全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力

二、固体地球系统与岩石圈循环过程
（一）板块运动过程 （二）陆上风化与侵蚀堆积过程 （三）海洋沉积过程
三、生态系统与生物地球化学循环过程
全球碳循环（IPCC，1996）
大气中及溶解在河流、湖泊和海洋等水体中的CO2，是 可供生物圈利用的主要无机碳源，陆上植物和海洋浮游植 物等有机物通过对CO2的光合作用而捕获太阳能为生物圈 提供能量，同时使得碳进入生物圈，并向大气提供氧气。
夏威夷冒纳罗亚观象台大气CO2含量的测量结果 （Kump L.R.et al.,1999）
然而，在不断加剧的人类活动的驱动下，特别是使用化石 燃料和大规模砍伐森林所造成的碳的排放，正在引起自然界碳 循环自组织系统的失稳。据估计，每年约有5×1015g的碳通过 化石燃料的燃烧排入大气圈，其中约50%保留在大气圈中，近 一半溶解在海洋中，只有很少的量增加到陆地生物量中。此 外，砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃烧每年向大气圈排放 (1～2)×1015g的碳。这些逐年增加的碳排放量很可能是引起 全球大气CO2含量增加的主要原因。在夏威夷的观测结果表 明，1958年大气二氧化碳的平均含量约为315×10-6 ；到了 1995年，已达到约358×10-6，其增长的趋势十分显著，平均 每年增加约1.2×10-6。
全球水循环图反映了以下特点：
（1）全球97%的水在海洋，86%的水是海洋蒸发的，大气 从海洋上空携带水汽输往陆地，以降水形式落下，以冰雪堆积 在陆地表面的43 400×103km3水量超过了地下水水量。
（2）陆地水分通过植物蒸腾和地表蒸发回到大气，有些还 存在于土壤表面。
（3）植物在水循环中通过截流、根部吸收和以蒸腾方式把 水分送回大气。由于植物种类不一样，对水分循环作用也不一 样，例如森林和草原在水分循环中作用是不同的，因此植物本 身也使得全球水分循环不均。
海洋在全球变化中的作用
由于全球97%的水在海洋，因此海洋在全球变化中的作用极 其巨大。海洋在全球变化中的作用主要表现在以下几方面。
（1）在水和能量循环方面：①贮存了全球97%的水量；② 贡献了全球86%的蒸发量；③吸收了70%以上到达地球表面 的太阳能量。
（2）在生物地球化学循环方面：①贮存了地球上非沉积的 90%以上的C和N；②吸收了至少一半以上人为排放的CO2； ③海洋环流决定了全球C输送的时空分布和收支的基本特征； ④上层海洋的垂直混合运动决定了全球变化的大的循环过程。
（二）大气和海洋环流
（三）水文循环
地球水体分为淡水和咸水，淡水主要来自陆地冰雪，占43 400×1015kg； 咸水主要贮存于深海，为89000×103km3。全球水分循环主要是通过地表径 流与河流、蒸发、风和降水等作用实现循环。
全球水文循环过程图（通量单位1015kg/a，各源汇中水量占全球总 水量用百分比表示。Moore，1996）
在无机环境中，碳主要以CO2或者碳酸盐和重碳酸盐的 形式存在。生态系统中的碳循环基本上是伴随着光合、呼 吸和分解过程进行的，在较长的时间尺度上，地质因素对 于碳循环也是重要的，因为贮存在沉积岩中的大量碳(煤、 石油和天然气等)是生态系统在过去年代中所固定的，它 们暂时退出了生物圈活跃的生物地球化学循环。自然界碳 的活动贮存库主要是海洋、大气和有机体。
太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程。太阳辐射 的变化改变了到达大气顶层的能量，并通过影响物理气候系统的 能量收支平衡导致气候变化，进而引起全球变化。
太阳是一颗不断演化的恒星，太阳的辐射输出是随着太阳年 龄的增长而变化的，在地球诞生之初的45亿年前，太阳的辐射 输出较现代低30%，在此后的45亿年历史中，太阳的辐射输出 不断增加到现代水平。除太阳辐射的长期变化外，发生在10a～ 100a时间尺度上的太阳活动更为引人注意。
太阳活动是太阳表面上一切扰动现象的总称。主要包括：发 生在光球表面的黑子、光斑，发生在色球层的谱斑、耀斑，以及 日珥、日冕等。一般用黑子活动代表太阳活动，黑子越多，太阳 活动越强，其他太阳活动都和黑子活动呈同步变化，太阳常数的
短期变化也与黑子的变化一致。
太阳黑子活动引起太阳辐射质和量的变化，太阳活动高峰期 能够引起太阳紫外辐射和微粒辐射的极大增加。一些地球物理现 象，如极光、磁暴、电离层扰动等可间接反映太阳活动。太阳活 动高峰年份，与太阳微粒辐射密切相关的极光现象明显增加；对 树木年轮中的14C测量的结果表明，太阳活动强时，14C含量低； 反之，14C含量高，可能是由于强磁场使宇宙射线偏离了地球。 观测的结果表明，紫外辐射对臭氧层有强烈影响，太阳活动高峰 期臭氧层变厚并且升温，哥伦比亚大学的Shindell等人(1999) 提出，臭氧在很大程度上放大了太阳活动周期的效应，其模型表 明，首先是太阳辐射增加，加速平流层中臭氧的生成，然后臭氧 的增加引起温室效应，进一步加热平流层，此后热流传递至对流 层。两个大气层的耦合作用十分重要，可能是太阳活动影响气候 的一个中间环节，使得只有0.1%、而且只是直接影响上层大气 的太阳辐射变化，成为影响地球气候变化的因素。
在全球尺度上，碳的交换随季节而变化，这可以从北半球 大气CO2含量的季节波动看出。在夏季，初级生产者通过光合 作用对大气CO2的固定量超过动、植物呼吸作用和微生物分解 作用归还给大气的CO2量，在曲线上形成波谷；冬季则正好相 反，形成波峰。相似的波动也发生在昼夜之间，昼为波谷，夜 为波峰。尽管存在季节和昼夜的波动，就全年而言，光合作用 所固定的碳量与呼吸和分解作用所排放的碳量仍大致保持着平 衡状态。
大气中CO2浓度逐渐增加的事实表明，海洋对CO2的调 节能力是有限的。可以设想，如果人类继续增加化石燃料 的使用量和森林的砍伐量，海洋吸纳CO2的能力终将会被 耗尽，那时，更大部分的CO2将被保留在大气圈中，必然 会导致更为显著的温室效应加剧、全球变暖和海平面上升 等一系列人类生存环境的变化。

第二节 全球变化的驱动力
按照全球变化驱动力的来源，可以将驱动因素分为三种 类型：地球外因素，地球内力因素以及地球系统自身相 互间的影响和反馈。
一、驱动全球变化的地球外力因素
地球的环境状态与太阳有密切的关系，同时受到其 他天体的深刻影响。影响是多方面的，其中受关注较多 的是太阳辐射输出变化，受其他天体的引力作用产生的 地球运动轨道参数的改变，以及小行星和彗星等天体对 地球的撞击等。 （一）太阳活动