地球系統(tǒng)科學(xué)第一講

地球系統(tǒng)科學(xué)陸胤昊課程簡(jiǎn)介考核方式考勤20分4*5課堂參與10分平時(shí)作業(yè)20分一次期末考試50分開卷內(nèi)容以課件為準(zhǔn)，題型另行通知2023/10/243學(xué)科背景介紹過去的地學(xué)教學(xué)的局限性地學(xué)前沿研究的內(nèi)在需要人類生存和可持續(xù)發(fā)展的客觀要求教材與參考用書基本教材LeeR.Kump,JamesF.Kasting,RobertG.Crane-TheEarthSystem-Pearson(2009)BrianJ.Skinner,BarbaraW.Murck-TheBluePlanet-AnIntroductiontoEarthSystemScience-Wiley(2011)StevenM.Stanley-EarthSystemHistory,3rdEdition-W.H.Freeman(2009)進(jìn)階讀物RuiXinHuang-OceanCirculation_Wind-DrivenandThermohalineProcesses(2009)G.TylerMiller,ScottSpoolman-SustainingtheEarth,TenthEdition-BrooksCole(2011)全球變化—單一學(xué)科不能解決的問題哥本哈根會(huì)議上各國(guó)代表的政治博弈溫室效應(yīng)和全球變暖溫室效應(yīng)真實(shí)存在的自然過程地球本身釋放的溫室氣體的保溫作用全球變暖有數(shù)據(jù)支撐的一個(gè)假說人類活動(dòng)下化石燃料的燃燒增加排放的溫室氣體的增溫作用短時(shí)間尺度的全球變化全球變暖：認(rèn)識(shí)——爭(zhēng)議——統(tǒng)一對(duì)二氧化碳濃度的觀測(cè)Keeling曲線：夏威夷最高點(diǎn)MaunaLoa山山頂（海拔4300米），此地空氣來自廣袤無人的西太平洋上空，基本可排除點(diǎn)源污染的影響Keeling曲線Keeling曲線證明的事實(shí)近50年二氧化碳的濃度在增加這種增加趨勢(shì)在去1958年以前就存在近50年二氧化碳濃度呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)二氧化碳濃度存在著規(guī)律的年內(nèi)波動(dòng)趨勢(shì)一些自然現(xiàn)象可以在短暫數(shù)年內(nèi)影響變化趨勢(shì)，但并不對(duì)總體變化趨勢(shì)構(gòu)成影響Keeling曲線不能證明的事情1958年以前大氣中的二氧化碳是如何變化的二氧化碳是從什么時(shí)候開始增加的探尋1958年以前二氧化碳濃度在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以獲得的情況下，我們應(yīng)該如何去了解歷史上的二氧化碳濃度？南北兩極冰蓋中能夠找到答案！通過鉆取冰芯可以獲得冰蓋中久遠(yuǎn)年代封存的氣泡，并獲得歷史上的二氧化碳濃度值。近萬年二氧化碳濃度變化與其他溫室氣體濃度變化比較工業(yè)革命以來的全球地表溫度溫室氣體對(duì)氣候的改變對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)果的質(zhì)疑和爭(zhēng)議儀器或測(cè)量方法變化前后數(shù)據(jù)序列的對(duì)齊問題氣象站如何規(guī)避城市熱島效應(yīng)測(cè)試點(diǎn)分布的變化以及全球密度的不均新近測(cè)試點(diǎn)時(shí)間序列短的問題其它爭(zhēng)議20世紀(jì)70年代的北半球短暫降溫以及硫酸鹽氣溶膠的降溫作用。觀點(diǎn)一：燃煤尾氣脫硫是70年代以后氣溫升高的罪魁禍?zhǔn)祝挥^點(diǎn)二：二氧化碳濃度是決定性因素。實(shí)際情況：硫酸鹽氣溶膠會(huì)隨著降雨在幾周內(nèi)被清除，而二氧化碳的溫室作用則是由累計(jì)濃度決定的，因?yàn)槎趸家坏┡欧懦鰜?，可以在大氣中停留上百年。北極海冰最小范圍變化北極海冰融化的效應(yīng)積極效應(yīng)歐洲北美貿(mào)易的“西北海上通到”每年可以通航數(shù)周環(huán)北冰洋帶的城市可能得到發(fā)展負(fù)面效應(yīng)北極熊以及因紐特人生存危機(jī)格陵蘭冰蓋加速融化導(dǎo)致海平面升高海冰融化是否會(huì)導(dǎo)致海平面升高阿基米德定律：浸沒在液體中的物體受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被取代的液體的重量全球變暖的潛在后果氣候變化（極端事件的增加）海平面上升（極地冰蓋融化、海水受熱密度變?。┩ㄟ^檢驗(yàn)過去的氣候變化來預(yù)測(cè)未來可能的情景。臭氧損耗及證據(jù)全球變化并不全是壞消息

—近年來臭氧濃度變化森林砍伐問題

亞馬遜1975~2012森林砍伐的后果氧氣釋放減少物種滅絕藥物來源消失我們最應(yīng)該關(guān)注的變化兩個(gè)原則：1.迫切程度：臭氧層空洞>全球變暖>物種滅絕2.恢復(fù)難度及時(shí)間：物種滅絕>全球變暖>臭氧層空洞長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化第四紀(jì)大冰期石炭-二疊紀(jì)大冰期震旦紀(jì)大冰期長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候數(shù)據(jù)的獲取地點(diǎn)：南極冰蓋東方（Vostok）和南極穹頂（DomeC）DomeC數(shù)據(jù)證明了什么地球歷史上二氧化碳濃度與溫度高度正相關(guān)，說明把全球變暖歸因與溫室氣體濃度增加是有依據(jù)的地球歷史上每過一定的時(shí)間會(huì)發(fā)生一次二氧化碳濃度激增，然后伴隨著數(shù)十萬年的緩慢減少，如此循環(huán)，這是什么原因？地質(zhì)年代表古生物大滅絕Gubbio的銥和K-T邊界：白堊紀(jì)—古近紀(jì)大滅絕研究進(jìn)展6550萬年前小行星撞擊墨西哥尤卡坦半島希克蘇魯伯地區(qū)（2010年科學(xué)雜志）；證據(jù)，全球K-T地層分界線富銥黏土層小結(jié)三個(gè)問題：當(dāng)前全球環(huán)境問題、早期全球變化、地球系統(tǒng)的運(yùn)行人類可以在很多方面改變環(huán)境：全球變暖、臭氧層空洞、森林砍伐和物種滅絕人類活動(dòng)的影響可以通過歷史時(shí)期的資料來證實(shí)：冰芯記錄二氧化碳濃度變化、K-T邊界與白堊紀(jì)—古近紀(jì)物種大滅絕的對(duì)應(yīng)太陽光度的變化早期太陽暗淡佯謬根據(jù)太陽光度隨時(shí)間變化情況顯示，早期地球會(huì)遠(yuǎn)比現(xiàn)在寒冷目前的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示38億年前地球就有液態(tài)水的存在，而35億年前就有生物體存在了可能的解釋：地球早期的溫室氣體含量遠(yuǎn)高于現(xiàn)在。隨之而來的問題：溫室氣體為何能夠隨著太陽變亮而降低？是因?yàn)榍珊线€是地球本身具備維持穩(wěn)定的機(jī)制？Gaia假說JamesLovelock在1972年提出：維持地球氣候穩(wěn)定的正是生物自身，生物可以通過光合作用或改變二氧化碳進(jìn)入碳酸鹽的速度來使地球保持合適的生存環(huán)境。也就是說地球本身是一個(gè)具有自我調(diào)節(jié)功能的系統(tǒng)。Gaia假說這是一個(gè)難以得到驗(yàn)證的論斷，但是這個(gè)假說提示人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)本身及其運(yùn)作規(guī)律，以及系統(tǒng)各部分的功能。系統(tǒng)理論和方法系統(tǒng)方法在幾乎所有領(lǐng)域中都有所運(yùn)用：包括自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)分支。一個(gè)很好的例子就是人體生理學(xué)。人體由很多系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)共同執(zhí)行維持生命的各項(xiàng)功能：如吸入氧氣排出二氧化碳的呼吸系統(tǒng)；用來進(jìn)行血液循環(huán)、攜帶氧氣和二氧化碳在整個(gè)人體運(yùn)行的心血管系統(tǒng)，加工食物并為全身活動(dòng)提供燃料的消化系統(tǒng)；感受內(nèi)外環(huán)境變化并控制其他系統(tǒng)活動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)等系統(tǒng)的成分系統(tǒng)的各個(gè)部分稱為系統(tǒng)的成分。成分可以是物質(zhì)的儲(chǔ)庫(kù)（用質(zhì)量或體積描述）、能量的儲(chǔ)庫(kù)（如用溫度表示）、系統(tǒng)的屬性（如體溫或壓力）或子系統(tǒng)（如心血管系統(tǒng)——人體內(nèi)相互連結(jié)的子系統(tǒng)之一）系統(tǒng)的狀態(tài)用來描述系統(tǒng)某一時(shí)刻特征的一組重要屬性。比如人體系統(tǒng)的血壓、體溫。系統(tǒng)的成分是相互作用的，系統(tǒng)狀態(tài)的變化能被整個(gè)系統(tǒng)“感覺”到。在許多系統(tǒng)中，這種聯(lián)系可以使重要的屬性得以控制。比如即使周邊的環(huán)境溫度發(fā)生了很大的變化，人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)仍能保持體溫恒定。耦合從人體生理的這些例子可以看出，人體“系統(tǒng)”的組成部分不是獨(dú)立存在的，它們相互關(guān)聯(lián)，使得信息從一個(gè)成分傳向下一個(gè)成分。這些關(guān)聯(lián)稱作耦合。系統(tǒng)內(nèi)部的各種耦合例子：空調(diào)正耦合：在正耦合中，一個(gè)成分的變化是導(dǎo)致與之相關(guān)聯(lián)的成分發(fā)生同方向變化的促進(jìn)因素。用箭頭表示負(fù)耦合：在負(fù)耦合中，一個(gè)成分的變化是導(dǎo)致與之相關(guān)聯(lián)的成分發(fā)生反方向變化的促進(jìn)因素。用圓形箭頭表示反饋循環(huán)空調(diào)的例子中，成分之間的兩個(gè)耦合形成的一個(gè)“往返”，即反饋循環(huán)。反饋是一個(gè)變化和對(duì)變化響應(yīng)的自我延續(xù)機(jī)制。例圖空調(diào)溫度空調(diào)溫度空調(diào)溫度體溫體溫體溫正耦合負(fù)耦合反饋循環(huán)（負(fù)）反饋循環(huán)實(shí)例學(xué)生A期中考試考砸了，老師B找他談話，老師的談話方式可能是（討論）?？赡艿慕Y(jié)果是（討論）老師B嚴(yán)厲批評(píng)，學(xué)生A知恥后勇，期末考試豐收（負(fù)反饋循環(huán)，批評(píng)成為激勵(lì)）老師B嚴(yán)厲批評(píng)，學(xué)生A自暴自棄，期末考試?yán)^續(xù)退步（正反饋循環(huán)，批評(píng)成為打擊）老師B好言安撫，學(xué)生A重塑信心，期末考試豐收（負(fù)反饋循環(huán)，安撫成為打氣）老師B好言安撫，學(xué)生A忘乎所以，期末考試?yán)^續(xù)退步（正反饋循環(huán)，安撫成為放縱）反饋循環(huán)實(shí)例圖兩種反饋循環(huán)負(fù)反饋循環(huán)降低擾動(dòng)的影響使系統(tǒng)趨向于穩(wěn)定正反饋循環(huán)放大擾動(dòng)影響使系統(tǒng)更不