全球變化課件04全球變化研究的主要途徑

第四章全球變化研究的主要途徑2/3/20231內(nèi)容提要第一節(jié)過(guò)去全球變化的重建

1.1基本假設(shè)

1.2環(huán)境屬性信息

1.3空間和時(shí)間位置信息

1.4重建過(guò)去全球變化的主要步驟第二節(jié)全球變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1觀測(cè)的主要內(nèi)容

2.2觀測(cè)的技術(shù)手段第三節(jié)全球變化的模擬2/3/20232第一節(jié)過(guò)去全球變化的重建？為什么要重建：由于地球系統(tǒng)中的許多過(guò)程具有很長(zhǎng)的時(shí)間尺度，在現(xiàn)代的觀測(cè)記錄中無(wú)法觀測(cè)得到，也不可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行印證。因此，通過(guò)觀測(cè)所獲得的全球變化信息是有限的?，F(xiàn)代環(huán)境中的許多現(xiàn)象是過(guò)去不同時(shí)間、不同環(huán)境狀態(tài)下多形成的產(chǎn)物的殘留物的集合，其中的一些現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)代環(huán)境特征起制約作用，認(rèn)識(shí)現(xiàn)代所發(fā)生的過(guò)程需要對(duì)所經(jīng)歷的歷史有必要的了解。對(duì)過(guò)去全球變化的研究可以揭示各種過(guò)程之間不斷變化著的平衡關(guān)系。2/3/202331.1基本假設(shè)

？怎樣重建找證據(jù)對(duì)證據(jù)進(jìn)行標(biāo)定與校核復(fù)原依據(jù)的基本假設(shè)：均一性假設(shè)協(xié)同性假設(shè)全息假設(shè)2/3/202341.2環(huán)境屬性信息

根據(jù)來(lái)源和屬性的不同，過(guò)去全球變化信息可分為三種類(lèi)型。觀測(cè)記錄記錄規(guī)范，精度高，但時(shí)間尺度短考古和歷史文獻(xiàn)記錄記錄欠規(guī)范，時(shí)間尺度不長(zhǎng)，對(duì)重大事件研究意義較大古環(huán)境感應(yīng)體待用指標(biāo)豐富客觀性強(qiáng)但干擾作用大。代用資料2/3/20235

1.2環(huán)境屬性信息a海洋沉積及深海沉積的氧同位素紀(jì)錄b黃土與古土壤c孢粉和植物硅酸體d冰芯——同位素、甲烷氣等e樹(shù)木年輪——輪寬、密度、同位素等f(wàn)湖芯——年代學(xué)、物理、化學(xué)、生物指標(biāo)g石筍——微層厚度、同位素、微量元素h珊瑚——微量元素、同位素等i考古和歷史文獻(xiàn)記錄2/3/20236檔案時(shí)間分辨率時(shí)間長(zhǎng)度（年）可提取的環(huán)境參數(shù)樹(shù)木年輪年／季104THCaVMLS湖泊沉積年104~106TBM極地冰巖芯年105THCaBVMS中緯度冰巖芯年103THBVMS海灣沉積年105TCwL黃土10年106TCsBM海洋冰芯100年107TCsBM花粉10年105THB古土壤100年105THCsV沉積巖芯2年107HCsVML歷史紀(jì)錄天/小時(shí)103THBVMLS（根據(jù)Ｈans

OeschserandJohnA.Eddy,1988）T=溫度；H=濕度或雨量；C=大氣（a）、水(w)或土壤(s)的化學(xué)成分；B=生物量方面的信息；V=火山噴發(fā)；M=地磁場(chǎng)；S=太陽(yáng)活動(dòng)主要天然環(huán)境檔案的特征2/3/20237a海洋沉積及深海沉積的氧同位素紀(jì)錄根據(jù)δ18O值的變化，不但可以計(jì)算出有孔蟲(chóng)生存時(shí)期的溫度，而且可以對(duì)全球冰量的變化進(jìn)行推斷2/3/20238b黃土與古土壤原理：黃土和古土壤層的交互出現(xiàn)是風(fēng)塵堆積作用和成土作用兩種對(duì)立的過(guò)程彼此消長(zhǎng)的結(jié)果。風(fēng)塵堆積作用>成土作用形成黃土層成土作用>風(fēng)塵堆積作用形成古土壤層黃土與古土壤層的交替變化是第四季冰期—間冰期環(huán)境周期變化的反應(yīng)，與深海氧同位素記錄有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。冰期間冰期2/3/202392/3/202310b黃土與古土壤兩大重要指標(biāo)：粒度：用來(lái)反映黃土粗細(xì)程度的指標(biāo)，粒度的大小差別反映了風(fēng)力搬運(yùn)強(qiáng)度的差別。磁化率：物質(zhì)被磁化程度難易的一種量度。磁化率值的變化與氣候變化尤其是降水量的變化有一定關(guān)系。黃土-古土壤序列中磁化率的變化被作為夏季風(fēng)變化的指標(biāo)（An,Z.S.）2/3/202311c孢粉和植物硅酸體原理：一個(gè)地區(qū)的孢粉雨的組成能夠反映所在地區(qū)的植被組成，是所在地區(qū)的植被的函數(shù)。孢粉具有耐氧化、耐高溫、耐溶解的質(zhì)地堅(jiān)硬的外壁，因此能夠在沉積地層中長(zhǎng)期保存下來(lái)。根據(jù)孢粉的組成及其隨時(shí)間的變化，可以推斷植被在時(shí)間和空間上的演化過(guò)程及環(huán)境的變化。植物硅酸體忠實(shí)地記錄了生產(chǎn)它的植物細(xì)胞的形態(tài)2/3/202312d冰芯極地冰蓋和中緯度高山冰川地區(qū)，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉(zhuǎn)換成冰，形成一個(gè)年層。從這些地區(qū)取得的冰芯中獲得的主要記錄之一是氧同位素比率δ18O。陸地水體中水的18O/16O均小于標(biāo)準(zhǔn)大洋水中的18O/16O。蒸發(fā)和凝結(jié)作用均與溫度有關(guān)，δ18O與溫度之間存在一定的關(guān)系分析測(cè)試表明溫度每降低1℃，δ18O在格陵蘭地區(qū)降低0.70‰在南極地區(qū)降低0.75‰在青藏高原北部降低0.65‰，根據(jù)這個(gè)關(guān)系，可以由冰芯中的δ18O推斷溫度變化。2/3/202313d冰芯重要指標(biāo)：冰川的凈累積率可以作為降水量變化的指標(biāo)；在由雪轉(zhuǎn)換成冰的過(guò)程中包裹在冰中的氣泡里，記錄著氣泡生成時(shí)的大氣成分（CH4）；冰芯中的化學(xué)成分和微量含量，記錄了過(guò)去大氣氣溶膠的狀況，以及地球沙漠化和大氣環(huán)流強(qiáng)度的狀況等。冰芯中保存的有機(jī)物質(zhì)記錄了當(dāng)時(shí)的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程冰心中的火山灰和強(qiáng)酸信號(hào)記錄了火山活動(dòng)的歷史冰心中的10Be等放射性同位素含量的變化反映了宇宙射線(xiàn)強(qiáng)度、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的歷史

2/3/202314d冰芯2/3/202315過(guò)去9萬(wàn)年兩極冰芯氣候環(huán)境記錄對(duì)比(BlunierandBrook)2/3/202316近10萬(wàn)年來(lái)青藏高原古里雅冰芯氣候記錄與南極、北極冰芯記錄具有相似變化特征，但青藏高原冰芯記錄的氣候變化頻率和變幅比極地冰芯的大，說(shuō)明青藏高原對(duì)氣候變化的敏感性更大(姚檀棟等)。

冰芯研究2/3/202317e樹(shù)木年輪樹(shù)木年輪是樹(shù)木形成層周期性生長(zhǎng)的結(jié)果。在季節(jié)差異明顯的地區(qū)，溫暖或濕潤(rùn)的生長(zhǎng)季樹(shù)木生長(zhǎng)快，細(xì)胞大而細(xì)胞壁薄，形成較寬的淺色早材；寒冷或干燥的季節(jié)樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢，細(xì)胞小而細(xì)胞壁厚，形成較窄的暗色晚材；早材和晚材合起來(lái)為一個(gè)年輪。樹(shù)木年輪可提供時(shí)間分辨率為年或季的變化信息，是重建幾十到幾百年尺度全球變化的最重要的信息源之一。在樹(shù)木橫斷面上的年輪的寬度可以反映樹(shù)木生長(zhǎng)量的狀況。每年年輪寬度的大小，與樹(shù)木的年齡、前期生長(zhǎng)狀況和環(huán)境等多方面因素密切相關(guān)。環(huán)境變化所引起的樹(shù)木年輪寬度變化反映的是對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)限制最大的環(huán)境（氣候）因子的變化基于年輪細(xì)胞的大小、壁厚和數(shù)量多少形成的木材的密度差別分析，反映較年輪寬度更為豐富的信息。年輪中碳、氫、氧同位素比值的變化可以反映環(huán)境的變化。2/3/202318樹(shù)輪記錄了豐富的氣候、環(huán)境信息樹(shù)輪研究----樹(shù)輪結(jié)構(gòu)2/3/202319鋸取木盤(pán)樹(shù)輪研究----采樣2/3/202320樹(shù)輪研究----定年2/3/202321f湖泊沉積

湖泊是各圈層相互作用的連接點(diǎn)，其沉積物保存了豐富的物理、化學(xué)和生物變化的信息。因此，湖泊沉積作為一個(gè)重要的信息載體，在全球變化研究中有著不可替代的作用。2/3/202322流域輸入大氣輸入地下水輸入湖泊沉積記錄內(nèi)源輸入f湖泊沉積2/3/202323

f湖泊沉積湖泊沉積連續(xù)性好、分辨率高,可以重建不同時(shí)間尺度（從百萬(wàn)年到近現(xiàn)代）的古氣候環(huán)境。近現(xiàn)代的沉積物(100-102年)提取過(guò)去102-103年的沉積巖芯提取過(guò)去103-104年的沉積巖芯提取

深鉆巖芯(105-106年)提取2/3/202324PhotobyJosHill,2002PhotobyDeanMiller,2002PhotobyJosHill,2002h珊瑚研究2/3/202325珊瑚研究珊瑚作為海洋環(huán)境的信息載體，具有高分辨率、記錄連續(xù)完整、體系封閉好、代用指標(biāo)多、易于定年等特點(diǎn)，有效記錄了全球環(huán)境變化的信息，分辨率可達(dá)月。主要指標(biāo)：微量元素、同位素2/3/202326i考古和歷史文獻(xiàn)記錄

考古和歷史文獻(xiàn)記錄包括考古遺址、遺物和遺跡等各種考古發(fā)掘物，以及官方史書(shū)、地方志、農(nóng)書(shū)、宗教案卷、航海日志、文學(xué)作品等各種文獻(xiàn)記載。2/3/2023271.3空間和時(shí)間位置信息14C年代測(cè)定古地磁測(cè)年地質(zhì)年代表2/3/20232814C年代測(cè)定自然界有3種碳：12C(98.8%)、13C(1.08%)、14C(1.2×10-10%)。前2種是穩(wěn)定同位素，14C是放射性同位素。14C是在約12~18km高空的氮（14N）受宇宙射線(xiàn)的熱中子流（n）轟擊，從14N中打出一個(gè)質(zhì)子（P）,使14N變成14C。14C借助β蛻變失去一個(gè)電子（e）變成14N2/3/20232914C年代測(cè)定14C在高空形成后便與氧結(jié)合成14CO2,大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)使其均勻混合在大氣中，通過(guò)降水進(jìn)入江河湖海水域，并被水中的碳酸鹽介殼生物吸收；通過(guò)光合作用進(jìn)入植物體；動(dòng)物食用植物使14C進(jìn)入動(dòng)物骨骼?；畹挠袡C(jī)體中的14C與大氣中的14C保持平衡，生物死亡后并被立即埋藏，生物遺體中14C與大氣中的14C停止交換，在封閉系統(tǒng)中按指數(shù)規(guī)律衰減。式中N為樣品中現(xiàn)在14C含量，N0

為14C初始含量2/3/20233014C年代測(cè)定Libby（1949）測(cè)定14C的半衰期為5568年，根據(jù)半衰期可以計(jì)算衰變常數(shù),根據(jù)樣品中N相對(duì)于N0減少的程度就可以測(cè)定樣品的年代。14C年代的表示方法為_(kāi)_kaBP,代表距今__千年以前的意思，通常以1950年為起點(diǎn)。用于14C年代測(cè)定的樣品最好是木頭、木炭、谷物、泥碳、古土壤等有機(jī)質(zhì)，無(wú)機(jī)碳樣品如貝殼，鈣結(jié)核也可用于測(cè)年，但需注意老碳可能對(duì)14C年齡的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。2/3/20233114C年代測(cè)定目前14C年代測(cè)定的方法有兩種，一種是β衰變法，利用質(zhì)譜儀測(cè)定樣品中的14C所產(chǎn)生的放射性（每分鐘每克碳衰變的次數(shù)），測(cè)定年限小于5萬(wàn)年。另一種是加速質(zhì)譜儀測(cè)量法（AMS）直接測(cè)量樣品中14C原子的個(gè)數(shù)，所需樣品僅幾毫克純碳，可測(cè)量年限達(dá)10萬(wàn)年。14C測(cè)年的基本假設(shè)之一是自古以來(lái)大氣中14C的含量是不變的，但這一假設(shè)不是嚴(yán)格成立的，宇宙射線(xiàn)強(qiáng)度的變化、太陽(yáng)黑子活動(dòng)或地磁場(chǎng)的變化都引起大氣中14C含量的變化，這種變化勢(shì)必影響14C測(cè)年的準(zhǔn)確性。2/3/202332古地磁測(cè)年在地球歷史上，地球磁場(chǎng)的南極和北極曾顛倒過(guò)多次，稱(chēng)極性倒轉(zhuǎn)。其中，105~106年長(zhǎng)度的極性變化稱(chēng)為極性期，與現(xiàn)代磁場(chǎng)方向相同的時(shí)期稱(chēng)正向極性期，反之稱(chēng)反向極性期。在每個(gè)正（反）向極性期內(nèi)，存在著104~105年的短暫極性倒轉(zhuǎn)，稱(chēng)反（正）極性事件。如果對(duì)每一個(gè)極性倒轉(zhuǎn)事件發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，就可以建立起一個(gè)在全球都可對(duì)比的古地磁年表，成為全球?qū)Ρ鹊臅r(shí)間標(biāo)尺。目前已建立起5MaBP以來(lái)較高分辨率的古地磁年表和100MaBP以來(lái)較粗分辨率的古地磁年表。古地磁年表中的絕對(duì)年代通常是用K-Ar法放射性同位素測(cè)年技術(shù)來(lái)確定。2/3/202333蒙戈反極性事件（Mungo）20-30ka前2/3/202334地質(zhì)年代表

地質(zhì)年代表是一種用來(lái)區(qū)分地球歷史上各個(gè)時(shí)期的非固定間距的時(shí)間標(biāo)尺。其基本單位為“代”，其中古生代、中生代、新生代合稱(chēng)為顯生宙，最初以地層中生物化石明顯增多而與其以前的時(shí)期相區(qū)別。每個(gè)代內(nèi)可以進(jìn)一步劃分為若干個(gè)“紀(jì)”，每個(gè)“紀(jì)”內(nèi)又劃分為若干個(gè)“世”。2/3/202335地質(zhì)年代表2/3/2023361.4重建過(guò)去全球變化的主要步驟

對(duì)各種過(guò)去全球變化信息的識(shí)別與提取如從冰芯中可以提取碳、氧同位素比率、冰川的凈累積率、大氣成分、化學(xué)成分、微粒含量等多種信息；對(duì)過(guò)去全球變化的證據(jù)進(jìn)行標(biāo)定與校核環(huán)境過(guò)程、產(chǎn)物與環(huán)境狀態(tài)之間協(xié)同關(guān)系的均一性是進(jìn)行環(huán)境標(biāo)定的基本前提。過(guò)去的全球變化的整體或部分地復(fù)原等利用多種環(huán)境演變證據(jù)互相咬合，提高指示環(huán)境精度2/3/202337第二節(jié)全球變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)2.1觀測(cè)的主要內(nèi)容IOCWMO（國(guó)際氣象組織）WMOIOCICSU（國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)理事會(huì)）IOC（政府間海洋學(xué)委員會(huì)）WMOUNESCO（聯(lián)合國(guó)教科文組織）MAB(人與生物圈計(jì)劃)UNEP（聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署）地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)(GCOS)全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(GOOS)全球陸地觀測(cè)系統(tǒng)(GTOS)全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(GEMS)2/3/202338第二節(jié)全球變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)2.1觀測(cè)的主要內(nèi)容地球系統(tǒng)的外部能量：太陽(yáng)能、紫外線(xiàn)通量等；重要微量氣體：CO2、O3、N2O、CH4、CFCS、H2O、C