全球變化第二章

第二章地球系統(tǒng)與全球變化的關(guān)鍵過程第一節(jié)地球系統(tǒng)第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程第四節(jié)陸地系統(tǒng)及其界面中的主要過程第五節(jié)人類生態(tài)系統(tǒng)的過程第一節(jié)地球系統(tǒng)地圈生物圈地球系統(tǒng)

全球生態(tài)系統(tǒng)大氣圈水圈巖石圈固體地球系統(tǒng)物理氣候系統(tǒng)〔5個(gè)子系統(tǒng)〕人類生態(tài)系統(tǒng)附屬于生物圈范圍內(nèi)，構(gòu)建在各個(gè)子系統(tǒng)之上，是水循環(huán)、生物地球化學(xué)循環(huán)和巖石圈循環(huán)過程的中間環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，是地球系統(tǒng)的一個(gè)重要組成局部。一、地球系統(tǒng)的概念1、對(duì)地球研究歷史：先分后合地球系統(tǒng)大氣圈水圈生物圈巖石圈氣象學(xué)海洋學(xué)古生物學(xué)地質(zhì)學(xué)地球系統(tǒng)一、地球系統(tǒng)的概念2、定義：地球上互相作用、互相影響的物理、化學(xué)、生物與人類活動(dòng)過程的集合，這些過程實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)和能量的傳輸與轉(zhuǎn)換，從而為地球上的生命提供了條件。討論：從綠色植物的生長(zhǎng)〔蒸騰、光合作用〕來看物質(zhì)和能量的傳輸與轉(zhuǎn)換。地球系統(tǒng)各個(gè)要素間的相互作用一、地球系統(tǒng)的概念3、地球系統(tǒng)科學(xué)的最終目標(biāo)：透視和理解地球系統(tǒng)隨時(shí)間的演化。直接點(diǎn)來講，就是地球系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下會(huì)如何演化，人類好有個(gè)準(zhǔn)備。二、地球系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程封閉系統(tǒng)開放系統(tǒng)地球系統(tǒng)1898年發(fā)現(xiàn)于新疆阿爾泰地區(qū)，1965年7月運(yùn)至烏魯木齊，目前存放于新疆地質(zhì)礦產(chǎn)博物館?！般y駱駝〞長(zhǎng)2.58米、寬1.89米、高1.76米，外形呈不規(guī)則三角形，體積3．5立方米，重達(dá)30噸，含鐵88.7%，含鎳9.3%，還有少量的鈷、鉻等。地球系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)屬于開放系統(tǒng)。幾個(gè)概念庫(kù)：物質(zhì)貯存的場(chǎng)所。流〔通量〕：物質(zhì)從一個(gè)庫(kù)到另一個(gè)庫(kù)。源：物質(zhì)流出的庫(kù)。匯：物質(zhì)流入的庫(kù)。存留時(shí)間：物質(zhì)在一個(gè)庫(kù)中從移入到移出所需要的時(shí)間。袁航《高寒草甸CH4和CO2通量對(duì)放牧的響應(yīng)》不同放牧梯度下土壤甲烷吸收日動(dòng)態(tài)變化地球系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)類型1、水循環(huán)2、巖石循環(huán)3、構(gòu)造循環(huán)4、生物地球化學(xué)循環(huán)1、水循環(huán)藍(lán)色星球討論：水的固、液、氣三相對(duì)地球水循環(huán)的意義。2、巖石循環(huán)和構(gòu)造循環(huán)巖石循環(huán)：構(gòu)成地球固體外表的巖石圈的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類巖石之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程，主要包括構(gòu)造抬升過程，風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、堆積過程、沉積巖成巖過程，巖漿入侵、噴發(fā)、冷卻和固結(jié)成巖過程等。討論：三大類巖石轉(zhuǎn)換如何實(shí)現(xiàn)？如何理解太陽(yáng)能在巖石循環(huán)中的作用？2、巖石循環(huán)和構(gòu)造循環(huán)構(gòu)造循環(huán)：受地球內(nèi)部熱能驅(qū)動(dòng)的地球深部過程主導(dǎo)，主要過程是在板塊別離處的洋中脊，導(dǎo)致板塊增生；板塊會(huì)聚邊界處，賣到大洋板塊消亡、大陸板塊拼合。構(gòu)造循環(huán)通過板塊運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)3、生物地球化學(xué)循環(huán)生物地球化學(xué)循環(huán)：氫、氧、碳、氮、磷、硫在固體地球、大氣圈、水圈和生物圈中的傳輸轉(zhuǎn)換過程。地球生命的重要功能之一就是通過控制地球系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程對(duì)地球系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。三、地球系統(tǒng)的非線性行為特征地球系統(tǒng)是一個(gè)非平衡系統(tǒng)，它通過復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)其自組織功能，從而表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)。三、地球系統(tǒng)的非線性行為特征1、反響與臨界突變2、多穩(wěn)定模態(tài)3、協(xié)同變化三、地球系統(tǒng)的非線性行為特征1、反響與臨界突變正反響：系統(tǒng)中初始變化所引起的響應(yīng)使得初始變化得到進(jìn)一步加強(qiáng)。負(fù)反響：系統(tǒng)中初始變化所引起的響應(yīng)使得初始變化受到抑制，使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)中的反響狼↑狼↓兔↓兔↑植物↓植物↑狼餓死狼吃飽吃了較多兔子吃了較少兔子兔吃飽兔餓死吃了較少的草吃了大量的草污染↑

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魚死亡↑污染↑

魚死亡↑

↑↑魚死亡↑↑污染↑

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正反響負(fù)反響由于反響機(jī)制的作用，地球系統(tǒng)對(duì)某一變量變化的響應(yīng)可以表現(xiàn)為成比例的、不顯著的、顯著的和臨界突變等形式。三、地球系統(tǒng)的非線性行為特征2、多穩(wěn)定模態(tài)平穩(wěn)：系統(tǒng)幾乎或完全沒有受到影響穩(wěn)定性的強(qiáng)迫的作用。平衡：系統(tǒng)處在或接近平衡狀態(tài)，好似處在一個(gè)杯五的底部一樣。失衡：由雙曲線式的增長(zhǎng)或瓦解過程主導(dǎo)的全球性的不穩(wěn)定。彈性：多穩(wěn)定態(tài)的性質(zhì)，其中的一些具有不可逆性，而另一些作為內(nèi)部動(dòng)力過程的表現(xiàn)，在不同的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。三、地球系統(tǒng)的非線性行為特征2、協(xié)同變化協(xié)同性是一切非平衡系統(tǒng)共有的特征，地球系統(tǒng)也不例外。在地球系統(tǒng)中，生物和物理過程相互作用，按照一定的協(xié)同關(guān)系相互依存，形成有機(jī)的整體，決定全球環(huán)境的狀態(tài)。參考消息網(wǎng)2017年4月28日?qǐng)?bào)道，英媒稱，美國(guó)冒納羅亞觀測(cè)站首次測(cè)得大于410ppm〔ppm為百萬(wàn)分之一〕的數(shù)值，說明目前地球大氣中的二氧化碳濃度為數(shù)百萬(wàn)年來最高。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程大氣系統(tǒng)是地球系統(tǒng)中最不穩(wěn)定、變化最快的局部，被看作是全球變化的警報(bào)器。大氣系統(tǒng)的過程在調(diào)節(jié)地球系統(tǒng)能量收支平衡及全球能量的分配方面起到了關(guān)鍵作用，這對(duì)地球系統(tǒng)的狀態(tài)是至關(guān)重要的。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程氣候形成和維持的物理過程主要與氣候系統(tǒng)的加熱率和輸送過程有關(guān)。這里氣候系統(tǒng)的加熱率取決于地球氣候系統(tǒng)能量的收支平衡。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程影響地球輻射平衡變化的因素歸納三個(gè)方面：一是與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及地球軌道要素相關(guān)聯(lián)的到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射的多少，它們的變化會(huì)引起到達(dá)大氣層頂?shù)奶?yáng)輻射的變化，是影響地球能量收支平衡的外在因素。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程影響地球輻射平衡變化的因素歸納三個(gè)方面：二是地球的行星反射率，決定了到達(dá)地球的太陽(yáng)能被直接反射回太空的份額的多少。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程影響地球輻射平衡變化的因素歸納三個(gè)方面：三是進(jìn)入地球系統(tǒng)中太陽(yáng)能在地球系統(tǒng)中滯留的時(shí)間，與地球的溫室效應(yīng)相聯(lián)系。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程一、溫室氣體與溫室效應(yīng)二、大氣氣溶膠過程三、云過程第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程一、溫室氣體與溫室效應(yīng)主要溫室氣體：水汽、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氯氟烴。溫室氣體對(duì)地球保溫作用原理是怎樣的？第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程二、大氣氣溶膠過程1、氣溶膠：指懸浮在氣體中的固體和〔或〕液體顆粒與氣體載體共同組成的多相體系，一般粒度尺寸在0.01-10微米之間。2、分類：硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z、沙塵〔礦物〕氣溶膠。3、來源：自然氣溶膠和人為氣溶膠自然源：海洋、土壤和生物圈以及火山。人為源：化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程二、大氣氣溶膠過程4、影響：直接氣候效應(yīng)與間接氣候效應(yīng)。直接氣候效應(yīng)：對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。間接氣候效應(yīng)：對(duì)地面輻射的影響。第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程二、大氣氣溶膠過程1、硫酸鹽氣溶膠2、黑碳?xì)馊苣z3、沙塵〔礦物〕氣溶膠第二節(jié)大氣系統(tǒng)中的主要過程三、云過程1、云的時(shí)空尺度特征。2、云地位與作用：是全球和區(qū)域水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在地球系統(tǒng)的能量平衡中起著至關(guān)重要的作用，是全球氣候變化的最不確定的因素之一。第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程過去幾十年中，地球系統(tǒng)的海洋吸收了地球氣候系統(tǒng)凈盈余熱量的90%以上以及超過30%的二氧化碳。它是地球系統(tǒng)能量的貯存器和調(diào)節(jié)器，是地球水汽之源，是調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)過程的關(guān)鍵場(chǎng)所，海洋分界面是敏感邊界，在全球變化中起著至關(guān)重要的作用。第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程一、海洋對(duì)氣候系統(tǒng)的平衡功能二、海氣相互作用與周期性氣候變化三、熱鹽環(huán)流四、大洋碳泵五、深海海底生物圈過程六、海陸過渡帶的主要過程第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程一、海洋對(duì)氣候系統(tǒng)的平衡功能海洋對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)和氣候系統(tǒng)具有重大影響1、影響地球大氣系統(tǒng)的熱力平衡。2、影響水汽循環(huán)。3、調(diào)諧大氣運(yùn)動(dòng)。4、降低氣候系統(tǒng)的敏感性，調(diào)節(jié)溫室效應(yīng)。第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程二、海氣相互作用與周期性氣候變化海洋向大氣提供的熱量是驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流的主要因素。大氣環(huán)流中的四大濤動(dòng)：ENSO北大西洋濤動(dòng)、北太平洋濤動(dòng)、南極濤動(dòng)。長(zhǎng)沙降水中δ18O與SOI、Nino3區(qū)SST的變化長(zhǎng)沙降水中δ18O與Nino3區(qū)SST具有大致相同的位相變化，而與SOI則表現(xiàn)出大致負(fù)位相的變化。第三節(jié)海洋系統(tǒng)及其界面中的主要過程三、熱鹽環(huán)流大洋中除表層風(fēng)生流之外還存在由海水的密度分布決定的海洋環(huán)流，由于海水密度又取決于溫度和鹽度，所以稱為熱鹽環(huán)流。直布羅陀的表層流與深層流直布羅陀海峽StraitofGibraltar在二戰(zhàn)時(shí)期，德國(guó)潛水艇就曾利用洋流躲避盟軍設(shè)在直布羅陀海峽的雷達(dá)監(jiān)測(cè)，屢次進(jìn)出地中海，使英法聯(lián)軍的海軍遭受巨大的損失。

德國(guó)的潛水艇在潛出地中海時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，降至海面以下比較深的地區(qū)，順著洋流流出地中海到大西洋，而在回來的時(shí)候，又將潛水艇升到比較淺的地區(qū)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，順著表層洋流再流回到地中海。這樣就躲避了盟軍的偵察。第四節(jié)陸地系統(tǒng)及其界面中的主要過程一、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)二、陸面過程三、無機(jī)碳收支過程第四節(jié)陸地系統(tǒng)及其界面中的主要過程二、陸面過程定義：指發(fā)生在陸地外表與大氣之間的水分、熱量和動(dòng)量交換過程，包括地面上的熱力過程、水文過程和生物過程，陸地外表與大氣間的能量和物質(zhì)交換以及地面以下土壤中的熱傳導(dǎo)和水熱輸送過程。第五節(jié)人類生態(tài)系統(tǒng)的過程一、人類生態(tài)系統(tǒng)的形成和演化二、人類生態(tài)系統(tǒng)的過程及其與自然生態(tài)系統(tǒng)過程的差異第五節(jié)人類生態(tài)系統(tǒng)的過