScottSpoolman-SustainingtheEarth,TenthEdition-BrooksCole(2011)全球变化—单一学科不能解决的问题哥本哈根会议上各国代表的政治博弈温室效应和全球变暖温室效应真实存在的自然过程地球本身释放的温室气体的保温作用全球变暖有数据支撑的一个假说人类活动下化石燃料的燃烧增加排放的温室气体的增温作用短时间尺度的全球变化全球变暖：认识——争议——统一对二氧化碳浓度的观测Keeling曲线：夏威夷最高点MaunaLoa山山顶（海拔4300米），此地空气来自广袤无人的西太平洋上空，基本可排除点源污染的影响Keeling曲线Keeling曲线证明的事实近50年二氧化碳的浓度在增加这种增加趋势在去1958年以前就存在近50年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势二氧化碳浓度存在着规律的年内波动趋势一些自然现象可以在短暂数年内影响变化趋势，但并不对总体变化趋势构成影响Keeling曲线不能证明的事情1958年以前大气中的二氧化碳是如何变化的二氧化碳是从什么时候开始增加的探寻1958年以前二氧化碳浓度在实测数据难以获得的情况下，我们应该如何去了解历史上的二氧化碳浓度？南北两极冰盖中能够找到答案！通过钻取冰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。近万年二氧化碳浓度变化与其他温室气体浓度变化比较工业革命以来的全球地表温度温室气体对气候的改变对于数据结果的质疑和争议仪器或测量方法变化前后数据序列的对齐问题气象站如何规避城市热岛效应测试点分布的变化以及全球密度的不均新近测试点时间序列短的问题其它争议20世纪70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70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：硫酸盐气溶胶会随着降雨在几周内被清除，而二氧化碳的温室作用则是由累计浓度决定的，因为二氧化碳一旦排放出来，可以在大气中停留上百年。北极海冰最小范围变化北极海冰融化的效应积极效应欧洲北美贸易的“西北海上通到”每年可以通航数周环北冰洋带的城市可能得到发展负面效应北极熊以及因纽特人生存危机格陵兰冰盖加速融化导致海平面升高海冰融化是否会导致海平面升高阿基米德定律：浸没在液体中的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被取代的液体的重量全球变暖的潜在后果气候变化（极端事件的增加）海平面上升（极地冰盖融化、海水受热密度变小）通过检验过去的气候变化来预测未来可能的情景。臭氧损耗及证据全球变化并不全是坏消息

—近年来臭氧浓度变化森林砍伐问题

亚马逊1975~2012森林砍伐的后果氧气释放减少物种灭绝药物来源消失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>臭氧层空洞长时间尺度气候变化第四纪大冰期石炭-二叠纪大冰期震旦纪大冰期长时间尺度气候数据的获取地点：南极冰盖东方（Vostok）和南极穹顶（DomeC）DomeC数据证明了什么地球历史上二氧化碳浓度与温度高度正相关，说明把全球变暖归因与温室气体浓度增加是有依据的地球历史上每过一定的时间会发生一次二氧化碳浓度激增，然后伴随着数十万年的缓慢减少，如此循环，这是什么原因？地质年代表古生物大灭绝Gubbio的铱和K-T边界：白垩纪—古近纪大灭绝研究进展6550万年前小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯地区（2010年科学杂志）；证据，全球K-T地层分界线富铱黏土层小结三个问题：当前全球环境问题、早期全球变化、地球系统的运行人类可以在很多方面改变环境：全球变暖、臭氧层空洞、森林砍伐和物种灭绝人类活动的影响可以通过历史时期的资料来证实：冰芯记录二氧化碳浓度变化、K-T边界与白垩纪—古近纪物种大灭绝的对应太阳光度的变化早期太阳暗淡佯谬根据太阳光度随时间变化情况显示，早期地球会远比现在寒冷目前的实测结果显示38亿年前地球就有液态水的存在，而35亿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。随之而来的问题：温室气体为何能够随着太阳变亮而降低？是因为巧合还是地球本身具备维持稳定的机制？Gaia假说JamesLovelock在1972年提出：维持地球气候稳定的正是生物自身，生物可以通过光合作用或改变二氧化碳进入碳酸盐的速度来使地球保持合适的生存环境。也就是说地球本身是一个具有自我调节功能的系统。Gaia假说这是一个难以得到验证的论断，但是这个假说提示人们去认识地球系统本身及其运作规律，以及系统各部分的功能。系统理论和方法系统方法在几乎所有领域中都有所运用：包括自然科学和社会科学的各个分支。一个很好的例子就是人体生理学。人体由很多系统组成，这些系统共同执行维持生命的各项功能：如吸入氧气排出二氧化碳的呼吸系统；用来进行血液循环、携带氧气和二氧化碳在整个人体运行的心血管系统，加工食物并为全身活动提供燃料的消化系统；感受内外环境变化并控制其他系统活动的神经系统等系统的成分系统的各个部分称为系统的成分。成分可以是物质的储库（用质量或体积描述）、能量的储库（如用温度表示）、系统的属性（如体温或压力）或子系统（如心血管系统——人体内相互连结的子系统之一）系统的状态用来描述系统某一时刻特征的一组重要属性。比如人体系统的血压、体温。系统的成分是相互作用的，系统状态的变化能被整个系统“感觉”到。在许多系统中，这种联系可以使重要的属性得以控制。比如即使周边的环境温度发生了很大的变化，人体的内分泌系统仍能保持体温恒定。耦合从人体生理的这些例子可以看出，人体“系统”的组成部分不是独立存在的，它们相互关联，使得信息从一个成分传向下一个成分。这些关联称作耦合。系统内部的各种耦合例子：空调正耦合：在正耦合中，一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生同方向变化的促进因素。用箭头表示负耦合：在负耦合中，一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生反方向变化的促进因素。用圆形箭头表示反馈循环空调的例子中，成分之间的两个耦合形成的一个“往返”，即反馈循环。反馈是一个变化和对变化响应的自我延续机制。例图空调温度空调温度空调温度体温体温体温正耦合负耦合反馈循环（负）反馈循环实例学生A期中考试考砸了，老师B找他谈话，老师的谈话方式可能是（讨论）。可能的结果是（讨论）老师B严厉批评，学生A知耻后勇，期末考试丰收（负反馈循环，批评成为激励）老师B严厉批评，学生A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B好言安抚，学生A重塑信心，期末考试丰收（负反馈循环，安抚成为打气）老师B好言安抚，学生A忘乎所以，期末考试继续退步（正反馈循环，安抚成为放纵）反馈循环实例图两种反馈循环负反馈循环降低扰动的影响使系统趋向于稳定正反馈循环放大扰动影响使系统更不