3-全球变化的主要特征与过程

第二章全球变化的主要特征与过程第一节全球变化的时空谱特征全球变化全球变化事件与过程的时空尺度全球变化的过程跨越了不同的时间尺度，地球系统从100年以下到10年的各个时空尺度上均存在变化。全球变化的变与不变是相对于一定时间尺度而言的全球变化全球变化的空间尺度全球尺度：◆全球的太阳辐射能量◆经向与纬向大气环流◆平流层臭氧◆对流层温室气体与气候效应◆海洋环流◆板块运动与大洋扩张全球变化全球变化的空间尺度区域尺度：◆气候带变化◆海洋局部变化◆季风变化、热带气旋◆山地冰川、冰盖变化◆造山运动全球变化全球变化的空间尺度地方尺度：◆地震◆暴雨和水灾◆大气污染◆水体污染◆地貌与土壤环境◆资源分布台湾台风水灾2009，8全球变化全球变化的空间尺度局地尺度（10km）：◆?歌乐山地陷全球变化全球变化在空间尺度上将区域尺度和全球尺度综合考虑，既研究全球变化过程，又关注区域表现形式区域尺度与全球尺度的相关性时间尺度问题•气候变化证据?冰川活动证据？全球变化时间尺度？时间尺度？对1-1000年时间尺度响应的系统全球变化全球变化研究的时间尺度问题•天-月-季•年际尺度•百年尺度•千年尺度•万年尺度•十万年尺度•百万年尺度•千万年-亿年尺度天气变化季节变化农业活动太阳黑子活动火山活动温室效应天气长期变化海洋环流变化历史人类扰动冰期-间冰期地球轨道周期海平面变化人类文明历史岩石圈循环板块运动造山运动大气圈形成生命起源进化天气变化、人类扰动、大气与海洋环流、轨道周期、岩石圈循环、板块运动(一)百万年至亿年尺度全球变化•发生在地质历史时期内（地质学研究的主要内容）•受地球行星演化规律与进程的控制•属于不可逆过程中的地质事件•根据地质学和地球物理学的研究，地球大约经历46亿年的历史，其间，固体地球的形成完成于地球诞生后的1亿年之内。此后的地质活动都属于这一特征时间尺度的全球事件。板块运动、海陆变迁、山脉形成、大洋扩张、大气圈形成、生命起源与进化(二)千年至万年尺度•发生在地质年代表最新的一个地质时期——第四纪和人类历史时期内，主要受到地球轨道参数如偏心率、黄赤交角和岁差等变化的影响。•具有准周期性变化的特点，属于可逆过程中的事件。•典型事件包括第四纪冰期一间冰期的交替，冷暖、干湿变化•冰盖变化导致海面的大幅度升降•大气成分变化，尘埃含量变化；干旱区古土壤层的发育；生物种的分布、迁移和灭绝•人类文明的诞生与发展：如北京猿人出现于（0.5Ma），马坝人（0.13Ma）、丁村文化（0.12Ma），仰韶文化（7ka）全球变化(三)年际至百年尺度•这一时间尺度的事件发生在年际、年代际到世纪际•主要驱动因子包括太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺—南方涛动等自然因子和大气温室效应的增强等人为因子。•太阳活动具有大致11a和80a的周期•火山尘埃指数的变化具有大致70a的周期•赤道平流层纬向风具有准2a的振荡•厄尔尼诺—南方涛动具有3a一7a的短周期和大约70a的长周期•近百年来地球大气中温室气体CO2含量的变化则呈现持续上升趋势。全球变化该尺度涉及的典型内容：气温变化、海洋表层水温、降水量、径流量、地表侵蚀、植物物候期、植物种群结构的变化、植被带的可能移动、动物迁移、物种消失等。(四)天-季度尺度•发生在数天到1年，特征是季节更替•主要驱动因子：太阳辐射输入的年循环。与地表系统中较长时间尺度的变化相比，季节变化属于一种规则的韵律波动或周期性变化，它构成了地表能量流、物质流和信息流等以年为周期变化的时间背景•与人类的物质生产(农、林、牧、渔业)和文化生活(旅游、节庆、娱乐、着装等)的关系特别密切。•该尺度的典型内容：•季节气候变化，气温、降水、物候、候鸟与昆虫活动•土壤—植物—大气之间生物地球化学循环的年际变化等。全球变化对不同气候系统的响应时间什么是引起全球变化的驱动力？pauseHow?•太阳黑子周期?•地日轨道周期引起太阳辐射量变化?•地球表面地温降低?•大气环流改变?•板块运动与海陆变迁?•海洋环流改变?•地球在太阳系中的位置变化?•火山活动?思考•外因:•内因:全球变化太阳辐射量变化:地球轨道参数、太阳周期、太阳耀斑外星撞击等板块运动：海陆分布格局的改变山地隆起与平原造山带：改变大气环流海洋分布：改变大洋环流极地大陆：冰盖形成火山活动：排出CO2温室效应人为因素：人类生态系统改变地球的重要营力全球变化外动力因素的驱动力1、太阳本身变化导致的地球辐射量变化：黑子活动周期周期：10-100a（沃尔夫周期11a、海尔周期22a,世纪周期80a）2、地日轨道因素引起的地球辐射量变化：偏心率、地轴斜率、岁差周期分别为：410Ma、100Ma、40Ma、20Ma冬至点夏至点春分或秋分黄赤交角春分和秋分冬至和夏至南、北回归线北半球太阳回归运动驱动的季节变化太阳黑子高峰周期Cyc23太阳黑子低峰周期Cyc242001/03/292008/05/16ConservativepredictionsshowninredbyHathaway,NASA/NOAA,2007,usesanolderstatistically-basedmodel.OtherpredictionsusingSolarDynamicModelsindicateahigherpeakforCycle24.Cycle25seemstoolowinthischartwhencomparedtothepastnineActivityCyclesTheEarthssurfaceandtheatmosphereshowaSolarCyclefluctuation,anannualfluctuationandanENSOfluctuation.最近400年的太阳黑子活动Untilnow,scientistscouldonlystudysunspotrecordsbackto1610,whenastronomersstartedkeepingtrackofsunspotsbydirectobservation.Now,thankstoaclevernewmethod,the400-yearsunspotrecordcanbeextendedbacktotheIceAge.Thenewsunspotrecordwaspresentedinanarticleinthisweek'sissueofthejournalNature.Theauthors(oftheNaturearticle)didshowthattheirsunspotnumberreconstructionmatchedtheobservedsunspotrecordquitecloselyfromcirca1610—1900A.D.,saidcarbon-14specialistPaulaReimer,directoroftheCenterforClimate,theEnvironment&ChronologyatQueen'sUniversityinBelfast,Ireland.Sothisdoesprovideatestofthemethod.Thenewmethodworkslikethis:Treesandtreeringscontaincarbon,whichtheygetfromcarbondioxideintheatmosphere.Someofthatcarbonistheisotopecarbon-14whichiscreatedintheEarth'satmospherebycosmicraysflyinginfromoutsidethesolarsystem.Butthosecosmicrayscan'treachEarthwhenthesunisstormywithsunspotsandthesolarwindisroaring.Soatreeringcontaininglowcarbon-14isasignoffewcosmicraysinthatgrowthyear,whichisanindicatorofastormysun,contendMax-Planck-InstitutfürSonnensystemforschung'sSamiSolankiandcolleagues.Moststrikinginthenewsunspotarchivederivedfromthenewmethodishowmuchtoday'songoingstormyperiodstandsoutfrompastperiods,theresearcherssaid.Duringthelasteightmillennia,theepisodewiththehighestaveragesunspotnumberistheongoingonethatstartedabout60yearsago,reportedSolanki.Andalthough11,400yearsismerelyamomentinthemulti-billion-yearlifeofthesun,itisenoughtocontainarecordof31highsunspotperiodswhichaverageabout30yearsinlength,theresearcherssaid.Thelongestis90yearslong.Thatisenoughofasampletoenabletheresearcherstoventureaguessabouthowlongthecurrentstormyperiodwilllast.Theprobabilitythatitwillcontinueuntiltheendofthetwenty-firstcenturyisbelowonepercent,theresearchersconclude.Asforwhetherthelastfewdecadesofstorminessonthesunisthecauseofglobalwarmingoverthesameperiod,it'snotlikely,saidReimer.Theincreasedsolaractivitymayaccountforpartoftheclimatetrendanditdoescomeatabadtime,shesaid.However,intermsofactualwarmingitprobablyisn'talargecontributor.轨道偏心率周期＝10万和41万年地轴斜率周期＝4万年旋转轴岁差周期＝2.3&1.9万年From:Cane2005.EPSL230:227-240.ElNiñoSouthernOscillation厄尔尼诺现象带来的思考全球变化内动力因素的驱动力1、地幔对流引起的板块构造和海陆分布变化太平洋、古特提斯洋、地中海、大西洋联合古陆、劳亚古陆、冈瓦那古陆、印度板块亚洲的喜马拉雅山脉、欧洲的阿尔卑斯山脉、北美洲的科迪勒拉山脉、南美洲的安第斯山脉2、火山活动：火山灰粉尘等白垩纪印度德干火山导致恐龙灭绝。普林尼(Plinian)式火山喷发主要造成气候变冷和臭氧层破坏。大面积火山喷发造成气候变化的时空范围及程度均较大,它能够导致地表温度、海平面大幅度变化,最终引起生物灭绝;中小规模玄武质裂隙式喷发主要造成火山盆地内气候较大幅度变化,但对气候影响的持续时间较短,主要气候效应是导致附近地区温度快速下降和形成酸雨.晚元古代的海陆分布BytheEarlyJurassic,south-centralAsiahadassembled.AwideTethysoceanseparatedthenortherncontinentsfromGondwana.ThoughPangeawasintact,thefirstrumblingsofcontinentalbreakupcouldbeheard早侏罗纪的海陆