全球变化11-2.ppt
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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第二节全球变化的驱动力第三节全球变化的三大循环过程第四节冰期-间冰期与米兰科维奇天文理论,第一节全球变化的时空谱特征全球变化的时间尺度全球变化的空间尺度时空尺度的联系性,一、全球变化的时间尺度(陈速逑2001)106年尺度,地质历史时期内,涉及到所有圈层,构造运动对气候变化的驱动作用占据主导地位。
103-106年尺度,第四纪晚期及人类历史时期内,受地球轨道参数变化的驱动,冰期间冰期变化表现显著。
100-103年尺度,年际、年代际、世纪际时期内,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;大气温室效应的增强等人为因子驱动着气候变化。
10-1-100几天-几个季度尺度,一年内的变化。
10-4-10-1几秒-几小时尺度,一天内的变化。
1、几百万年以上尺度变化的概念模式该尺度的变化过程既发生在地表,也发生在地球内部。
在最初十几亿年,全球变化以发生在地球历史的的各种早期地球过程为起点,从地球的起源、生命的出现,决定地球早期的历史并构成了以后全球变化的基础。
(不可逆事件)在早期事件之后,地球历史由三类过程决定。
地核和地幔过程。
板块构造过程。
太阳驱动的过程。
2、几千年几十万年尺度变化的概念模式在几千年-几十万年尺度上,第四纪晚期(距今最近的一个地质时期)和人类历史时期,全球变化主要由地球轨道要素的周期变化而引起的。
板块运动造成的大地貌单元的变化与火山活动通过地球轨道参数变化发生耦合作用,共同决定全球变化的状态。
(可逆事件)海面升降;大气成分的变化生物种的分布、迁移、灭绝人类文明的诞生和发展,在该时间尺度上的全球变化主要过程:
气候系统过程;生态系统过程;生物地球化学循环;地貌发育;全球变化表现为冰期间冰期的冷暖交替;大幅度海面升降与海进海退;土壤发育变化;侵蚀堆积过程变化;生物种类地域分布的变化等。
3、几年几百年尺度变化的概念模式全球变化最受关注。
在此时间尺度上,年际、年代际、世纪际事件。
同时人类活动对全球变化的影响也最为明显。
主要驱动因子:
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;大气温室效应的增强等人为因子。
4、几天几个季度尺度变化的概念模式季节更替为本质特征。
主要驱动因子:
太阳辐射输入的年循环。
5、几秒几小时尺度变化的概念模式日变化为本质特征。
主要驱动因子:
太阳辐射输入的日循环。
在几百万年几十亿年、几千年几十万年的时间尺度(长时间尺度),地质学、地球物理学、地理学、地球化学研究的尺度;几天几个季度、几秒几个小时主要大气科学、海洋科学、生物科学研究的尺度;几年几百年是全球变化研究最感兴趣的的、最复杂的变化尺度。
气候变化的时间尺度从时间尺度来看,气候变化可以分为六类:
地质时期气候变化万年或万年以上(104108年)历史时期气候变化几千年(103104年)超长期气候变化几百年(世纪际102103)长期气候变化几十年(年代际101102年)中期气候变化几年(年际100101年)短期气候变化月或季(100年),二、全球变化的空间尺度:
1、全球尺度20000km特征事件:
太阳辐射分布、大气环流和洋流、温室效应加剧、全球气候变化、臭氧层破坏、地球和生命的起源等2、区域尺度100-20000km特征事件:
季风、大型天气过程、海流、ENSO、构造运动、造山运动、冰期-间冰期交替、气候带与地带性植被的形成等3、地方尺度10-100km特征事件:
地震、流域水土流失、中尺度天气系统、植物物候、城市气候与大气污染、河流与水域的污染、成矿作用等4、局地尺度103m特征事件:
火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统等,三、时空尺度的联系性:
1、大气圈的变化最活跃2、生物圈的变化较为复杂3、土壤的成土过程从几百年-几千年,但其侵蚀过程仅几年-几十年,甚至是一次暴雨过程4、海洋过程5、地质过程中的板块运动、地幔对流、造山运动、地球的起源,第二节全球变化的驱动力,Questions,驱动全球变化的外力因素?
驱动全球变化的内力因素?
人类是怎样影响全球变化的?
地球系统内部的反馈作用。
全球变化驱动因素:
地球外力因素;地球内力因素;人类活动对全球变化的影响;地球系统自身相互间的影响和反馈。
影响全球变化因素:
周期变化因素。
太阳活动、地球轨道参数的变化,致全球环境的周期性变化;非可逆性变化因素。
太阳长期演化、板块运动,可致环境的不可逆的变化;随机发生的因素。
火山活动、小行星碰撞,致全球变化有短期的扰动,也有长期的不可逆的变化。
每种因素在不同时间尺度上具有不同的重要程度和表现方式。
一、驱动全球变化的地球外因素,太阳辐射的变化地球轨道参数的变化地外物体的撞击作用,太阳辐射太阳的长期辐射的变化:
随着太阳年龄的增长而变化的,在45亿年前地球诞生之初,太阳辐射比现代低30%。
在101102年时间尺度上,太阳活动的周期变化同样影响着太阳辐射。
太阳活动的强弱程度用黑子数的多少示之。
太阳活动对应的地球物理现象:
极光、磁暴、电离层扰动等。
太阳活动高峰年,极光现象明显增加;树木年轮中的14C含量低;反之,14C含量高。
Data,1)太阳活动:
太阳活动指太阳表面上一切扰动现象的总称。
如太阳黑子、光斑,谱斑、耀斑,日饵等。
2)太阳活动的周期:
太阳黑子活动在101102年尺度上存在显著的周期变化。
如11年的沃尔夫周期、22年的海尔周期、80年的世纪周期、180年的双世纪周期等。
据估计:
太阳辐射变化1%,地面平均温度可变化约1,冬半球高纬度温度变化更为明显;模拟结果显示:
太阳常数增加2%,地面温度可上升约3;太阳常数减少2%,地面温度可下降约4.3。
有资料表明:
太阳黑子活动弱时气温偏低,历史上太阳活动极小期对应冷期,如17世纪的小冰期,是太阳黑子活动的蒙得尔极小期,太阳常数比现代低1%。
据估计:
太阳辐射变化1%,地面平均温度可变化约1,冬半球高纬度温度变化更为明显;模拟结果显示:
太阳常数增加2%,地面温度可上升约3;太阳常数减少2%,地面温度可下降约4.3。
有资料表明:
太阳黑子活动弱时气温偏低,历史上太阳活动极小期对应冷期,如17世纪的小冰期,是太阳黑子活动的蒙得尔极小期,太阳常数比现代低1%。
2001年4月1日,欧美合作发射的太阳观测卫星拍得的照片显示:
太阳表面在当日出现了一个庞大的黑子,其面积比地球表面积大13倍,是近十几年来最大的太阳黑子。
黑子所在区域出现了4次耀斑以及两股朝向地球的强大日冕喷射,其影响在4天后到达地球,引起极光和磁暴等现象。
耀斑是太阳大气中的爆炸现象,表现为日面突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,释放出相当于上百亿颗百吨级氢弹爆炸的巨大能量。
地球轨道参数的变化地球轨道要素主要有3个:
偏心率、黄赤交角与岁差。
20世纪30年代米兰科维奇提出用地球轨道要素的变化来解释第四纪冰期间冰期的交替。
(1)地球绕太阳运行的轨道参数的变化会引起日地距离的变化,从而改变地球接受的太阳辐射量。
(2)轨道参数的变化则可能影响地球接受太阳辐射的季节变化及地理分布的变化,进而改变气候。
认为:
夏季接受太阳辐射的多少是冰盖盛衰的关键。
夏季凉爽会使冬季积雪融化较少,因而导致冰进。
夏季炎热则可以使冰雪融化,造成冰退。
Data,1)地球轨道偏心率:
地球绕日椭圆轨道的焦距与主轴长度之比。
2)黄赤交角:
地球自转轴与对黄道面的垂直轴之间的交角。
3)岁差:
春分点的进动。
偏心率:
偏心率变化于0.0050.06之间,周期约9.6万年,另有40万年的周期变化。
目前偏心率约0.0167,偏心率愈小,地球绕日轨道愈接近圆形。
目前的近日点与远日点接受的太阳辐射量约差7%,若偏心率最大时接受的太阳辐射量可差30%。
现代北半球为冬季时在近日点,夏季在远日点,夏季虽然太阳辐射强度下降但夏季增长,有利于冰融化。
有分析表明:
第四纪的间冰期多处于偏心率增大时期,冰期多处于偏心率减小时期。
黄赤交角:
地轴倾角的变化影响辐射的地理分布及季节分配。
黄赤交角的变幅21392436,变化周期约4.1万年。
目前倾角为2327。
2.83万年前为2206,即冬暖夏凉有利冰川发展。
(冬夏差异小)9100年前为2414,冬寒夏热有利冰川融化。
(冬夏差异大),岁差:
近日点在一年中所处位置的变化,约有2.1万年的周期变化。
冬至位于近日点时冬暖夏凉;夏至位于近日点时冬寒夏热。
大约1万年前北半球冬季为远日点,目前为近日点。
米兰科维奇为了研究第四纪的气候变化,计算了当时65N接受太阳辐射量相当于现代哪一个纬度所接受的辐射,并用相对纬度来表示。
很多作者利用大型计算机对其进行了精确的计算,并与第四纪冰期进行了比较,得到了很相似的结论:
未来属于第四纪内的间冰期;在10万年内可能没有冰期;在20万年、30万年、50万年、60万年、70万年前后均可能又出现冰期,而且每个冰期由23次冷期组成。
由此得到结论:
未来可能进入长达10万年以上的间冰期。
据计算,地球轨道参数可能导致6温度变化,比实际观测的冰期与间冰期的温差要小。
米兰柯维奇理论:
于1920年提出的第四纪冰期的天文假说。
偏心率、黄赤交角和岁差的周期变化改变地表的日照量,足以导致冰盖的大规模进退,是形成第四纪冰期-间冰期更替的主要原因。
认为夏半年日照量的减少是冰期形成的主要因素。
该理论较好地解释了第四纪冰期一间冰期变化的驱动因素,但最初因缺乏实证而末校普遍接受。
1950年以后,从深海沉积、珊瑚礁阶地、陆上的黄土沉积等过去环境变化的记录中均分别检测出地球轨道参数变化的几个特征周期,如0.4Ma、0.1Ma的偏心率周期,41ka的地轴倾斜率周期,以及23ka和19ka的岁差周期,反映了第四纪气候变化与地球轨道参数变化的高度相关性,使得米兰柯维奇的理论被广为接受。
米兰柯维奇理论存在的问题:
(1)不能解释冰期建立的机制。
冰期为什么出现在第四纪而不发生在始新世或上新世等其它时期,因此第四纪冰期的建立可能还受到更长尺度的因素作用。
(2)地球轨道参数变化所引起的变化被放大。
分析表明:
地球轨道参数变化本身所引起的气候变化比实际发生的全球变化的幅度小。
因此,在地球轨道参数变化与全球变化之间必然存在一系列的反馈机制使得由地球轨道参数变化所引起的变化被放大。
(3)难以解释为什么会发生主导周期的变化。
据地质记录:
在2.5MaBP以前,19ka和23ka的岁差周期占主导地位;在1.6MaBP2.4MaBP,0.1Ma和0.4Ma的偏心率周期最为显著;在0.8MaBP1.6MaBP,41ka的黄赤角角周期最为显著;在0.8MaBP以来,0.1Ma的偏心率周期最为显著;,地外物体的撞击作用小行星以宇宙速度撞击地球时,将产生一系列的物理、化学和地质作用过程。
小行星体经过地球大气层时,出现耀眼的分光现象;引发森林大火,致大量的烟尘和炭黑等有机颗粒物质弥漫于大气中。
携带的有毒物质如镍等重金属,使地球环境恶化,生物中毒死亡。
在海洋中的撞击作用,形成强烈的海啸和地震。
地外物体的撞击对全球变化产生深远影响导致地球内部物质重新分配,对地球内部过程影响深刻。
陨石撞击地幔柱板块破裂大陆分离地质历史上的巨大陨石冲击的时间与大陆漂移开始分离和海底扩张方向的改变的时间几乎一致:
210MaBP以来,9个陨石冲击期中有5个和大陆分离的时间一致,仅54MaBP的大陆分离与冲击期不相符;8次海底扩张方向变化的时期中有6次与冲击期一致,另有1次冲击期与大西洋海底扩张开始的时间(203MaBP)相对应。
新生代以来,地球至少有六次重大的地外物体撞击事件,分别发生在65、34、15、2.4、1.0、0.7MaBP。
撞击事件对全球变化起诱发作用。
模拟结果:
六次撞击事件产生不同程度的降温效应,其中65MaBP的撞击事件(直径约10km小行星)可使温度降低至-48,降温效应持续近3年,恢复至撞击前温度需要14年,整个降温效应持续时间17年。
如果考虑撞击造成森林燃烧所产生的烟尘、地表的反馈作用、海洋平衡变化
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