温室气体排放与全球气候变化学习教案.pptx

会计学1温室气体排放温室气体排放(pi fn)与全球气候变化与全球气候变化第一页，共77页。目录目录(ml)n n温室温室(wnsh)气体的排放与排放情景气体的排放与排放情景n n碳循环与大气温室碳循环与大气温室(wnsh)气体浓度的变气体浓度的变化化n n海洋和陆地的碳收支海洋和陆地的碳收支第1页/共77页第二页，共77页。何谓何谓(hwi)温室效应温室效应n n大气温室效应是指大气物质对近地气层的增温作用。随着大气中CO2等增温物质的增多，使得能够更多地阻挡地面和近地气层向宇宙空间的长波辐射能量支出，从而使地球气候变暖。其可能的积极作用是使部分干旱区雨量增多，高纬度农业区热量状况改差，但更主要的是负面影晌，就是便热带和温带的旱、涝灾害发生频繁(pnfn)，以及冰山熔化，海平面上升，沿海三角洲被淹没。第2页/共77页第三页，共77页。温室温室(wnsh)的特点：的特点：n n温度较室外高，不散热。生活中我们可以见到的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的温室。使用(shyng)玻璃或透明塑料薄膜来做温室，是让太阳光能够直接照射进温室，加热室内空气，而玻璃或透明塑料薄膜又可以不让室内的热空气向外散发，使室内的温度保持高于外界的状态，以提供有利于植物快速生长的条件。第3页/共77页第四页，共77页。温室气体(qt)种类和作用种类增温效应(%)生命期(年)二氧化碳（CO2）6350200甲烷（CH4）151217氧化亚氮（N2O）4120氢氟碳化物（HFCS）全氟化碳（PFCS）1113.350000六氟化硫（SF6）及其它7？第4页/共77页第五页，共77页。温室效应温室效应(wn sh xio yn)逐渐逐渐增强增强n n全球变暖的证据:n n 气象观测证据n n冰芯记录n n树木(shm)年轮学证据n n遥感证据第5页/共77页第六页，共77页。温室效应温室效应(wn sh xio yn)的影的影响响 n n若是温室效应气体浓度不断增加，则将使地表温度增加，进而导致气候的变化，其影响包括：若是温室效应气体浓度不断增加，则将使地表温度增加，进而导致气候的变化，其影响包括：n n北半球冬季将缩短，并更冷更湿，而夏季则变长且更干更热，亚热带地区则将更干，而热带地区则更湿。北半球冬季将缩短，并更冷更湿，而夏季则变长且更干更热，亚热带地区则将更干，而热带地区则更湿。n n由于气温增高水汽蒸发加速。全球雨量每年将减少，各地区降水型态将会改变。由于气温增高水汽蒸发加速。全球雨量每年将减少，各地区降水型态将会改变。n n改变植物、农作物之分布及生长力，并加快生长速度，造成土壤贫瘠，作物生长终将受限制，且间接改变植物、农作物之分布及生长力，并加快生长速度，造成土壤贫瘠，作物生长终将受限制，且间接(jin ji)(jin ji)破坏生态环境，改变生态平衡。破坏生态环境，改变生态平衡。n n海洋变暖、海平面将于海洋变暖、海平面将于21002100年上升年上升 15 159595公分，导致低洼地区海水倒灌，全世界三分之一居住于海岸边缘公分，导致低洼地区海水倒灌，全世界三分之一居住于海岸边缘的人口将遭受威胁。的人口将遭受威胁。n n改变地区资源分布，导致粮食、水源、渔获量等的供应不平衡，引发国际间之经济、社会问题。改变地区资源分布，导致粮食、水源、渔获量等的供应不平衡，引发国际间之经济、社会问题。第6页/共77页第七页，共77页。排放温室气体的人类(rnli)活动（一）化石能源燃烧活动（二氧化碳等）化石能源开采过程中的排放和泄漏（二氧化碳和甲烷）部分工业生产 过程(如水泥生产)（二氧化碳）第7页/共77页第八页，共77页。排放温室气体的人类活动(hu dng)（二）农业(如水稻)（甲烷）畜牧业(如牛等反刍动物消化)（甲烷）废弃物处理 （甲烷和二氧化碳）土地利用变化减少对二氧化碳的吸收（如森 林砍伐）第8页/共77页第九页，共77页。排放排放(pi fn)情景情景n n排放情景是指为了制作未来全球和区域气候变化的排放情景是指为了制作未来全球和区域气候变化的排放情景是指为了制作未来全球和区域气候变化的排放情景是指为了制作未来全球和区域气候变化的预测，根据一系列驱动因子（包括人口增长、经济预测，根据一系列驱动因子（包括人口增长、经济预测，根据一系列驱动因子（包括人口增长、经济预测，根据一系列驱动因子（包括人口增长、经济发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等）发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等）发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等）发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等）的假设的假设的假设的假设(jish)(jish)(jish)(jish)得出的未来温室气体和硫化物气溶得出的未来温室气体和硫化物气溶得出的未来温室气体和硫化物气溶得出的未来温室气体和硫化物气溶胶排放的情况。胶排放的情况。胶排放的情况。胶排放的情况。n n早期的模式预测并没有特定的排放情景，主要进行早期的模式预测并没有特定的排放情景，主要进行早期的模式预测并没有特定的排放情景，主要进行早期的模式预测并没有特定的排放情景，主要进行的是的是的是的是CO2CO2CO2CO2加倍平衡试验（加倍平衡试验（加倍平衡试验（加倍平衡试验（IPCCIPCCIPCCIPCC，1990199019901990）。此后先后）。此后先后）。此后先后）。此后先后发展了两套温室气体和气溶胶排放情景，即发展了两套温室气体和气溶胶排放情景，即发展了两套温室气体和气溶胶排放情景，即发展了两套温室气体和气溶胶排放情景，即IS92IS92IS92IS92和和和和SRESSRESSRESSRES。第9页/共77页第十页，共77页。n n IS92排放(pi fn)情景于1992年提出（IPCC，1992），主要用于SAR中气候模式的预测。IS92包含了六种不同的排放(pi fn)情景（IS92a到IS92f），分别代表未来世界不同的社会、经济和环境条件。n nSRES排放(pi fn)情景于2000年提（IPCC 2001），主要用于替代IS92用于TAR的气候预测。SRES排放(pi fn)情景主要由四个框架组成：第10页/共77页第十一页，共77页。A1A1框架和情景框架和情景(qngjng)(qngjng)系列系列 描述的是一个经济快速增长，全球人口峰值出现在描述的是一个经济快速增长，全球人口峰值出现在2121世纪中叶、随后世纪中叶、随后(suhu)(suhu)开始减少，新的和更高效的技术迅速出现的未来世界。其基开始减少，新的和更高效的技术迅速出现的未来世界。其基本内容是强调地区间的趋同发展、能力建设、不断增强的文化和社会本内容是强调地区间的趋同发展、能力建设、不断增强的文化和社会的相互作用、地区间人均收入差距的持续减少。的相互作用、地区间人均收入差距的持续减少。A1A1情景系列划分为情景系列划分为3 3个群组，分别描述了能源系统技术变化的不同发展方向，以技术重点个群组，分别描述了能源系统技术变化的不同发展方向，以技术重点来区分这三个来区分这三个A1A1情景组：化石密集（情景组：化石密集（A1FIA1FI）、非化石能源（）、非化石能源（A1TA1T）、）、各种能源资源均衡（各种能源资源均衡（A1BA1B）（此处的均衡定义为，在假设各种能源供）（此处的均衡定义为，在假设各种能源供应和利用技术发展速度相当的条件下，不过分依赖于某一特定的能源应和利用技术发展速度相当的条件下，不过分依赖于某一特定的能源资源）。资源）。第11页/共77页第十二页，共77页。A2A2框架和情景框架和情景(qngjng)(qngjng)系列系列 描述的是一个极其非均衡发展的世界。其基本点是自给自足和地方保护主义，地区间的人口出生率很不协调，导致持续的人口增长，经济(jngj)发展主要以区域经济(jngj)为主，人均经济(jngj)增长与技术变化越来越分离，低于其它框架的发展速度。第12页/共77页第十三页，共77页。B1 B1框架框架(kun ji)(kun ji)和情景系列和情景系列 描述的是一个均衡发展的世界，与A1描述具有相同的人口，人口峰值出现在世纪中叶，随后开始减少。不同的是，经济结构向服务和信息经济方向快速调整，材料密度降低，引入清洁、能源效率高的技术。其基本点是在不采取气候行动计划的条件下，更加公平地在全球范围(fnwi)实现经济、社会和环境的可持续发展。第13页/共77页第十四页，共77页。B2框架框架(kun ji)和情景系列和情景系列 描述的世界强调区域性的经济、社会和环境的可持续发展。全球人口以低于A2的增长率持续增长，经济发展处于中等水平，技术变化速率与A1、B1相比趋缓、发展方向多样(du yn)。同时，该情景所描述的世界也朝着环境保护和社会公平的方向发展，但所考虑的重点仅仅局限于地方和区域一级。第14页/共77页第十五页，共77页。SRESSRESSRESSRES以及以及以及以及IS92aIS92aIS92aIS92a主要温室气体主要温室气体主要温室气体主要温室气体(qt)(qt)(qt)(qt)和和和和SO2SO2SO2SO2的排放情景的排放情景的排放情景的排放情景 图2第15页/共77页第十六页，共77页。碳循环与温室气体碳循环与温室气体(qt)浓度的浓度的变化变化 碳循环之所以重要，是因为它调节着两种最重要的温室气体碳循环之所以重要，是因为它调节着两种最重要的温室气体CO2CO2与与CH4CH4的大气浓度。碳循环比较复杂，它具有多种不同化学物质的化学转换。的大气浓度。碳循环比较复杂，它具有多种不同化学物质的化学转换。而水循环中不同库间的交换过程而水循环中不同库间的交换过程(guchng)(guchng)涉及到相变，但只有一个化涉及到相变，但只有一个化学物质学物质H2OH2O的输送。在全球碳循环中有四个大的碳库：大气、生物圈（湿的输送。在全球碳循环中有四个大的碳库：大气、生物圈（湿地与海洋）、地壳（含地幔）和海洋碳库。大气地与海洋）、地壳（含地幔）和海洋碳库。大气CO2CO2库的大小在活跃的生库的大小在活跃的生物圈库（绿色植物，浮游生物，与整个食物链）和巨大的地壳碳库之间，物圈库（绿色植物，浮游生物，与整个食物链）和巨大的地壳碳库之间，进出小库的交换率比进出大库的要快几个量级。进出小库的交换率比进出大库的要快几个量级。第16页/共77页第十七页，共77页。几百万年来，通过硅酸盐岩石的风化作用和由海洋植物固碳作用几百万年来，通过硅酸盐岩石的风化作用和由海洋植物固碳作用而埋藏于海洋沉积物中，而埋藏于海洋沉积物中，CO2CO2由大气中被清除。而化石燃料的燃烧又由大气中被清除。而化石燃料的燃烧又把地球在地质时期捕获的碳重新释放到大气中。新的冰芯资料表明，把地球在地质时期捕获的碳重新释放到大气中。新的冰芯资料表明，地球系统至少在过去地球系统至少在过去6565万年内（万年内（6 6次冰期次冰期间冰期循环）没有达到目间冰期循环）没有达到目前大气前大气CO2CO2或或CH4CH4的浓度值。在那个时期，大气的浓度值。在那个时期，大气CO2CO2浓度一直在浓度一直在180ppm180ppm（冰期最盛时期）和（冰期最盛时期）和300ppm300ppm（暖的间冰期）。一般认为，在冰（暖的间冰期）。一般认为，在冰期盛期，由大气中清除的期盛期，由大气中清除的CO2CO2被储存于海洋中，并提出了一些因果的被储存于海洋中，并提出了一些因果的机理，它们把天文变化，气候，机理，它们把天文变化，气候，CO2CO2和其它温室气体，海洋环流与温和其它温室气体，海洋环流与温度，生物生产力和营养供应与海洋沉积物之相互作用联系度，生物生产力和营养供应与海洋沉积物之相互作用联系(linx)(linx)起起来。来。第17页/共77页第十八页，共77页。在在17501750年之前，年之前，CO2CO2的大气浓度稳定在的大气浓度稳定在260-280ppm260-280ppm已达已达1010万年万年(wnnin)(wnnin)。相。相对于自然变化，人类活动对碳循环的扰动是不明显的。对于自然变化，人类活动对碳循环的扰动是不明显的。17501750年之后，大气中年之后，大气中CO2CO2浓度以增长的速率由浓度以增长的速率由280ppm280ppm上升到上升到20052005年近年近380ppm380ppm。这种增加主要产生自人类活。这种增加主要产生自人类活动：主要是化石燃料燃烧和毁林，也由于水泥生产，土地利用和管理的变化（生动：主要是化石燃料燃烧和毁林，也由于水泥生产，土地利用和管理的变化（生物质燃烧，作物生产，草地变农用等）。其中人类活动造成的物质燃烧，作物生产，草地变农用等）。其中人类活动造成的CO2CO2排放是单一的排放是单一的对气候变化贡献最大的人类活动因子。甲烷浓度从对气候变化贡献最大的人类活动因子。甲烷浓度从17501750年的年的700ppb700ppb类似的上升到类似的上升到20052005年的年的1775ppb1775ppb，其排放源有：化石燃料，填埋废弃物处理，泥地，其排放源有：化石燃料，填埋废弃物处理，泥地/湿地，反刍湿地，反刍动物和稻米生产。动物和稻米生产。CH4CH4辐射强迫的增加量略小于辐射强迫的增加量略小于CO2CO2的三分之一，是第二个重要的的三分之一，是第二个重要的温室气体。温室气体。第18页/共77页第十九页，共77页。无论是无论是CO2CO2和和CH4CH4在自然碳循环中都起着重要的作用。它们在陆地生物圈，在自然碳循环中都起着重要的作用。它们在陆地生物圈，海洋和大气之间连续地大量流动，在近十万年到海洋和大气之间连续地大量流动，在近十万年到17501750年维持着稳定年维持着稳定(wndng)(wndng)的大气的大气CO2CO2和和CH4CH4浓度。通过光合作用，碳被转换成植物生物质。浓度。通过光合作用，碳被转换成植物生物质。陆地植物由大气中捕获陆地植物由大气中捕获CO2CO2；植物，土地和动物呼吸（包括死亡，生物质分；植物，土地和动物呼吸（包括死亡，生物质分解），在厌氧条件下把碳作为解），在厌氧条件下把碳作为CO2CO2和和CH4CH4又可返回到大气中。在年尺度上，植又可返回到大气中。在年尺度上，植被火灾可能是被火灾可能是CO2CO2与与CH4CH4的重要源。但如果植被再生，在年代时间尺度大量的重要源。但如果植被再生，在年代时间尺度大量CO2CO2又可被陆地生物圈再度捕获。又可被陆地生物圈再度捕获。第19页/共77页第二十页，共77页。在大气与海洋间在大气与海洋间CO2CO2被连续地交换，进入洋面的被连续地交换，进入洋面的CO2CO2立即与水形成重碳酸盐立即与水形成重碳酸盐（HCO3-HCO3-）和碳酸盐（）和碳酸盐（CO32-CO32-）离子，）离子，CO2CO2，HCO3-HCO3-和和CO32-CO32-一起被称作溶解性无机一起被称作溶解性无机碳（碳（DICDIC）。相对于大气和其下海洋中层的物理交换）。相对于大气和其下海洋中层的物理交换CO2CO2在表层洋面作为在表层洋面作为DICDIC的存的存留时间不到留时间不到1010年。冬季年。冬季(dngj)(dngj)，高纬的冷水，重且富有，高纬的冷水，重且富有CO2CO2（作为（作为DICDIC）由于溶）由于溶解性高）从表层下沉到深层，这种局地的下沉与解性高）从表层下沉到深层，这种局地的下沉与MOCMOC（经向翻转环流）有关，被（经向翻转环流）有关，被称作称作“溶解泵溶解泵”。长时期看，它被分布式向上扩散到暖表层水的。长时期看，它被分布式向上扩散到暖表层水的DICDIC输送大致相输送大致相平衡。平衡。第20页/共77页第二十一页，共77页。浮游生物通过光合作用摄取碳，以后作为死亡的有机浮游生物通过光合作用摄取碳，以后作为死亡的有机物与颗粒，其中一些又从表层下沉（生物泵）或转变成溶解物与颗粒，其中一些又从表层下沉（生物泵）或转变成溶解有机碳（有机碳（DOCDOC）。大部分下沉颗粒中的碳在表层通过细菌的）。大部分下沉颗粒中的碳在表层通过细菌的作用又被氧化，并最终作为作用又被氧化，并最终作为DICDIC再循环到海表。其余的颗粒再循环到海表。其余的颗粒通量到达深海区（通量到达深海区（2000-6000m2000-6000m），一小部分到达深海沉积物，），一小部分到达深海沉积物，其中一些又重新其中一些又重新(chngxn)(chngxn)悬浮起来，一些被埋存。中层海悬浮起来，一些被埋存。中层海水以几十年水以几十年几百年时间尺度混合，而深层水混合是千年时几百年时间尺度混合，而深层水混合是千年时间尺度，需要一些混合时间以使海洋达到其充分的缓冲能力。间尺度，需要一些混合时间以使海洋达到其充分的缓冲能力。溶解和生物泵一起维持溶解和生物泵一起维持CO2CO2在洋面（低值）到深层海洋（高在洋面（低值）到深层海洋（高值）的垂直梯度（作为值）的垂直梯度（作为DICDIC），因而调节着），因而调节着CO2CO2在大气与海洋在大气与海洋间的交换。间的交换。第21页/共77页第二十二页，共77页。从全球看，溶解泵的浓度依赖于从全球看，溶解泵的浓度依赖于MOCMOC的强度，洋面温度，盐分，层结和冰盖。的强度，洋面温度，盐分，层结和冰盖。生物泵的效率依赖于光合作用中由表层海洋作为下沉颗粒物输出的那一部分，它生物泵的效率依赖于光合作用中由表层海洋作为下沉颗粒物输出的那一部分，它受到海洋环流，营养供应和浮游生物群组成和生理作用的影响。受到海洋环流，营养供应和浮游生物群组成和生理作用的影响。下图中，黑箭头是海洋，大气和陆地生物圈间的自然或未扰动碳交换。总的下图中，黑箭头是海洋，大气和陆地生物圈间的自然或未扰动碳交换。总的陆地生物圈与大气以及海洋与大气间的通量分别是陆地生物圈与大气以及海洋与大气间的通量分别是120120与与90GtC/yr90GtC/yr（约（约19951995年）。年）。只有不到只有不到1GtC/yr1GtC/yr碳从陆地通过河流输入碳从陆地通过河流输入(shr)(shr)到海洋中。这些通量在长时期平到海洋中。这些通量在长时期平均是平衡的。对于长期地质年代具有重要性的，另外自然通量包括由陆地植物的均是平衡的。对于长期地质年代具有重要性的，另外自然通量包括由陆地植物的有机物质向土壤中惯性有机碳的不稳定转换，岩石风化和沉积物积累（反风化作有机物质向土壤中惯性有机碳的不稳定转换，岩石风化和沉积物积累（反风化作用）与火山活动释放，它们的量值总体上是小的。在用）与火山活动释放，它们的量值总体上是小的。在17501750年前的年前的1 1万年中净通量万年中净通量不到不到0.1GtC/yr0.1GtC/yr。第22页/共77页第二十三页，共77页。地球系统地球系统(xtng)不同碳库间的碳循环不同碳库间的碳循环大气(dq)与海洋地壳(dqio)生物圈地幔层光合作用呼吸与衰亡埋藏俯冲海床扩张风化作用火山活动图3第23页/共77页第二十四页，共77页。图中给出的是年平均碳通量（Gtc/yr）。黑箭头：工业化前自然通量；红箭头：人类活动(hu dng)通量。净的陆地损失（-39Gtc）由累积化石燃料排放减大气增加再减海洋储存倒算得到。-140Gtc代表土地利用变化造成的累积排放，并要求101Gtc的陆地生物圈汇。GPP是年平均总陆地初级生产力。19901990年代年代(nindi)(nindi)全球碳循环示意图全球碳循环示意图图4 第24页/共77页第二十五页，共77页。海洋和陆地海洋和陆地(ld)的碳的碳收支收支第25页/共77页第二十六页，共77页。海洋中碳以三种海洋中碳以三种(sn zhn)(sn zhn)形式存在：形式存在：（1 1）溶解的）溶解的CO2CO2或或H2CO3H2CO3（碳酸）（碳酸）（2 2）与）与Ca2+Ca2+与与Mg2+Mg2+及其它金属阳离子偶对的及其它金属阳离子偶对的碳酸盐粒子（碳酸盐粒子（CO2-3CO2-3）（3 3）重碳酸盐离子，这是海洋碳库含量最大）重碳酸盐离子，这是海洋碳库含量最大的。的。第26页/共77页第二十七页，共77页。陆地生态系统：总碳含量比海陆地生态系统：总碳含量比海洋低很多，洋低很多，1818世纪中的估计表世纪中的估计表明总碳库容量为明总碳库容量为2300GtC2300GtC，其中，其中80%80%在土壤在土壤(trng)(trng)和地表废弃和地表废弃物中，其余在地上植被中：净物中，其余在地上植被中：净初级生产力（初级生产力（NPPNPP）每年把约）每年把约120GtC/y120GtC/y碳通过光合作用吸收碳通过光合作用吸收到生态系统中，而呼吸与生物到生态系统中，而呼吸与生物质燃烧质燃烧/衰亡又把同样的碳量返衰亡又把同样的碳量返到大气中。到大气中。（光合作用：（光合作用：CO2+H2O CO2+H2O CH2O+O2;CH2O+O2;呼吸与衰亡：呼吸与衰亡：CH2O+O2 CH2O+O2 CO2+H2OCO2+H2O；即使有机物质氧化）即使有机物质氧化）第27页/共77页第二十八页，共77页。n n大气碳库主要由大气碳库主要由大气碳库主要由大气碳库主要由CO2CO2CO2CO2和和和和CH4CH4CH4CH4构成，工业化前的大气构成，工业化前的大气构成，工业化前的大气构成，工业化前的大气CO2CO2CO2CO2浓度浓度浓度浓度280ppm280ppm280ppm280ppm相当于约相当于约相当于约相当于约600GtC600GtC600GtC600GtC的碳库。大气与其的碳库。大气与其的碳库。大气与其的碳库。大气与其它碳库间的年通量为它碳库间的年通量为它碳库间的年通量为它碳库间的年通量为130GtC130GtC130GtC130GtC，这表明大气中碳的更，这表明大气中碳的更，这表明大气中碳的更，这表明大气中碳的更新十分迅速，每新十分迅速，每新十分迅速，每新十分迅速，每4-54-54-54-5年一次。年一次。年一次。年一次。42424242或或或或65656565万年前南极冰万年前南极冰万年前南极冰万年前南极冰芯资料表明，芯资料表明，芯资料表明，芯资料表明，CO2CO2CO2CO2和和和和CH4CH4CH4CH4浓度变化与南极温度是非常浓度变化与南极温度是非常浓度变化与南极温度是非常浓度变化与南极温度是非常紧密的耦合在一起（冰期：紧密的耦合在一起（冰期：紧密的耦合在一起（冰期：紧密的耦合在一起（冰期：180-220ppm180-220ppm180-220ppm180-220ppm，间冰期：，间冰期：，间冰期：，间冰期：280-300ppm280-300ppm280-300ppm280-300ppm）。冰期与间冰期循环可能由地球轨道）。冰期与间冰期循环可能由地球轨道）。冰期与间冰期循环可能由地球轨道）。冰期与间冰期循环可能由地球轨道参数变化引起或启动（它改变地球上太阳辐射的数参数变化引起或启动（它改变地球上太阳辐射的数参数变化引起或启动（它改变地球上太阳辐射的数参数变化引起或启动（它改变地球上太阳辐射的数量和分布），但这种初始的气候变化引起了大气与量和分布），但这种初始的气候变化引起了大气与量和分布），但这种初始的气候变化引起了大气与量和分布），但这种初始的气候变化引起了大气与其它碳库间其它碳库间其它碳库间其它碳库间CO2CO2CO2CO2通量的明显变化（主要是海洋）。通量的明显变化（主要是海洋）。通量的明显变化（主要是海洋）。通量的明显变化（主要是海洋）。之后引起大气之后引起大气之后引起大气之后引起大气CO2CO2CO2CO2浓度的变化以及温室强迫浓度的变化以及温室强迫浓度的变化以及温室强迫浓度的变化以及温室强迫(qing(qing(qing(qing p)p)p)p)强度的变化。这种重要的反馈作用约为冰期强度的变化。这种重要的反馈作用约为冰期强度的变化。这种重要的反馈作用约为冰期强度的变化。这种重要的反馈作用约为冰期间冰期循环振幅的间冰期循环振幅的间冰期循环振幅的间冰期循环振幅的50%50%50%50%左右。左右。左右。左右。第28页/共77页第二十九页，共77页。过去过去1 1万年万年CO2CO2浓度只在浓度只在260-280ppm260-280ppm很小范围变化。大气很小范围变化。大气CO2CO2浓度变化是浓度变化是大气与其它碳库间碳净通量的一种度量。这表明，进出大气通量间的净年收大气与其它碳库间碳净通量的一种度量。这表明，进出大气通量间的净年收支，对于全新世大部分时期约为零。直到过去支，对于全新世大部分时期约为零。直到过去200200年才发生了变化。年才发生了变化。另外，不到另外，不到1GtC/y1GtC/y的碳通过河流由陆地输送到海洋的碳通过河流由陆地输送到海洋(hiyng)(hiyng)（溶解或（溶解或悬浮的颗粒物）。还有悬浮的颗粒物）。还有0.1GtC/y0.1GtC/y来自火山活动和由陆地植物向惰性有机碳来自火山活动和由陆地植物向惰性有机碳（土壤，岩石风化和沉积物累积（反风化作用）不稳定有机物转换。（土壤，岩石风化和沉积物累积（反风化作用）不稳定有机物转换。第29页/共77页第三十页，共77页。地壳中的有机与无机碳库都很巨大，进出这些库的交换很慢（化石燃料地壳中的有机与无机碳库都很巨大，进出这些库的交换很慢（化石燃料燃烧除外），居留时间在几百万年的量级。碳进入这些库是通过生物圈，尤燃烧除外），居留时间在几百万年的量级。碳进入这些库是通过生物圈，尤其是无机碳库主要由碳酸钙组成，几乎完全由海洋生物圈产生。有机碳库表其是无机碳库主要由碳酸钙组成，几乎完全由海洋生物圈产生。有机碳库表现为天然气、煤、石油和油页岩等。风化作用使沉积岩中的有机碳暴露于大现为天然气、煤、石油和油页岩等。风化作用使沉积岩中的有机碳暴露于大气中，允许它氧化，以此完成长期无机碳循环中的一环。目前气中，允许它氧化，以此完成长期无机碳循环中的一环。目前(mqin)(mqin)化石化石燃料燃烧仅在一年中就把几万年，几十万年中风化作用所能产生的燃料燃烧仅在一年中就把几万年，几十万年中风化作用所能产生的CO2CO2返回返回到大气中。到大气中。第30页/共77页第三十一页，共77页。在几亿到几十亿年时间尺度，板块构造和火山活动在几亿到几十亿年时间尺度，板块构造和火山活动在产生大气在产生大气(dq)CO2(dq)CO2中起着基本作用，无机碳循环涉及中起着基本作用，无机碳循环涉及俯冲，变质作用和风化作用。海床上的石灰岩沉积物，俯冲，变质作用和风化作用。海床上的石灰岩沉积物，沿板块边界俯冲入地幔中，结果大陆板块位于更密实的沿板块边界俯冲入地幔中，结果大陆板块位于更密实的海洋板块之上。在地幔的高温条件下，石灰岩转化为变海洋板块之上。在地幔的高温条件下，石灰岩转化为变质岩，即：质岩，即：CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2通过火山爆发，由此化学反应释放的通过火山爆发，由此化学反应释放的CO2CO2最终回到大气最终回到大气(dq)(dq)中。与硅酸盐化学组合中，含钙的变质岩以新形中。与硅酸盐化学组合中，含钙的变质岩以新形成的地壳形式再循环。变质反应，组合风化作用和碳酸成的地壳形式再循环。变质反应，组合风化作用和碳酸形成反应，就形成了一个闭合回路，在其中碳原子在大形成反应，就形成了一个闭合回路，在其中碳原子在大气气(dq)CO2(dq)CO2库，地壳中的无机碳库来回循环，其时间尺库，地壳中的无机碳库来回循环，其时间尺度几千年到几百万年。度几千年到几百万年。第31页/共77页第三十二页，共77页。地壳地壳(dqio)(dqio)和大气的碳交换和大气的碳交换 通过硅酸钙岩石的风化作用可产生离子：通过硅酸钙岩石的风化作用可产生离子：CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O（1 1）钙离子与重碳酸盐离子被海洋有机体相结合到它们的外壳钙离子与重碳酸盐离子被海洋有机体相结合到它们的外壳(wi k)(wi k)和骨骼中和骨骼中Ca2+2HCO3-CaCO3+SiO2 Ca2+2HCO3-CaCO3+SiO2 （2 2）（1 1）与（）与（2 2）合并，）合并，CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2 （3 3）故通过化学反应从大气和海洋中捕获故通过化学反应从大气和海洋中捕获CO2CO2，将它溶入更，将它溶入更大的碳源中，即地壳的无机碳沉积岩中。大的碳源中，即地壳的无机碳沉积岩中。第32页/共77页第三十三页，共77页。另一方面，通过板块运动和火山运动可产生另一方面，通过板块运动和火山运动可产生CO2CO2，补充大气中的，补充大气中的CO2CO2。海底的石灰石沉积沿着板块边缘俯冲到地幔中，由于海底的石灰石沉积沿着板块边缘俯冲到地幔中，由于(yuy)(yuy)地幔中温度地幔中温度较高，石灰石通过化学反应变成变质岩。较高，石灰石通过化学反应变成变质岩。CaCO3+SiO3 CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO3 CaSiO3+CO2 （4 4）上述化学反应中释放出来的上述化学反应中释放出来的CO2CO2通过火山爆发又回到大气中。（通过火山爆发又回到大气中。（4 4）式的变质反应，加上风化反应，与形成碳酸盐的反应（式的变质反应，加上风化反应，与形成碳酸盐的反应（3 3）就构成了一个）就构成了一个完整的碳循环，使碳原子在大气和地壳中的无机碳源中不断循环，所需完整的碳循环，使碳原子在大气和地壳中的无机碳源中不断循环，所需时间为几千万或几亿年。时间为几千万或几亿年。第33页/共77页第三十四页，共77页。当当CO2CO2通过火山爆发进入大气的速度大于风化作用产生钙离子的通过火山爆发进入大气的速度大于风化作用产生钙离子的速度时，大气中的速度时，大气中的CO2CO2浓度就会增加，反之亦然。浓度就会增加，反之亦然。CO2CO2进入大气的速度进入大气的速度取决碳酸盐岩石变质反应的速度，而变质反应的速度又依赖于板块聚取决碳酸盐岩石变质反应的速度，而变质反应的速度又依赖于板块聚集运动的速度。而风化作用的速度则跟大气中的水汽循环速度有关，集运动的速度。而风化作用的速度则跟大气中的水汽循环速度有关，它随温度的升高而增加。风化过程包含化学反应它随温度的升高而增加。风化过程包含化学反应(huxu fnyng)(huxu fnyng)使使这种依赖温度的关系更为明显。因此，较高的环境温度和较慢板块运这种依赖温度的关系更为明显。因此，较高的环境温度和较慢板块运动将有益于降低大气中动将有益于降低大气中CO2CO2浓度，反之会增加其浓度。在上千万年的浓度，反之会增加其浓度。在上千万年的时间里，（时间里，（3 3）与（）与（4 4）式的不平衡将会改变大气中）式的不平衡将会改变大气中CO2CO2的浓度，这已的浓度，这已是不争的事实。是不争的事实。第34页/共77页第三十五页，共77页。大气(dq)海洋(hiyng)石灰岩碳WM石灰岩离子(lz)变质岩石英MWMW长期无机碳循环，或碳酸硅酸循环。S：沉积；M：变质作用；W：风化作用钙硅图5 第35页/共77页第三十六页，共77页。n n在火山爆发把在火山爆发把CO2CO2喷射入大气的速率超过由喷射入大气的速率超过由风化作用产生的钙离子速率时，大气风化作用产生的钙离子速率时，大气CO2CO2浓浓度增加，反之也然。喷发率决定于碳酸岩度增加，反之也然。喷发率决定于碳酸岩变质变质(bin zh)(bin zh)率，后者又取决于沿辐合率，后者又取决于沿辐合边缘出现俯冲时板块运动的速度。但风化边缘出现俯冲时板块运动的速度。但风化作用正比于水循环大气分支中水循环速度。作用正比于水循环大气分支中水循环速度。后者是随温度增加而增加。风化作用涉及后者是随温度增加而增加。风化作用涉及化学反应的事实使对温度的依赖性甚至更化学反应的事实使对温度的依赖性甚至更强。强。第36页/共77页第三十七页，共77页。海洋中碳的化学过程海洋中碳的化学过程CO2+H2OH2O3 CO2+H2OH2O3（1 1）碳酸以后分解形成重碳酸离子和碳酸以后分解形成重碳酸离子和氢离子氢离子H2CO3 H+HCO3-H2CO3 H+HCO3-（2 2）以此使海水变得更酸，增加的以此使海水变得更酸，增加的H+H+离子把碳酸盐与重碳酸盐间的平离子把碳酸盐与重碳酸盐间的平衡衡HCO3-H+CO32-HCO3-H+CO32-（3 3）移向左边，其反向反应为移向左边，其反向反应为CO2+CO32-+H2O 2HCO3-CO2+CO32-+H2O 2HCO3-（4 4）这把加入的碳送入重碳酸盐库中，这把加入的碳送入重碳酸盐库中，而海洋酸度并无增加，海洋以这而海洋酸度并无增加，海洋以这种方式种方式(fngsh)(fngsh)吸收和缓冲吸收和缓冲CO2CO2的能力受到碳酸盐库中离子多少的能力受到碳酸盐库中离子多少的限制。的限制。第37页/共77页第三十八页，共77页。Ca2+2HCO3-CaCO3+H2CO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+H2CO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+H2CO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+H2CO3 （5 5 5 5）以此产生的碳酸钙盐沉入到海床上，形成石灰岩沉积物，以此产生的碳酸钙盐沉入到海床上，形成石灰岩沉积物，以此产生的碳酸钙盐沉入到海床上，形成石灰岩沉积物，以此产生的碳酸钙盐沉入到海床上，形成石灰岩沉积物，而其余的通过逆过积溶解掉。而其余的通过逆过积溶解掉。而其余的通过逆过积溶解掉。而其余的通过逆过积溶解掉。CaCO3+HCO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+HCO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+HCO3 Ca2+2HCO3-CaCO3+HCO3 Ca2+2HCO3-（6 6 6 6）石灰岩沉积物趋于集中在热带浅海下方的大陆架中。它们石灰岩沉积物趋于集中在热带浅海下方的大陆架中。它们石灰岩沉积物趋于集中在热带浅海下方的大陆架中。它们石灰岩沉积物趋于集中在热带浅海下方的大陆架中。它们是有利于珊瑚生长，在海洋的这些层中，水的酸性很低，是有利于珊瑚生长，在海洋的这些层中，水的酸性很低，是有利于珊瑚生长，在海洋的这些层中，水的酸性很低，是有利于珊瑚生长，在海洋的这些层中，水的酸性很低，因而沉积于海床上的壳类和骨骼并不溶解。因而沉积于海床上的壳类和骨骼并不溶解。因而沉积于海床上的壳类和骨骼并不溶解。因而沉积于海床上的壳类和骨骼并不溶解。海洋有机物把吸收到它们的贝壳中，它是通过岩石的风蚀海洋有机物把吸收到它们的贝壳中，它是通过岩石的风蚀海洋有机物把吸收到它们的贝壳中，它是通过岩石的风蚀海洋有机物把吸收到它们的贝壳中，它是通过岩石的风蚀作用，由河中带入到海洋中，某些作用，由河中带入到海洋中，某些作用，由河中带入到海洋中，某些作用，由河中带入到海洋中，某些(mu xi)(mu xi)(mu xi)(mu xi)离子可由钙离子可由钙离子可由钙离子可由钙硅岩石的风化形成。硅岩石的风化形成。硅岩石的风化形成。硅岩石的风化形成。CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O CaSiO3+H2CO3Ca2+2HCO3-+SiO2+H2O （7 7 7 7）组合（组合（组合（组合（1 1 1 1）后，（）后，（）后，（）后，（5 5 5 5）与（）与（）与（）与（7 7 7 7）式的净作用是：）式的净作用是：）式的净作用是：）式的净作用是：CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2CaCO3+SiO2 （8 8 8 8）第38页/共77页第三十九页，共77页。工业化前的碳循环工业化前的碳循环工业化前的碳循环工业化前的碳循环 沉积岩和矿物沉积物在百万年尺度(chd)上，蕴藏着大量的碳。这种碳库的自然变化一般很小，它们一般不参与百年尺度