天文因素与环境、灾害的交叉研究

天文因素与环境、灾害的交叉研究天文学与灾害研究中国科学院国家天文台韩延本孤本的地球●目前所知的唯一可供高等生物居住的宝贵的天体●地球及其所在的天体系统的特殊构造及地球的特定位置，经过亿万年的演化，形成了适于人类等生物生存的环境。内、外部原因使整体或局部发生变化超出人类能适应的正常范围，形成自然灾害（甚至灾变）地球一个特殊的天体人类的家园●开展自然灾害研究的意义●人类社会的两大主题：生存与发展自然灾害威胁着人类生命财产的安全、社会的进步与发展，自然灾害与人口、环境、资源被列为当今制约社会发展的四个重要因素●自然灾害造成生命财产的重大损失全球因灾害平均每年损失约4000亿美圆中国地域广阔、地形复杂，多自然灾害，人员及财产损失严重唐山大地震死亡24万人，伤16万人，经济损失100亿圆；平均每年损失GNP的3%―6%，约相当于财政收入的30%；GDP98年大水，2.3亿人受灾，死亡3650人，损失2640亿圆（占全球1/3）随着现代经济的发展，自然灾害的损失数量呈上升趋势●研究灾害孕育、发生发展的规律、物理机制探索有效的预报方法重要的理论意义、应用价值，重大的社会效益、经济效益开展灾害研究的意义20世纪造成人员死亡超过万人的地震（表1）日期地点震级死亡人数/人备注1906.08.17智利8.4200001908.12.28意大利南部7.583000也有报75000人1920.12.16中国海原8.62341171923.09.01日本东京7.91420721927.05.22中国8.02000001932.12.25中国7.6700001934.01.15印度尼泊尔边界8.3107001035.05.30巴基斯坦7.5800001939.01.25智利7.8280001939.12.26土耳其8.0800001960.02.29摩洛哥阿加迪尔5.8120001962.09.01伊朗7.25122001968.08.31伊朗7.415000一说死12100人20cy地震亡人120世纪造成人员死亡超过万人的地震（表2）日期地点震级死亡人数/人备注1970.03.28土耳其7.31086冰崩死20000人1970.05.31秘鲁7.6667941972.12.23尼加拉瓜6.25000~8000一说死60000人1976.02.04危地马拉7.522778~230001976.07.28中国唐山7.82427691978.09.16伊朗7.825000一说死15000人，20000人1988.12.07苏联亚美尼亚6.9250001990.06.21伊朗7.340000~500001993.09.30印度6.42500010000人下落不明20cy地震亡人2中国地震、洪水灾害地震1.1556.1.23陕西地震，83万人死亡。2.1850.9.12四川地震，死亡30万人。3.1920.12.16甘肃地震，23.5万人死亡，经济损失2500万美元。4.1976.7.27唐山大地震，24万人死亡，13亿美元的经济损失。5.1999.9.20台湾地震，2400人死亡，经济和保险损失110亿和8.5亿美元。洪水1．1852年中国中部河南省发生大洪水，造成10万人死亡。2．1887年中国中部河南、陕西等省发生大洪水，造成90万人死亡。3．1931年中国长江发生大洪水，死亡14万人。4．1954年8月，中国长江流域发生全流域性特大洪水，4万人死亡。5．1998年6~9月中国长江流域和松花江流域发生特大洪水，造成3650人死亡，经济损失和保险损失分别为300亿美元和10亿美元。中国大震大水建国以来我国大陆地震经济损失统计表发震年月地点震级经济损失/亿元1966.3河北宁晋7.210.01970.1云南通海7.73.01975.2辽宁海城7.34.01976.7河北唐山7.8约1001983.11山东菏泽5.92.51988.11云南澜沧-耿马7.6,7.220.51989.4四川巴塘6.73.91989.10山西大同6.14.01990.4青海共和6.92.0建国后地震损失国际减灾十年●1987/12/11，第44届联合国大会通过第169号决议：决定20世纪90年代为国际社会在联合国的主持下，特别注意在减轻自然灾害领域内促进国际合作的“十年”（国际减轻自然灾害十年）InternationalDecadeforNaturalDisasterReduction●要求各国政府表明必要的坚强的政治决心，调动和利用现有的科学和技术知识来减轻自然灾害的影响。●中国政府成立了国家减灾委，中科院成立了减灾研究中心●国际减灾十年活动使自然灾害活动规律和预测的研究有了一定的进展，极大地增强了人们的灾害意识，对进一步开展自然灾害研究起到了积极的推动作用。国际减灾十年●自然科学研究要以人为本，以人类社会和人类文明的发展与进步为本●科学研究：——基础研究探索未知世纪，认识自然界的奥秘发现和认识变化规律、机制——应用研究发展新技术，解放生产力，促进生产的发展，维持良好的生态环境，减轻自然灾害对人类生命财产的影响●天文学：包含基础研究和应用基础研究两大部分探索宇宙的奥秘，认识天体的特征服务于社会发展的需要天文学应当积极参与自然灾害研究科学研究的目的天文学与自然灾害研究●开展自然灾害研究的意义●开展天文学与自然灾害相关研究的意义●天文灾害学●天文灾害学研究的进展●天文灾害学研究的内容●天文灾害学研究的有关问题2天文与灾害研究意义●天文学与自然灾害研究●地球:一个复杂的开放系统—物质和能量的交换常见自然灾害：气象灾害、水文灾害、海洋灾害、地质灾害等形成于气圈、水圈、岩石圈物质的较大或剧烈的运动变化。特点：发生过程往往较短，甚至非常突然孕育却一般要经历较长或很长的时间起因：内因--灾害孕育的初期，内因的作用是主要的外因--孕育到一定程度时（尤其达到临界状态时），外因的诱发和触发对灾害的发生时间（如地震）、地点（如一些气象灾害），甚至发展的强度，却可能起到比较重要的作用●理论意义（深入认识自然现象）应用价值（提供预测信息、减轻人员死亡和损失、国家安全）天文与灾害1●自然灾害具有多样性的特点，从科学研究的角度：属于地球物理学、地质学、地震学、大气物理学、气象学、气候学、水文科学、海洋学以及天文学等孕育及发生、发展的物理过程极其复杂，受多种因素的影响，灾害前兆及过程并不局限在地球的某个圈层之中，研究需要许多学科的共同参与●灾害研究造就了一个交叉研究的新兴分支学科——自然灾害科学●许多自然灾害与一些天文因素有关，多年的天文学与灾害的交叉研究——已成为自然灾害学的重要分支自然灾害与天文学耗散理论与自然灾害耗散结构理论认为：远离平衡态的开放系统，在外界条件变化到一个特定临界状态时，某些扰动可能引起大的涨落出现，可能不被耗散，反而可能被放大，并进而导致系统发生宏观的变化（突变、灾害），可能从原来的某种混沌无序状态转变为一种新的相对稳定的结构。如地震，震源区为开放系统，孕震期间震源处一定范围内的地壳处于高度不稳定状态，在内外因的作用下，地壳内物质的运动使岩石应力逐渐积累临震状态，系统内部存在非线性的相互作用过程，外界条件有微小变化，就有可能产生放大作用，使系统突变而在瞬间发生地震。耗散理论与灾害●天文灾害学●研究天体和天体系统的运动变化与自然灾害、灾变现象的关系，认识它们的相关规律及相关的物理机制，探讨利用天文因素的变化为自然灾害的研究、预测提供信息，或直接预测某些自然灾害的方法的一门学科。●从天文学的角度来说，它是继天文地球动力学这个新兴的分支学科在近几十年逐渐形成之后，所形成的天文学的另一个新的分支学科。●天文学—基础学科，但含有重要的应用基础研究的内容，与人类社会的发展关系极为密切，社会发展的需要推动天文学的发展。●天文灾害学—应用基础研究学科理论研究：以数、理、化等基础研究学科为基础，并与新理论相结合，形成对认识现象和研究预测方法有指导意义的理论研究结果。应用研究：研究提供预测信息或直接预测某些灾害的方法●自然灾害学的一个分支，具有明显的交叉研究的性质。3天文灾害学1地球环境一般介绍地球的天文环境●银河系：物质分布不均匀旋臂结构自转太阳系以约2.9亿年的准周期绕银心自转（遍绕四个主旋臂约5.8亿年）在银道面上下往返运动（约6700万年）—改变与周围天体的相对位置，穿越不同密度的星云物质—影响太阳活动、太阳辐射、太阳系接收的宇宙线强度等—旋臂中彗星、流星体的数量多●太阳系：轨道参数变化影响地球接收太阳辐射量，天文气候学理论小天体（小行星、彗星及流星体等）的影响大行星在太阳上的引潮力可能影响太阳活动，进一步影响地球太阳活动剧烈:太阳辐射黑子耀斑质子事件、太阳风等影响地球的物理状态与变化规律，影响海洋和大气的环流过程太阳活动通过电磁作用影响固体地球（包括自转变化），引潮力变化，●地—月系：引力―引潮力―潮汐，引起物质的周期性运动地球自转一般介绍1●复杂的地球自转●运动矢量的方向变化：体现在两个方面：岁差―地轴与北黄极成约23.5度角作圆锥运动，准周期约2.6亿年章动―地轴相对平均位置的振幅较小的波动，准周期约18.6年极移―地轴相对地球本体的移动地质时代可能发生过较大规模的移动现代：相对CIO，长期以约0.003″/年的速率和约80°W方向漂移多种准周期分量：约14个月的Chandler摆动（自由摆动）约1年的受迫摆动，其他分量地球自转一般介绍2●复杂的地球自转●运动矢量的速率变化：潮汐摩擦使自转长期变慢，LOD的变化为约2.4毫秒/世纪（理论值）非潮汐因素使自转加快，LOD的变化实测约为1.6毫秒/世纪各种尺度复杂变化：准周期--百年、十年、年、季、月、日、亚周日不规则变化与起伏，突变地球公转一般介绍●公转：轨道参数（偏心率、黄赤夹角、近日点进动）变化，影响地球接收太阳辐射量的稳定性产生重要的和深远的影响M.Milankovitch理论天文灾害框图●天文灾害学研究的初步进展●地球在银河系中的运动与自然灾害关系的研究太阳系绕银河系旋转的准周期约为2.9亿年，太阳系遍绕银河系的四个主旋臂一次约需5.8亿年。不断改变着它们与周围天体的相对位置，并穿越不同密度的星云物质●两个值得重视的影响途径：1.通过影响太阳活动，进而影响地球；2.不同的银河系环境直接对地球的影响。●影响太阳活动、太阳辐射、太阳系接收的宇宙线强度等太阳系在旋臂中遇到含氢丰富的尘埃云的冲击，可能日面温度升高约1%，地球上近6亿年来的几次生物灭绝和地磁倒转事件，在主旋臂内；各次大冰期，太阳系在主旋臂之外。银河系环境与灾害1●一些地质年代分层与太阳系过银河系旋臂的时间及太阳系穿越银道面的时间也有密切的关系。●太阳系处银河系的旋臂中时，因其中彗星、流星体的数量多，地球受此类小天体撞击的机会也相应增多。●影响主要体现在大的时间和空间尺度上，但影响是深远和重要的值得深入探讨和研究的。●有学者认为超新星爆发、宇宙线强度变化等天文因素对地球环境的变化及自然灾害可能有一定的影响和调制作用银河系环境与灾害2太阳穿银道与海平面●地球在太阳系中的运动与自然灾害●地球公转轨道参数变化轨道偏心率、黄赤交角、轨道长轴（形成近日点进动）影响日地距离、公转速率、季节长度、接收的太阳辐射量Milankovitch理论曾因气候资料不充分，验证有困难而未引起重视，近几十年来，对冰岩芯及深海沉积物的研究，给这一假说以有力的支持近百万年来全球气候存在约十万年、约4.2万年、2.3万年的准周期轨道偏心率9.6万年、黄赤交角约4.1万年、岁差约2.1万年的准周期太阳系环境与灾害1●地球在太阳系中的运动与自然灾害●气候变迁的天文假说太阳位置变化说太阳经过宇宙中的寒冷空间，地球上出现冰期星云吸收说太阳过星云，星云吸收太阳辐射，形成冰期行星掩蔽说物质从太阳中分离出去而形成行星时（水、金），掩蔽阳光，形成冰期太阳冷却说太阳辐射变化（减少），形成冰期地球中心移动说北半球多陆地，冬季冰多，重心北移，海水北移，海浸降温起潮说地球在近地点时，太阳起潮力大，海水移动，海浸移动地球轨道参