全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力概要

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。
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）
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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。
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。
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。
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。
第二章 全球变化的主要过程与驱动力
第一节 全球变化的主要过程
一、气候系统与水文循环过程
物理气候系统由大气、海洋、冰雪、陆地表面和生物圈所 组成。如果气候系统的能量收支与时空分布的平衡受到破 坏，将导致气候变化。
（一）地球表面的能量收支平衡与温室效应
（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）
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。
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
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。