全球环境变化地球系统科学.ppt

宇宙环境系统宇宙环境系统 宇宙与天体一、宇宙与天体一、宇宙与天体n人类对宇宙的不断探索！n20世纪20年代，哈勃发现红移红移和蓝移蓝移现象 n膨胀宇宙 三种形态：开宇宙、开宇宙、开宇宙、开宇宙、闭宇宙和临界宇宙闭宇宙和临界宇宙闭宇宙和临界宇宙闭宇宙和临界宇宙n人类的有限观测:150亿光年；n宇宙中的天体：物质的存在形式（类星体、脉冲星、恒星、星云、行星、卫星、星际物质，以及黑洞等n宇宙的特性宇宙的物质性物质性物质性物质性（基本粒子（微子）宇宙天体结构的系统系统系统系统性性性性宇宙的运动性运动性运动性运动性（宇宙膨胀、天体运动，星体内部运动等）宇宙形成n n大爆炸理论大爆炸理论n n150150亿年前？亿年前？亿年前？亿年前？n n9090100100亿年前亿年前亿年前亿年前 太阳、太阳系太阳、太阳系 n太阳的半径约70104KM；是地球的109倍，太阳体积约1.41018KM3,是地球的130万倍。n太阳的物质组成：H(78.4%),HE(19.8%),其次为C,N,O和其他金属等。n太阳的能量：太阳辐射，仅1/20亿为地球接受。E=mc E=mc2 24H4H+-He-He4 4+2e+2e+2v+r+2v+r(2)(2)太阳的大气结构太阳的大气结构太阳炽热的气体火球n内部稠密气体：中心区（核反应区）、辐射区、对流区n外部稀薄气体：光球：太阳黑子、光斑；色球：耀斑、日饵；日冕：太阳风（3 3）太阳活动对地球的影响！）太阳活动对地球的影响！地球环境系统地球环境的演化n n地球的年龄地球的年龄:地壳年龄约46亿，地球约5070亿年n地球的演化:v固体圈层的形成和演化vv大气圈、水圈的形成和演化vv生物圈的形成和演化生物圈的形成和演化n n地质历史地质历史：地质年代表（表131）地球的结构一、地球的内部结构一、地球的内部结构n地壳：大洋6KM，大陆35KM,总平均16KM.康拉德面把地壳上下分为硅铝层（不连续）和硅镁层n地幔：莫霍面和古登堡面之间。n地核：外核、过渡层和内核二、地球的外部结构二、地球的外部结构地球的运动地球的运动A、地球的自转、地球的自转n自西向东，逆时针旋转（北极）n恒星日、太阳日和太阴日n地球自转速度：角速度和线速度，周期性变化（34月最慢，8月最快）B、地球自转的意义、地球自转的意义o产生两极和赤道；o形成昼夜变更；o形成地方时；o使水平运动的物体偏向o产生潮汐摩擦阻力o造成地球整体自转同局部运动的差异C、地球的公转、地球的公转恒星年和回归年（春分点）地球公转轨道接近圆的椭圆；近日点、远日点，平均1.496108KM（天文单位）天文单位）黄道面地球公转轨道面；黄赤交角（黄道面地球公转轨道面；黄赤交角（23。26）岁差（少公转59“.29）D、地球公转的意义、地球公转的意义太阳直射点的周年变化（南北回归线）太阳直射点的周年变化（南北回归线）正午太阳高度的变化正午太阳高度的变化昼夜长短的变化（当地地理纬度和太阳直射点位置有关）昼夜长短的变化（当地地理纬度和太阳直射点位置有关）四季和五带的划分四季和五带的划分参考书目：n时间简史从大爆炸到黑洞时间简史从大爆炸到黑洞（史蒂芬 霍金著，许明贤、吴忠朝译）n n地球我们输不起的实验室（斯蒂芬.施奈德著）地球系统科学全球环境变化研究n人类环境系统永恒的主题n人类环境系统的演化n生态圈、生物圈、智慧圈和人类圈人类研究地球环境研究的推动因素n作为行星的地球n用于实际利益的科学n新的推动因素？全球环境变化（人类活动作用）作为行星的地球用于实际利益的科学全球环境变化地球系统科学：三个推动因素全球观点的出现n过去几十年中三大重大发展向我们揭示：地球是各部分相互作用的综合（整体）系统。对这一系统的研究应当超越学科界限。n第一、很多传统学科自身的成熟性，促进了对于各学科间基本联系和相互依赖的认识。（海洋学、大气科学、地质学、生物学）n第二、我们可以从空间对地球进行全球性的、大尺度的观察。地球科学研究必不可少的手段。同时，从空间观察地球还排除了国家政治界限，促进了地球上人类具有共同命运这一意识的形成，极大推进了目前全球环境变化的国际合作研究。n n第三、人类活动人口、技术、经济的在导致全球环境变化中的作用日益增大。n传统学科的成熟性，从空间对地球进行全球观察以及人类活动在全球变化中日益增长的作用促进了地球系统科学的发展。当今地球环境研究的新目标：n通过描述地球系统各部分及其相互作用的演化、运行，以及在所有时间尺度范围内将会怎样继续演化等，获得对整个地球环境系统的科学认识。n n在所有时间尺度上认识地球环境的演化。面临的挑战：n发展预报未来几十年到百年内将发生的、由自然和人类活动引起的全球环境变化的能力。现在是采取行动的时候n科学知识的成熟n新技术的出现n高度的世界性的政治意识和利益的形成n科学家国际性努力的结果地球系统科学 研究全球环境变化的新方法A：20世纪的地球科学研究工作回顾世纪的地球科学研究工作回顾n 1905 通过横越大西洋无线电传播揭示了电离层的存在n 1906 对地球年龄进行了放射性年代测定n 1915 提出大陆漂移假说：有证据但无机理n 1920创立冰期的米兰柯维奇理论n 1930 创立大气臭氧层的第一个综合性理论n 1948开始了数值天气预报开始了数值天气预报 n1957 国际地球物理年（IGY）开始和空间时代的开端n1958探险l号发现范艾伦（Van Allen）辐射带n1958开始对大气二氧化碳进行长期测量n1959出版精确的北大西洋海底图n1960 首次获得地球的卫星影象首次获得地球的卫星影象n 60年年代代岩岩石石圈圈板板块块结结构构和和大大陆陆漂漂移移机机制制得得到到公公认认n 1971 通过月球、岩石年龄测定确认地球一月球系统的年龄为45亿年n 1972发射用于进行陆面观测的 1号陆地卫星n 70年代确认催化循环可导致平流层臭氧层破坏年代确认催化循环可导致平流层臭氧层破坏n n1977在海洋扩张中心地带发现厌氧生物n1978发射用于进行海洋和大气观测的海洋卫星和雨云7号卫星n1981 从空间研究地球极光n1983 用 VLBI直接测量大陆漂移n 80年代 对南极“臭氧洞”作了进一步研究n1986 ICSU 签签署署了了国国际际地地圈圈一一生生物物圈圈计计划划（IGBP）n1995 开始实施地球系统科学的观测计划开始实施地球系统科学的观测计划n n2121世世纪纪的的全全球球环环境境变变化化研研究究：国际性合作研究计划的实施。B：地球系统过程：地球系统过程 大气湍流大气对流火山爆发地震周期营养循环土壤侵蚀成矿作用土壤发展上层海洋混合厄尔尼诺全球天气变化大气组成地球起源板块构造造山作用海洋环流特征空间尺度 秒 分 天 年 百年 万年 百万年 十亿年Log(s)1km10km100km1000km10000km图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度图：地球系统过程：特征空间尺度和时间尺度全球变化的五个主要时间尺度：1、几百万年至几十亿年。在一亿年之内，地球很快地形成。此后金属核（它产生磁场）明显地与其上的对流地幔和岩石圈隔离开。这些系统运行的特征时间尺度为几百万年。生命的演化及与此有关的目前大气化学成分的演变具有类似的时间尺度。2、几干年至几十万年“冰期和间冰期之间的交替（连同大气化学组分中的相应变化），土壤的发育，以及生物种类的分布，它们主要是由地球围绕太阳运动的轨道变化而引起的这种轨道变化具有几万年的循环周期。3、几十年至几百年。那些对地球上某些生命形式的存在有威胁的变化气候变化，大气化学成分的变化，地表干燥度或酸度的变化，以及地球和海洋生物系统的变化在未来的十年至一百年间应予认识和预报 4、几天至几个季度。天气现象、洋流中的旋涡，极区海冰覆盖的季节增长和融化，地面径流和风化以及植物生长的年循环等，都受制于由日射年循环调节的时间尺度范围内。大部分生物地球化学循环的反馈过程是通过为主要子系统提供能量的辐射过程的交替而发生的。n 地震和火山爆发都是在相当长的时间尺度内固体地球内部进行调整的一种瞬间表现形式，这种灾难性事件的突然爆发掩盖着一个基本事实，这就是为积累使这种事件重复所需的能量需要有几十到几百年的时间。5、几秒至几小时。陆地、海洋、冰、大气和生物群落之间的质量、动量和能量通量全部由时间尺度小于一天的过程所支配。在陆地和大洋，这些交换以湍流输送作为介质而发生，而湍流输送本身又部分地受逐日加热循环的影响。n上述时段中的前两个具有较长的时间尺度，它们包括属于传统地球科学地球物理学、地质学和地球化学领域的那些现象。而在大气科学、生物科学和海洋科学的研究中，则着重于最后两个时段。中间时段包含几十年至几百年时间尺度的全球变化中直接出现的那些过程和效应。n n生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间生物过程在所有时间尺度内发生，但是，发生在中间时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要时段的过程对于人类社会的利害关系和规划尤为重要。为迎接这一挑战，地球系统科学首先应当融合地球科学、大气科学和海洋科学的知识以及地球生物系统的知识，以便认识乃至预报人类生存时间尺度内地球系统的演化。因此，这一方法应当阐明那些共同产生中等时间尺度的行星规模变化的现象和过程之间的相互作用。然后，将这种新知识纳人反映地球做为一个动地球做为一个动力学系统运行力学系统运行的有关科学结构中去。最后，还必须用地质记录中的长时间尺度过程的证据对这一结构的适用性进行检验。C:地球系统是如何运行的:概念模式nC1:几千年至几百万年时间尺度 在几千年至几百万年的时间尺度范围内，固体地球变化的那些不可抗拒的过程主宰着所有其他过程。各种早期地球过程，从来自微星体的最初始积聚到生命的起源，发生在距今几十亿年以前并决定了地球系统的长期演变阶段。在这些早期事件以后，地球的历史便由下述三类主要过程所决定：n地地核核和和地地漫漫过过程程。它们主导着地球的主要磁场，几乎涉及地球的所有质量和动能。n板板块块构构造造过过程程。其作用在于通过地壳的形成和破坏以及大陆的形成而产生地表地形。n太太阳阳驱驱动动过过程程。其作用一般在于使高于或低于海平面的地形起伏剥蚀夷平，并使物理气候系统和生物地球化学循环系统趋于多样化。n 早期地球过程 古气候历史地核和地幔过程 板块构造太阳驱动过程图:几千年至几百万年时间尺度地球系统过程简化模式C2:几十年至几百年的全球环境变化n n什么因素支配着地球的气候？n在决定全球的温度和降水中，大气和海洋有何作用？这两个巨大的流体系统间相互作用的特点是什么？n对维持地球上的生命有重要作用的元素碳、氮、氧、磷、硫等是怎样在地球系统各分量之间循环的？这些元素循环的扰动所产生的全球影响是什么？n尤其是人类活动对全球的物理、化学和生物环境的影响如何，怎样提高人类预测未来十至百年内可能出现的、自然和人类活动诱发的变化的能力？n正是几十年到几百年这一时间尺度内，自然变化对人类有着重大的影响，且人类活动对全球过程的影响也最显著。在这一时段内，运行着两大类过程：物理气候系统和生物地球化学循环。古气候系统 人 类 活 动物理气候物理气候系统系统生物地球生物地球化学循环化学循环几十年至几百年尺度地球系统过程的简化模型 n物物理理气气候候系系统统 包括控制着地面温度和降水分布的大气和海洋过程，包括由于太阳加热的不同而产生的运动以及冰雪覆盖的变化。它包括大气物理学和大气动力学，海洋动力学以及地球表面温度和能量平衡等各个子系统。(fig.2.4)n生生物物地地球球化化学学循循环环是指诸如碳、氮、磷、硫这类关键物质通过全球环境的物质流，包括它们对全球环境中生命物质的影响（及受后者的控制）；它们以不同方式形成了与物理气侯系统连结的独立系统。它包括海洋生物地球化学，地球生态系统以及对流层化学等各个子系统n平流层（或中层大气）子系统介于这两类过程之间的概念部分。此外上述两类过程通过到处都有的，以液态水、水蒸汽和冰的形式而存在的水而密切联系着。C 生物地球化学循环生物地球化学循环D：地球系统科学的研究途径n观测数据的全球采集n观测资料的分析和解析n概念和数值模式建立和实验n模式的验证并预测未来变化趋势n资源环境信息系统对地球系统科学的重要性！地球（全球）环境宇宙大环境系统区域环境微环境图：不同尺度范围的环境系统图：不同尺度范围的环境系统The EndThank you!