第四章 全球变化研究的主要途径

第四章全球变化研究的主要途径第一节过去全球变化重建根据所依据的信息来源与研究方法的不同，当前全球变化研究包括三种途径：1全球变化的重建，以残存的过去全球变化的产物为依据，反推形成产物的环境状态，进一步推测其成因机制；2全球变化的动态监测，利用各种观测手段，对正在进行的全球变化过程进行实时跟踪观测，从中找出变化的规律；3全球变化的模拟，从全球变化的过程与成因机制出发，根据对全球变化过程的认识，建立数学模式，利用模式从已知的环境过程出发，演绎可能的环境状态及其产物。4.1过去全球变化的重建过去全球变化研究的重要意义：第一，重建全球变化历史，了解演变过程、时空分布形式、变化的区域差异等方面的规律；第二，通过过去发生过的全球变化现象，探讨和认识全球变化的成因机制；第三，利用重建的结果验证模式的可靠性或为模式的建立提供参数；第四，由历史演变规律推测未来环境或为预测未来环境提供历史相似型。4.1.1重建的基本假设⑴均一性假设⑵协同性假设⑶全息假设①观测记录，指借助于各种观测技术手段所获得的环境信息，它们记录规范，精度高，但时间尺度短。②考古和历史文献记载，由人类物质文化活动而形成的物质和文字的记录。③古环境感应体，指在过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体。4.1.2环境属性信息过去全球变化的主要信息源海洋沉积及氧同位素记录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。利用有孔虫的碳酸盐介壳的18O/16O值能够定量地反映全球温度变化及冰量变化的特征。欧洲、北美的第四纪黄土主要分布在冰川外缘，黄土沉积表明当地在该时期属于寒冷苔原性质的冰缘环境；我国的黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林或森林草原环境。黄土与古土壤植物的孢子（苔藓类、蕨类等）和花粉（种子植物）。特点：体积小（一般5-200µm），重量轻；数量多；结构严密，可长期保存；不同植物品种形态各异。孢粉化石可以在较大范围内用于地层对比和古植被、古气候分析判断等。孢粉和植物硅酸体植物硅酸体（PlantSilicaBody）又被称为蛋白石植石（OpalPhytolith）。植物硅酸体分析法在1929年被德国学者用于鉴定陶片碎屑中的水稻遗存，在近三十年左右全球变化研究中得到重视和发展。植物包括粮食作物从土壤中吸收大量硅酸，以水合硅（SiO2·nH2O）的形式在根、茎、叶、花、果壳等器官中某些特定细胞的细胞壁上沉积，形成坚硬的外壳；大多数植物都能产生具有独特形态特征的植硅石个体或组合群体。根据植物硅酸体的形态特征可以区分植物的类型，对于从孢粉难以区分的禾本科植物能够区分到亚科、属甚至种；与孢粉比较，硅酸体属高度原地沉积，且在孢粉和其它化石难以保存的地层中亦能保存下来；因此，在某些方面较孢粉资料更具优越性，可与孢粉资料相互补充。冰芯气候资料的特点：高保真好（低温环境）分辨率高（年）记录信息长（几十万年）信息量大冰芯研究是20世纪70年代末，在国际上兴起的一门研究雪冰内各种信息的交叉性前沿科学。冰芯从冰芯中能够提取的信息：用氢氧含量、δ18o推求冰川形成时的温度；冰川的净累积率可以作为降水量变化的指标；测定气泡生成时的大气成分（冰芯中的化学成分和微粒含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地球沙漠化和大气环流强度的状况，火山活动的历史）；冰芯中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活动和地磁场强度变化的历史等。年平均降水的δ18O值年平均气温的关系（据《历史时期气候变化研究方法》）冰芯10Ｂe与太阳辐射强度的关系1999年从南极洲东方站运回3600米长最深的冰。可以重建42万年来气候变化。2003年欧洲一个南极洲冰芯考察小组，获得了3200米深的冰芯试样。可追溯到75-90万年前。最古老的冰芯，它将为地球气候历史研究提供新的信息。（45万年前的地球轨道与现在的轨道很相似，78万年前是地球磁场最近一次发生翻转、南北极对调的时候。）2005年03月24日来自南极冰盖最高点地区的135米长的冰芯运抵上海。现有冰芯可以提供至少2000年来的气候环境变化历史。树木年轮是树木周期性生长的结果，在季节差异明显的地区，温暖或湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早材和晚材合起来为一个年轮。树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十到几百年尺度全球变化的最重要的信息源之一。树木年轮气候代用指标：年轮的宽度与树木年龄、前期生长状况和环境等多方面因素有关。树木年轮稳定同位素组成的变化与温度、降水、大气二氧化碳含量相关；年轮宽度与气候因子关系当水分成为限制因子时（干旱，半干旱）,年轮宽度常与降水正相关；当水分充足或过多时,年轮宽度与降水无关或成负相关。在生长季开始时温度的升高有利于延长生长季,温度与年轮宽度成正相关；在生长旺季,温度往往不再是限制因子,这时温度的升高会导致蒸散加剧,在水分不足时往往限制了树木生长,多表现为与年轮宽度的负相关；在亚高山地区,由坡向、坡度等地形条件所决定的温度、湿度等条件是决定气候变化对树木径向生长的主要因素。如在温度起主导作用的森林北界或山地森林上界地区，宽年轮对应高温年；在水分条件为限制因素的干旱、半干旱地区，宽轮对应多雨年。祁连圆柏年轮指数与其他代用指标的对比同温度、降水变化及大气CO2含量变化有关，有人甚至认为由δ13Ｃ所反映的信息要比年轮宽度作为指标所反映的更为准确，因为后者要受许多偶然因子的影响。右图为陕西黄陵树轮的δ13Ｃ与树木生长季内的相对湿度相关关系。树木δ13Ｃ的最低值与降水丰沛的夏秋季相对应的。)(/131213CCC的比值变化4.1.3空间和时间位置信息有关全球变化事件的空间位置的信息涉及判断全球变化代用资料的保存地点与其生成地是否一致，代用资料在保存期间是否发生再次的迁移，代用资料保存地本身的空间位置是否发生空间变化、以及代用资料的空间有效性与空间分辨率等问题。三种时间体系14C年代测定teNNNCNCHCNn014614714614614710:)(的含量任一时刻自然界中含有三个C同位素，12C、13C和14C，其相对含量分别为98.89％、1.108％和1.2×10-10％，其中14C是放射性同位素。大气中宇宙射线产生的中子轰击14N核产生14C，14C通过氧化或与CO2交换而包含在CO2中，并在大气圈和水圈中混合到达平衡浓度。这种平衡浓度的维持是因为大气中不断地生成14C，而14C也不断地衰变成14N。即：古地磁测年在地球历史上，地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次，称极性倒转。其中，105～106年长度的极性变化称为极性期，与现代磁场方向相同的时期称正向极性期，反之称反向极性期。在每个正（反）向极性期内，存在着104～105年的短暂极性倒转，称反（正）极性事件。地球磁场的极性变化特征在岩石或沉积物中矿物冷却、沉积或蚀变时，被记录在这些物质的剩余磁性记录中。地质年代表新第三纪(系)老第三纪(系)250新生代（界）的划分4.1.4重建过去全球变化的主要步骤①对过去全球变化信息的识别与提取、②对过去全球变化的证据进行标定与校核、③过去的全球变化的整体或部分地复原等。