南京大学 地球科学系统概论 11全球变化

1全球变化的研究对象和内容2地质时期冰期、间冰期及其循环1.全球变化的时间尺度2.自然历史中的气候变化及档案的解读1.近5000多万年来的全球变冷2.驱动冰期—间冰期反复交替的原因3.千年尺度的气候突变4.人类影响増强的今日世界习题十一1.如何用氧同位素来测定古海水的温度。2.驱动冰期-间冰期反复交替的原因。参考书1.全球环境变化,1997，温刚、严中伟、叶篤正，湖南科学技术出版社。2.万物简史,2005,(美)布莱森著,接力出版社。AshortHistoryofNearlyEverything3.天气与气候，2004，[美]迈克尔·阿拉贝，光明日报出版社。全球变化的研究对象和内容全球变化的时间尺度自然历史中气候变化及档案解读气候系统演变的复杂性气候系统的演变是大气圈、生物圈、水圈和岩石圈四个亚系统相互作用的结果，而不是某些因素的简单叠加。比如大气中的co2含量，除人类活动影响外，既与生物圈（光合作用吸收co2，腐解作用释出co2）、水圈有关，也受到岩石圈活动（风化、岩溶作用吸收co2，火山活动释出co2）的制约，而不同圈层作用周期的时间尺度从以年计到以千万年计相差悬殊。科学家对于未来气候的预测，也带有某种不确定性。1.全球变化的研究对象和内容全球变化的研究对象和内容全球变化研究的产生来自社会发展的需要和科学技术的进步：1.社会发展的需要目前存在十大全球性的环境问题急待国际合作来共同解决。2.科学技术的进步到20世纪末，全球国际性应用的探测器和预报系统得到广泛的国际应用。1000个高空站、10000个气象站、3000个飞行器，以及各种立体动态信息库和不同类型的观测系统。1.全球变化的研究对象和内容全球变化是一门系统科学全球变化运用地球系统科学的观点，强调从整体出发，将地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈看作是一个有机联系的地球系统，发生在该系统中的各种时间尺度的全球变化是地球系统各子系统（圈层）相互作用的结果，三大基本过程（物理、化学和生物学过程）相互作用的结果。首次提出将人类活动作为与太阳和地核并列的、能引发地球系统变化的驱动力——第三驱动因素。1.全球变化的研究对象和内容全球变化的时空尺度全球变化的时间尺度全球变化可以划分为5个特征的时间尺度：1.几亿年至几百万年——受行星演化进程的控制板块运动、造山过程、地球圈层演变、生命进化2.几十万年至几千年——受地球运动规律控制冰期事件、海面升降、物种迁移和灭绝、人类文明3.几百至几年火山活动、大气环流、温室效应、厄尔尼诺4.几季度至几天：季节变化、水流循环5.几小时至几秒：火山地震、大气湍流1.全球变化的研究对象和内容全球变化的空间尺度全球变化可以划分为4个特征的空间尺度：1.全球尺度——空间范围大于20000km2.区域尺度——空间范围100Km～20000km3.地方尺度——空间范围10Km～100km4.局部尺度——空间范围数千米之下1.全球变化的研究对象和内容地质历史上三个超大陆哥伦比亚超大陆（Columbia）距今19～15亿年前罗迪尼亚超大陆（Rodinia）距今10～7.5亿年前潘基亚超大陆（Pangea）距今2.9～2.5亿年前1.全球变化的研究对象和内容04年12月震惊世界大海啸大地震，重创7个亚洲和1个非洲国家，震力如1万颗原子弹，死亡27万余人(近1/3是儿童)。底浪时速800km，上岸浪高30m，造成海底长300km，高10m的海隆。苏门答腊-安达曼大地震（板块构造与板块运动真的存在，板块边界昀不稳定）2004.12.26大地震是一次复杂的地质活动，缓慢开始、突然发生、缓慢减弱，是有记录以来的第二大地震释放的能量,相当于一颗1000亿吨当量的氢弹或者相当于美国半年消耗的能量，引发的灾难是有史以来的第三大同类灾难。1.全球变化的研究对象和内容自然历史中的气候变化及档案的解读从大量温度计、量雨器、探空气球到空间卫星，这些现代仪器构成的全球观测网，可以向人们提供几乎每时每刻的各地气候和环境变化状况。然而，大量的现代观测记录仅有近百年的历史。我们如何知道更早期的地球变化历史呢？办法是有的，而且还不少。用这些办法获得的早期气候和环境记录通常被称为代用资料，以示其与现代仪器观测资料的不同。下面我们就来简介一些目前常用的代用资料及其方法：历史纪录、树年代学、氨基酸测定年龄、古生物钟、纹泥等。1.全球变化的研究对象和内容历史纪录历代文人留下的日记、诗歌、碑文和游记等文字遗产中常常直接或间接地述及的气候和环境。一些王朝的编年史中更是经常把一些气候异常现象当作大事记录下来。把所有这些文字记载收集起来加以分析，就可能得到所记时期的一系列代用资料。我国悠久而丰富的文史记载及其应用在国际学术界独树一帜。已故学者竺可桢曾利用文史记载推断出我国东部五千年来的温度变化。1.全球变化的研究对象和内容地质时钟为追溯地球的历史，需要知道地质体的年龄，推算各种地质事件发生的时代。地质学家们已经研究出各种关于岩石和构造的相对和绝对年代测定的方法，可以把地质事件按年代顺序进行编排。一个岩石单位的相对年代是由它与相邻已知岩石单位的相对层位的关系来决定。绝对年龄是用距今多少年以前来表示，可以通过某种岩石样品所含放射性元素测定的。1.全球变化的研究对象和内容原生构造原生构造是在岩石沉积时形成的，其中交错层理、粒级层理、波痕等可以来确定相对年代。交错层理：“上截下切”判定原理；粒级层理：一个单层的底面到顶面，其粒级出现了由粗到细的变化。1.全球变化的研究对象和内容不整合当岩层上升被侵蚀后又被新沉积物所覆盖，这种埋藏的侵蚀面称为不整合。不整合可确定地层的相对年代，主要有以下类型：非整合、角度不整合、平行不整合和小间断。1.全球变化的研究对象和内容雪球地球存在的痕迹1.全球变化的研究对象和内容沿纳米比亚Skeleton海岸线的悬崖峭壁为雪球地球假说提供了一些昀佳证据。本文作者Schrag和Hoffman指着的岩层代表持续7亿年的雪球地球状态的突然终结。1.全球变化的研究对象和内容岩层之间岩石里的浅色冰砾可能曾经在冰山里与它一起漂移，在冰融化时冰砾落入泥泞的海底。纯净的碳酸盐层再堆积在突然掉进后来变热的温暖浅海里的冰川沉积物上。这些“帽状”碳酸盐就是展现巨大的晶体凸扇（伴随着迅速的碳酸盐积累）的唯一新元古代岩石。1.全球变化的研究对象和内容树年代学通过对树的生长纹和树年代学的研究，能提供一块木头的绝对年龄。一般情况下，树每年增加一个年轮，而且年轮的厚度在很大程度上取决于当时的气候条件，如温度和雨量。（10亿年前地球上一年至少516±20天，一个月至少有40天，一天昀多16.99±0.66小时）1.全球变化的研究对象和内容1.全球变化的研究对象和内容氨基酸年龄测定植物或动物组织内氨基酸的性质也可以用来测定年龄。当生物死后，其体内的氨基酸的光学轴便改变方向。这一变化的速率已被测定，由此可得出对很小生物标本进行年龄测定的技术。这种方法可以用来测定年龄约为20万年的标本，但它对温度很敏感，当在一个持久的寒冷时期（如冰期中）其速率就会下降。1.全球变化的研究对象和内容古生物钟珊瑚表壁上的生长线可能代表海水的季节变化，因此可用珊瑚化石发育情况试图恢复古气候带。1963年，威尔斯指出现代珊瑚中的生长线实际上为每天生长周期的标志。通过研究，求得的各地质时期每年的天数与天文学方法大体相等。生长线划分地质年代的主要限制因素是一年中的天数变化。1.全球变化的研究对象和内容纹泥纹泥可以帮助确定冰盖撤退期间事件发生的时代。纹泥形成于湖底，一个纹泥组由淡色较粗粒的层和较暗的细粒层组成，这代表一年的沉积。若将其中一层纹泥用放射性碳测定后，即可算出其他纹层的年龄，便可恢复湖泊的历史。1.全球变化的研究对象和内容冰芯气泡保存了远古时的大气地质时期冰期、间冰期及其循环驱动冰期-间冰期反复交替的原因近5000多万年来的全球变冷千年尺度的气候突变人类影响増强的今日世界自然环境的两个极端：冰期和间冰期春夏秋冬，年复一年，这类人们已习以为常的天文周期现象极大地掩盖着我们所关心的那些长时间的变迁。长时期变迁究竟能造成多大的环境差别呢？针对此问，我们不妨先翻看一下昀近约15万年的地质沉积记录。为什么要选择这样一个时段呢？2.地质时期冰期、间冰期及其循环因为这个时段包括了昀近一次间冰期到冰期的循环，也称冰期旋回。从冰期、间冰期又回到冰期、间冰期，这样的冰期旋回构成了近代地质史上地球环境变化的大尺度轮廓。昀近这个冰期旋回则是目前被研究得较为透彻的一个。2.地质时期冰期、间冰期及其循环全球温度、冰量和大气二氧化碳含量的巨大波动著名的南极冰芯Vostok（深达2083米）记录了15万年来的多种气候要素的变化。图中的横坐标单位为距今“万年”数，纵坐标表示相对于现代的温度差值。2.地质时期冰期、间冰期及其循环可见，13万年前（即130ka）的末次间冰期温度高于现代不到3℃，其后波动降温，约7万年前的剧烈降温标志着末次冰期的开始，至2万年前的末次冰期极盛期，气温比现在低近10℃，再往后到约9000年前的全新世早期，温度急剧回升又比现代高出1℃以上。这就完成了所谓的末次冰期的旋回。显然，现代气候更近于间冰期。2.地质时期冰期、间冰期及其循环从南级冰芯测得的近16万年来的co2含量与氧同位素温度曲线（图中红线）呈同步变化，即在间冰期co2含量高，冰期含量低。但对二者之间的因果关系，仍未获得一致的认识。地质时期冰期、间冰期及其循环冰期是指气温显著变冷，冰川规模扩大的时期。高纬度冰盖扩张、山岳冰川向低地延伸、海面降低、气候带和生物带向赤道迁移……间冰期是两次冰期之间的气候回暖的时期。冰川退缩、海面回升、气候带和生物带向两极迁移……冰期和间冰期的循环。地质学界根据冰碛物定年已知，地球8亿年来的历史是冰期和间冰期反复交替的历史。8亿年来地球上出现过4次大冰期和3次间冰期。2.地质时期冰期、间冰期及其循环2.地质时期冰期、间冰期及其循环1685年在伦敦结了冰的泰晤士河上举行的一次冬日集市。这在所谓的小冰河时代是一项常见的活动。那个时代一直延续到19世纪。2.地质时期冰期、间冰期及其循环上个冰河时代从融化的冰川里掉出来并留在原地的一块巨砾。直到19世纪，地质学家还搞不清这种被称之为漂砾的奇怪岩石来自何方。2.地质时期冰期、间冰期及其循环瑞士博物学家路易斯·阿加西斯。他成了有关很大一部分地球曾经被冰川覆盖的观点的最直言不讳的宣传者。冰川漂砾2.地质时期冰期、间冰期及其循环1886年，几个富有冒险精神的贵妇人在向导的帮助下越过瑞士的一处冰原。19世纪末，到阿尔卑斯山度假成为时尚，这非常有利于北欧的地质学家意识到冰川的威力。2.地质时期冰期、间冰期及其循环苏格兰门房兼自学成才的博学家詹姆斯·克罗尔。他的关于地球轨道的理论对冰川的时代的成因提供了第一个言之有理的解释。2.地质时期冰期、间冰期及其循环塞尔维亚机械工程师和数学家米卢廷·米兰柯维契。他在布达佩斯成为一名战俘期间完善和扩展了克罗尔的理论。近5000万年来的全球变冷近5000多万年来，全球逐渐变冷，高纬度地区的海水温度约下降了15℃之多（从左图曲线可以看出，温度不是直线下降，而是呈振荡式下降）。5000多万年前，地球是一个高温的无冰世界。至3000多万年前，南极大陆出现冰盖（南大洋的海底地层中已发现当时的冰运碎屑），地球成为单极有冰的世界。200多万年以来，北极地区出现冰盖，至今地球仍是一个两极有冰的世界。近5000多万年来的温度下降曲线是怎样得出的？大洋中的有孔虫是一种单细胞动物，其壳体由CaCO3组成，其中的氧同位素18O/16O值与海水中的比值保持平衡。当气温下降、冰盖扩展时，部分海水转化成为冰盖，这时从海水逸出的主要是16O，致使海水中的18O/16O升高。这样，测定海底地层中不同年代有孔虫壳体中的18O/16O的比值，即能反映相应年代海水温度的变化。将不同测站的氧同位素数据加以综合，就可以得出全球温度的变化曲线。有人形象地把这种氧同位素比值比拟为测定远古时期温度变化的“温度计”。2.地质时期冰期、间冰期