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1、第二章全球變化的主要特征與過程一、全球變化的時(shí)空譜特征全球變化在事件與過程的時(shí)空上構(gòu)成多尺度的耦合系統(tǒng)。Figure 2.3 EARTH SYSTEM PROCESSES: Characteristic spatial and temporal scales.全球104特征空103問尺度102(公里101010局地ACarbon-DioxideQ,obalVationsVeatlieriy Stems ClimateAtmosphericCom positronOrigin ofEarth and Of LifePfate TectonicsSynopticElG,acialMantle Co
2、nvectionMmPeriodsw。SpeciationOcean CirculationMouriiairr Building竺!Extinction Events4*hi.!WeatherSystemsuceanMixing SoilVariationsSoriDevelopment,. .fall出SeasonalEarthquakeVegetationCycleCyclesSoilErosionMetallo genesis_a,Volcanic Erupiion;fAtmosphericConvectiona NutrientCycles心KTAfspnenc Tu巾M 前; -i
3、SMinDayYear(a) Centary 104a106a109a特征時(shí)間尺度log(s)可見,要認(rèn)識(shí)這些事件和過程的性質(zhì),就必須在特定的時(shí)空尺度上對(duì)它們進(jìn)行研究。1.全球變化的時(shí)間尺度從時(shí)間尺度上看,全球變化可劃分為5個(gè)時(shí)間尺度:(1)幾百萬年至幾十億年(地質(zhì)歷史時(shí)期)該時(shí)間尺度的事件受地球行星演化規(guī)律與進(jìn)程的控制,基本為不可逆過程。包括的事件有:造山造陸導(dǎo)致的地球上滄海桑田的演變、大氣圈和水圈的形成的演變、生命的起源等。(2)幾千年至幾十萬年(第四紀(jì)的晚期和人類歷史時(shí)期)該時(shí)間尺度的事件受地球軌道參數(shù)(如偏心率、黃赤交角和歲差)等變化的影響。屬于可逆事件。包括的事件有:第四紀(jì)冰期一間冰
4、期的交替、海面的升降、伴隨冷暖干濕的大氣成分的改變、古土壤層的發(fā)育、生物中的分布、遷移和滅絕,以及人類文明的誕生和發(fā)展。(3) 幾年至幾百年 (年際、年代際到世紀(jì))該時(shí)間尺度的事件受太陽活動(dòng)、火山活動(dòng)、大氣環(huán)流的長(zhǎng)期變化、ENSO等自然因子和大氣溫室效應(yīng)的增強(qiáng)等認(rèn)為因子的控制和驅(qū)動(dòng)。包括的事件有:全球氣溫的趨勢(shì)上升、氣溫、海溫、降水量、徑流量、植物物候期及生長(zhǎng)季節(jié)等的準(zhǔn)周期性波動(dòng)和突變,植物群落結(jié)構(gòu)變化和植被帶的可能移動(dòng)。(4) 幾天至幾個(gè)季度(數(shù)大到一年之內(nèi),本質(zhì)是季節(jié)的更替)該時(shí)間尺度的事件受太陽輻射量輸入的年循環(huán)驅(qū)動(dòng)。使地球系統(tǒng)中形成以年為變化周期的時(shí)間變化事件。(5)幾秒至幾小時(shí)(一天
5、以內(nèi),本質(zhì)是日變化,周期性十分規(guī)則)該時(shí)間尺度的事件受太陽輻射量輸入的日循環(huán)驅(qū)動(dòng)。包括的事件有:風(fēng)溫壓濕的日變化、 地表植物冠層與大氣界面上的分子擴(kuò)散和湍流交換、物質(zhì)交換過程。時(shí)間尺度幾白萬年至幾十億年地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地理學(xué)和地幾千年至幾十萬年球化學(xué)研究的時(shí)間尺度幾天至幾個(gè)季度大氣科學(xué)、海洋科學(xué)和生物科學(xué)研幾秒至幾小時(shí)究的時(shí)間尺度全球變化研究最感興趣、最復(fù)雜的幾年至幾白年變化尺度2.全球變化的空間尺度可分為4個(gè)特征空間尺度全球尺度(空間范圍在20 000公里以上,地域單元大約為半球至全球尺度)特征事件有:太陽輻射的分布, 大氣環(huán)流和洋流,溫室效應(yīng)加劇與全球氣候變化, 臭氧層的 破壞,地球和
6、生命的起源等。這些事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間譜相當(dāng)寬泛(從年至幾十億年),并且不同時(shí)空尺度的過程濕相互影響的。 如溫室氣體和臭氧層的破壞濕近百年的事情,但它們對(duì)季節(jié)、年際、幾十年至上百年的全球和區(qū)域氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)演變產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。(2)區(qū)域尺度(100公里20 000公里,地域單元為:大陸、大洋、陸地上的自然帶和自然區(qū)及海區(qū)等)特征事件有:季風(fēng)、大型天氣過程(臺(tái)風(fēng)、氣旋反氣旋)、海流、ENSO、巖石圈板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與造山運(yùn)動(dòng)、冰期-間冰期交替、氣候帶與地帶性植被-土壤的形成。 這些事件對(duì)應(yīng)的 時(shí)間譜相當(dāng)寬泛(從年至幾十億年) ,并且不同時(shí)空尺度的過程濕相互影響的。如青藏高原 隆起的效應(yīng)。(3)地方尺度
7、(10公里100公里)特征事件有:地震、流域的水土流失、中尺度天氣系統(tǒng)(如雷暴)、植物物候期的水平變化、城市氣候與大氣污染、 河流與水域的污染、 成礦作用等。這些事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間譜可以從小于1天到百萬年。事件的個(gè)體性增強(qiáng),彼此間的聯(lián)系減弱,事件的影響多限于當(dāng)?shù)亍#?)局地尺度(10公里以下)特征事件有:火山爆發(fā)、小流域地表侵蝕、小尺度天氣系統(tǒng)(如龍卷風(fēng)、山谷風(fēng))、植物物候期的隨地形的變化、植被冠層的微氣象、土壤的養(yǎng)分循環(huán)、氣體等的點(diǎn)污染。這些事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間譜短,從幾秒到一年內(nèi),空間特性明顯。全球變化科學(xué)注重:立足全球、從區(qū)域和地方入手的方法論, 研究各事件和過程的空間聯(lián)系、 空間格局、尺度轉(zhuǎn)化、
8、演變過程及其原因,以及人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生存環(huán)境變化之間的關(guān) 系。3.時(shí)空尺度的聯(lián)系性一般說來較大空間尺度的事件和過程,其事件尺度的范圍也較大;反之。如全球氣候變化的空間尺度可達(dá)20000公里,時(shí)間尺度可達(dá)幾十年至百年, 而植被冠層微氣象變化的空間尺度 僅為數(shù)厘米到米,時(shí)間尺度微秒到分鐘。二、全球變化的驅(qū)動(dòng)力包括外力因素、地球內(nèi)力因素、人為因素1、外力因素太陽輻射、其他大體引力作用、星體對(duì)地球的撞擊太陽輻射直接驅(qū)動(dòng)了發(fā)生在地球表面的各種過程。太陽輻射變化-變到達(dá)大氣頂能量,影響能量收支-導(dǎo)致氣候變化-全球變化。其他大體引力作用-地球運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)改變星體對(duì)地球的撞擊 - 地球運(yùn)動(dòng)軌道參數(shù)改變,地
9、貌改變、地球物種的滅絕和產(chǎn)生-全球變化。2、地球內(nèi)力因素地球內(nèi)力因素包括在板塊運(yùn)動(dòng)中所造成的海陸分布形式的變化、海底地形和陸地地形的改 變、火山活動(dòng)等。3、全球變化中的人為因素人類既產(chǎn)生于自然,又從自然系統(tǒng)中分離出來, 稱為地球系統(tǒng)的一個(gè)重要組分的同時(shí),又影響自然環(huán)境過程。在工業(yè)化以來的200年里,人類活動(dòng)對(duì)全球變化的影響與全球變化對(duì)人類 的影響均極為顯著。全球生物地球化學(xué)循環(huán)過程正受到土地覆蓋變化、污染物排放等人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾,人類 活動(dòng)產(chǎn)生的CO2, CH4, N2O, SO4一, PO4一等是重大的擾動(dòng)因素。大氣化學(xué)過程、土壤化學(xué)過 程、海洋化學(xué)過程正因此發(fā)生變化。4.地球系統(tǒng)內(nèi)部的反
10、饋過程全球變化是通過地球系統(tǒng)中一系列復(fù)雜的作用與反饋過程來實(shí)現(xiàn)的,反饋是地球系統(tǒng)過程的一個(gè)重要特征。由于反饋?zhàn)饔玫拇嬖冢?驅(qū)動(dòng)與響應(yīng)之間存在著復(fù)雜的非線性過程,微小的觸發(fā)作用有可能導(dǎo)致巨大的變化,發(fā)生在某一區(qū)域的變化可能導(dǎo)致全球變化。三、全球變化的三大循環(huán)過程(生物循環(huán)、能量循環(huán)和水循環(huán))1.全球變化中的生物循環(huán)它與地球表層各圈層、化學(xué)和生命等緊密相連。生物循環(huán)包括:陸地和海洋生物參與的C、N、P、S元素的循環(huán);上述循環(huán)進(jìn)一步在大氣作用下發(fā)生的循環(huán);地球表層生物的地球化學(xué)循環(huán)。(不講)從各種元素的循環(huán)過程可知,生物群落是生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它調(diào)節(jié)著化學(xué)元素在大氣、海洋和陸地各儲(chǔ)
11、存庫中的數(shù)量和流動(dòng)速率,是某些化合物和元素產(chǎn)生的源泉。針對(duì)有生命的地球與其它無生命行星的區(qū)別,英國大氣化學(xué)家拉夫洛克提出了大地女神假說。大地女神假說(Gaia Hypothesis):對(duì)于地球的特定屬性,只根據(jù)物理學(xué)和化學(xué)的規(guī)律是很難解釋的,必須同時(shí)考慮生物學(xué)規(guī)律。地球上的生物圈和它的環(huán)境構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體(稱為大地女神),地球大氣的組成、氣溫、海水溫度、海水PH等都是由生物圈積極調(diào)節(jié)的,是生物圈通過自己的影響使地球的氣候環(huán)境長(zhǎng)期保持在適合自己生存的“穩(wěn)態(tài)”上。這種情況從生命一出現(xiàn)便開始了,一一生命自己創(chuàng)造了它的生存環(huán)境-同時(shí)大地女神的自我調(diào)節(jié)作用也是由條件的。2.全球變化中的能量循環(huán)和水循環(huán)(參照已有的PPT)四、冰期一間冰期與米蘭柯維奇理論地球歷史上變化表現(xiàn)維氣候冷暖、干濕的交替變化,即冰期、間冰期。1冰期、間冰期的含義冰期是指由于氣溫顯著變冷、冰川規(guī)模擴(kuò)大和增厚的時(shí)期。間冰期是指兩次冰期之間由于氣候回暖、冰川縮小和消融的時(shí)期。2全球氣候周期變化的級(jí)序(1)10
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