第二講地球系統(tǒng)

地球系統(tǒng)如何認(rèn)識(shí)一個(gè)系統(tǒng)物質(zhì)組成系統(tǒng)各部分中的過程系統(tǒng)各部分之間的相互作用－反饋一、地球系統(tǒng)概念形成的歷史二、地球系統(tǒng)的圈層結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成 及其基本性質(zhì)三、人類圈的概念及其發(fā)展四、地球系統(tǒng)各部分的相互作用一、 地球系統(tǒng)概念形成的歷史1.古代自然哲學(xué)對(duì)地球系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)2.地球系統(tǒng)概念的發(fā)展1.古代自然哲學(xué)對(duì)地球系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)古代希臘的貢獻(xiàn)基本的生存和社會(huì)需要：農(nóng)牧業(yè)和航海重視自然、重視現(xiàn)實(shí)、追求理性從整體上對(duì)自然現(xiàn)象作直觀的觀察，以自然界的統(tǒng)一性為前提。在對(duì)大量自然現(xiàn)象繼續(xù)分析和分類的基礎(chǔ)上，力圖對(duì)整個(gè)世界進(jìn)行總結(jié)和概括，為自然科學(xué)的形成提供了原型和方法。方法論：觀察、思辨，缺少實(shí)驗(yàn)。亞里士多德<<逸周書>>： 24節(jié)氣72候的自然歷。<<呂氏春秋.十二紀(jì)>>： 孟春紀(jì)第一；仲春紀(jì)第二；季春紀(jì)第三； 孟夏紀(jì)第四；仲夏紀(jì)第五；季夏紀(jì)第六； 孟秋紀(jì)第七；仲秋紀(jì)第八；季秋紀(jì)第九； 孟冬紀(jì)第十；仲冬紀(jì)第十一；季冬紀(jì)第十二

<<史記.貨殖列轉(zhuǎn)>>： ……太陰在卯，穰；明歲衰惡。 至午，旱；明歲美。 至酉，穰；明歲衰惡。 至子，大旱；明歲美，有水。 至卯，積著率歲倍……逐月概括了各月可能出現(xiàn)的異常和災(zāi)害。描述了黃河流域一帶的年景變化，反映了氣候變化周期。墨子沈括：現(xiàn)在已知的第一個(gè)從古生物化石推斷氣候變化的科學(xué)家天人合一：人類活動(dòng)與自然相協(xié)調(diào)陰陽矛盾及其轉(zhuǎn)化的樸素辯證思想：自然界的季節(jié)和年際變化古代中國(guó)的貢獻(xiàn)2.地球系統(tǒng)概念的發(fā)展文藝復(fù)興：打破思想的桎梏，強(qiáng)調(diào)自然界各部分的不同質(zhì)，如同生物機(jī)體各器官有不同的 分工和地位一樣。哥白尼提出日心說，一方面打破了地球中心的概念，更重要的 是，他暗含了自然界并無所謂中心，只是從數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性角度把太陽作為中心?？茖W(xué)方法論：歸納法和演繹法現(xiàn)代基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展：數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué) 牛頓發(fā)表的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》社會(huì)需求和發(fā)展的推動(dòng)：礦藏、遠(yuǎn)程貿(mào)易、新產(chǎn)品開發(fā)……戰(zhàn)爭(zhēng)的需要探險(xiǎn)活動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)分支的產(chǎn)生：地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)、植物學(xué)、天文學(xué)……學(xué)科分支間的交叉：海洋地質(zhì)學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋物理學(xué)、海洋化學(xué)……技術(shù)的對(duì)科學(xué)發(fā)展的支撐和相互促進(jìn)：觀測(cè)儀器、實(shí)/試驗(yàn)儀器、通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)……（1）近代和現(xiàn)代地球科學(xué)體系的形成和發(fā)展（2）地球系統(tǒng)科學(xué)思想的產(chǎn)生科學(xué)發(fā)展的需要：學(xué)科發(fā)展帶動(dòng)交叉和綜合，并帶動(dòng)新學(xué)科 的產(chǎn)生。科學(xué)方法論的準(zhǔn)備：控制論、系統(tǒng)論、信息論、協(xié)同論……社會(huì)發(fā)展中面臨全球環(huán)境問題，如全球增暖、臭氧洞、土地 利用等，單一學(xué)科的知識(shí)無法解決。技術(shù)發(fā)展的支撐：計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、高精儀器、觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)…… （FGGE，EOS，GCM，GIS）第二次世界大戰(zhàn)后，1959年： 地球物理年

第一次把地球環(huán)境作為一個(gè)整體對(duì)它的各個(gè)部分 進(jìn)行多學(xué)科、多現(xiàn)象的同時(shí)科學(xué)觀測(cè) 初步認(rèn)識(shí)到地球上的種種現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的 國(guó)際合作1960s－1970s： 海氣相互作用研究受到高度重視 遙相關(guān)研究1970s末期： “氣候系統(tǒng)”概念和研究體系的形成

平均－變率－多時(shí)空尺度－系統(tǒng)

五圈 更加強(qiáng)調(diào)物理系統(tǒng)及其過程1980s： “地球系統(tǒng)”科學(xué)概念的提出

五圈 物理過程＋化學(xué)過程＋生物過程 人類活動(dòng)的地位、作用和與其他部分的相互關(guān)系二、 地球系統(tǒng)的圈層結(jié)構(gòu)、 物質(zhì)組成及其基本性質(zhì)1.大氣圈2.水圈3.生物圈4.冰雪圈5.巖石圈1.大氣圈地球被大氣包裹著。大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀與重力、地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布與地形起伏、地球的演化和地球上的各種生態(tài)系統(tǒng)，是形成地球大氣特定成分、特定結(jié)構(gòu)和特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要自然條件。人類活動(dòng)及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)所起的作用，是影響地球組成、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的人為條件。大氣成分及其占大氣總體積的比例三種主要?dú)怏w：氮70.08%、氧20.95%、氬0.93%，共占99.96%。水汽：隨時(shí)空及溫度等變化，占0-3%。微量氣體：含量少，但非常重要。液態(tài)、固態(tài)微粒：水滴、塵埃、花粉等。

氣溶膠：除水滴外的一切液態(tài)和氣態(tài)的懸浮物。水汽和一些微量氣體被稱為溫室氣體地質(zhì)時(shí)期地球大氣成分的演變地球大氣的密度、溫度、壓力、成分和電磁特性等都隨高度發(fā)生變化，具有多層次的變化特征。大氣的密度和壓力一般按照指數(shù)率隨高度變化；溫度、成分和電磁特性等隨高度的變化分別具有不同特征，可按照各自特征分成若干層次。地球大氣質(zhì)量分布地心引力99.9％90％15

km48

km2000km地心引力大氣總質(zhì)量約有克，約占大氣總質(zhì)量的百萬分之一。加熱地球大氣按照溫度分層：中層平流層對(duì)流層8－10－12

km50km500km熱層外逸層85

km極地中緯度赤道地球大氣按照電磁性質(zhì)分層：磁層電離層中性層60km500km1000km標(biāo)準(zhǔn)大氣大氣無時(shí)無刻不在運(yùn)動(dòng)之中，形成風(fēng)和風(fēng)的系統(tǒng)。大氣中的物質(zhì)被風(fēng)帶往各處。風(fēng)系中對(duì)天氣和氣候起主要作用的首先是對(duì)流層的風(fēng)系，其次是平流層的風(fēng)系。印度和東亞季風(fēng)區(qū)5、6、7月風(fēng)向、風(fēng)速（NCEP）低層輻合，高層輻散。反之亦然。2.水圈水體：天然或人工聚集的水成為水體。水圈：地球表層水體的總稱。 水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大氣中。 水圈中的水的總體積是13.86億立方公里。 水圈中的淡水占2.53%。水的更新：如果一個(gè)獨(dú)立的、水量固定的水體與外界進(jìn)行水的交換，則 稱該水體在進(jìn)行更新。通過水的更新過程，水圈的各個(gè)部分相 互交換，聯(lián)系在一起，構(gòu)成地球環(huán)境水循環(huán)的主要過程。水的循環(huán)海洋海洋是最大的水體，總面積3.6億平方公里，占地球總表面積的71％，總?cè)莘e13.7億立方公里，占水圈總水量的97％。純水占96.5％，其它為溶解鹽類和礦物，以及大氣中的O2、CO2等氣體。存在化學(xué)元素80多種，決大部分以離子態(tài)存在。溶解鹽類、礦物和大氣中的O2、CO2等氣體影響著海水的理化性質(zhì)，為海洋生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境。海洋是巨大的碳匯和碳庫(kù)。海洋的表面積和體積、較高的比熱、穩(wěn)定的熱力垂直結(jié)構(gòu)，以及通過湍流和其它形式的海水運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的表層熱量向深層的轉(zhuǎn)移，使海洋成為的巨大的熱貯存基地，進(jìn)入地球系統(tǒng)的太陽輻射帶來的熱量中的約85％貯存在海洋。海洋的流體性質(zhì)，使海洋環(huán)流成為熱量輸送的主要介質(zhì)之一。海洋中的能量和化學(xué)物質(zhì)對(duì)地球系統(tǒng)其它部分的驅(qū)動(dòng) 海氣相互作用。 海洋－陸地相互作用海洋表層環(huán)流海洋及其垂直結(jié)構(gòu)垂直速度溫度和鹽度深海環(huán)流全球溫鹽環(huán)流構(gòu)成的輸送帶千年尺度生物圈和巖石圈中的水地球系統(tǒng)的生物圈和巖石圈的土壤中含有少量的水，其中，生物圈的水量約為1120立方公里，小于這總水量的0.0001%。兩部分水一般不作為水圈的組成部分。生物圈和巖石圈土壤中的水量雖少，但對(duì)動(dòng)植物的生存和各種生物過程是至關(guān)重要的。3.生物圈生物圈是地球上所有動(dòng)物、植物和微生物等生物有機(jī)體及其活動(dòng)空間的總稱。生物圈占據(jù)了包括大氣圈對(duì)流層下部、幾乎整個(gè)水圈以及巖石圈表層的薄層范圍。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之間，集中了絕大部分生物。迄今為止，生物圈是地球環(huán)境特有的組成部分。生物圈的兩個(gè)重要部分：植被和海洋浮游生物生物圈產(chǎn)生的“泵”的作用：以生物過程推動(dòng)能量、水、物質(zhì)、動(dòng)量的輸送植被－生物圈中最重要的組成部分，同各圈存在緊密聯(lián)系通過植物生長(zhǎng)過程，土壤、植被和大氣緊密結(jié)合在一起，進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。植物在生長(zhǎng)過程中把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并吸收大氣中CO2，固定在植物體內(nèi)。植物是人類和動(dòng)物生存的主要食物供應(yīng)者和能量供應(yīng)者。植被的分布對(duì)地面反射率和粗糙度產(chǎn)生極大影響，進(jìn)而影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡和動(dòng)量傳地。地球化學(xué)循環(huán)中的植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2增加的響應(yīng)物理氣候系統(tǒng)中的植被全球植被分布受溫度、降水、日照等的控制，表現(xiàn)出隨經(jīng)向、緯向和高度的分布特征。ndvi土地利用和土地覆蓋狀況人類文明開始后，農(nóng)業(yè)植被的種植面積越來越大，成為全球植被的主要組成之一。公元前11世紀(jì)以來中國(guó)農(nóng)業(yè)種植區(qū)域的擴(kuò)張同中國(guó)天然植被的被破壞過程同步11CE.B.C.1CE..A.D.6-8CE.A.D..14-19CE.A.D.敖漢旗：歷史上曾“平地松林800里”長(zhǎng)白山開啟山禁11

CE.B.C..1CE.A.D.全球平均初級(jí)生產(chǎn)力分布海洋浮游生物海洋浮游生物，特別是海洋浮游植物，是生物圈的一個(gè)重要部分。在水中溶解的CO2氣體，通過光合作用固定在海洋浮游植物體內(nèi)。浮游生物是其它海洋生物的主要食物來源。浮游生物和其它海洋生物的死亡，可以形成含碳物質(zhì)的沉積。以上過程，是碳循環(huán)的重要組成部分。4.冰雪圈冰雪圈的5個(gè)組成部分：

海冰、大陸冰原、季節(jié)性雪蓋、永動(dòng)土和高山冰川。前兩者是最重要部分。相對(duì)于液態(tài)和氣態(tài)的水而言，冰和雪具有相對(duì)的穩(wěn)定性。冰雪圈覆蓋全球海洋的7％，多年冰覆蓋陸地表面的11％，但其覆蓋范圍可變。冰雪圈的分布范圍對(duì)地球表面溫度非常敏感。

水的冰點(diǎn)恰好位于地球表面最高和最低溫度之間約一半之處。冰、雪和凍土分為常年（多年）性和季節(jié)性。

季節(jié)性冰、雪和凍土產(chǎn)生的季節(jié)影響和年際影響非常顯著。 因常年性冰、雪和凍土的分布穩(wěn)定少變，在十到百年尺度以上，可以產(chǎn)生比較固定的影 響過程和影響趨勢(shì)。冰雪圈的重要性

穩(wěn)定的對(duì)太陽輻射的高反射率，影響地表能量收支。 極地大氣－冰－開放海洋的能量交換過程。 約占總水量的2％，占有地球上近80％的淡水資源。（海平面）衛(wèi)星觀測(cè)到的北半球雪蓋和海冰月平均分布衛(wèi)星觀測(cè)到的北半球海冰月平均分布頻率衛(wèi)星觀測(cè)到的北半球雪蓋月平均分布頻率5.巖石圈地球是由一個(gè)物質(zhì)分布不均勻的同心球?qū)訕?gòu)成，它包括地殼、地幔和地核。地殼厚度不一，平均厚度約17公里。上層為花崗巖層，下層為玄武巖層。地球內(nèi)部的溫度和壓力隨深度加深而增加。經(jīng)檢測(cè)，地殼巖石的年齡絕大多數(shù)小于20多億年，而地球生成到現(xiàn)在大約已有46億年了，這說明構(gòu)成地殼的巖石不是地球的原始?xì)?，是地殼?nèi)部的物質(zhì)通過火山活動(dòng)和造山活動(dòng)形成的。地殼中八種主要元素（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂）的含量占地殼總量的97.13％，其中氧元素的含量占地殼總量的49.13％，硅元素的含量占地殼總量的26％。固體地球分層莫霍界面在地下的平均深度 約33千米古登堡界面在地下的深度 約2900千米地殼平均厚度 17千米大陸部分地殼的平均厚度 33千米海洋部分地殼的平均厚度 6千米地幔的范圍 5－70千米以下到2900千米上、下地幔的分界 980千米地核的范圍 地下2900千米至地心一般把地殼和上地幔合稱為巖石圈土壤－巖石圈中對(duì)人類和動(dòng)植物以及其它生命最有意義的部分土壤是地球陸地能夠?yàn)樽魑锾峁┥L(zhǎng)發(fā)育具有肥力的疏松表層，是生物，特別是植物和微生物生活的重要環(huán)境，是地表與大氣進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所。土壤肥力是土壤的主要特征，是土壤提供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分、養(yǎng)分和協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱等生活條件的能力。

各種大小不同的土粒含量的百分組成或搭配的比例，稱為土壤質(zhì)地，也叫土壤機(jī)械組成。

植物生長(zhǎng)必需的五個(gè)生態(tài)因子中，除光能外，熱量、空氣、水分和營(yíng)養(yǎng)成分都與土壤有關(guān)。水分和營(yíng)養(yǎng)成分主要由土壤供給，土壤的通氣狀況和溫度變化直接影響到植物生長(zhǎng)發(fā)育。中國(guó)土壤圖三、 人類圈的概念及其發(fā)展人類圈人類紀(jì)有序人類活動(dòng)近萬年的人類文明史對(duì)人類賴以生存的地球系統(tǒng)有了不斷深化的認(rèn)識(shí)對(duì)人類在地球系統(tǒng)中的位置有了比較清醒的認(rèn)識(shí)自20世紀(jì)80年代起，科學(xué)家開始認(rèn)識(shí)到人類已經(jīng)有能力影響大范圍的， 甚至全球的環(huán)境－地球系統(tǒng)。在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的支持下，人類可以調(diào)整自身的行為，使地球環(huán)境遵循自然規(guī)律，向著有利于人類的方向發(fā)展。（觀測(cè)、模擬、行動(dòng)）人類幾代之間正在耗盡化石燃料儲(chǔ)存，這些儲(chǔ)存是通過幾億年的時(shí)間形成的。將近50％的陸地表面被人類活動(dòng)所改變，對(duì)生物多樣性、養(yǎng)分循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)、生物和氣候帶來顯著影響。與所有陸地生態(tài)系統(tǒng)的自然固氮相比，更多的氮被以合成的方式制成化肥用于農(nóng)業(yè)。人類以直接或間接的方式利用了一半以上的可接觸到的淡水。在一些地區(qū)，地下水資源被非?？斓赜帽M。除CO2和CH4外，具有重要?dú)夂蛞饬x的幾種溫室氣體的大氣濃度在顯著增長(zhǎng)。沿海和海洋生物棲息地正在遭遇極大的改變，50％的紅樹林被砍伐，一半左右的濕地被排干。22％左右的已知海洋魚類被過度捕撈或已幾乎被捕盡，超過44％在此邊緣。全球陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的生物滅絕率陡然上升。地球正處于由于單生物種（人類）活動(dòng)引發(fā)的第一次大滅絕過程之中。

Schellnhuber（1999）人類活動(dòng)的范圍、作用和影響首次把人類從生物圈中分離出來，稱為“人類圈”（Anthroposphere)，確立了人類在地球系統(tǒng)中的特殊地位。代

紀(jì)

世

Ma顯

生

宙新生代

第

四

紀(jì)全新世

1.65

23.5

65

135

205

245

295

360

410

435

500

540

1000

1600

2500

3800

更新世

晚

中

早第三紀(jì)新第三紀(jì)上新世中新世老第三紀(jì)漸新世始新世古新世中生代

白

堊

紀(jì)晚白堊世早白堊世

侏

羅

紀(jì)晚侏羅世中侏羅世早侏羅世

三

疊

紀(jì)晚三疊世中三疊世早三疊世古

生

代

二疊紀(jì)晚二疊世早二疊世

石炭紀(jì)晚石炭世早石炭世

泥盆紀(jì)晚泥盆世中泥盆世早泥盆世

志留紀(jì)晚志留世中志留世早志留世

奧陶紀(jì)晚奧陶世中奧陶世早奧陶世

寒武紀(jì)晚寒武世中寒武世早寒武世元古宙新元古代NeoproterozoicⅢCryogenianTonian中元古代StanianEctasianCalymmian古元古代StaitherianOrosirianRhyacianSiderian太古宙Archean冥古宙資料來源：GillesS.OdinandChantalOdin(1990)地質(zhì)年代表人類文明的發(fā)展：第四紀(jì)最后一次冰期結(jié)束后的溫暖期根據(jù)地層和古生物劃分地球系統(tǒng)的變化的原因自然變率人類活動(dòng)特別是18世紀(jì)末以后的人類活動(dòng)人類紀(jì)

（Crutzen） 人類文明的發(fā)展已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的根據(jù)地層和古生物劃分地質(zhì)年代的格局。自全新世這個(gè)地質(zhì)時(shí)期以來，人類對(duì)地球的影響愈來愈大。為強(qiáng)調(diào)人類的核心作用，應(yīng)把現(xiàn)在這個(gè)地質(zhì)時(shí)期稱為“人類紀(jì)”，可從18世紀(jì)后期開始。在“人類圈”的基礎(chǔ)上1860－2000年全球溫度的異常20世紀(jì)是14世紀(jì)以來最暖的世紀(jì)相對(duì)于1961－1990年平均1860－2000年全球溫度的異常20世紀(jì)90年代是這個(gè)世紀(jì)中最暖的十年觀測(cè)到的二十世紀(jì)全球氣候變化溫度全球地面平均氣溫升高0.6oC±0.2oC(比1995年評(píng)估報(bào)告大了0.15oC)。原因:加上1995-2000年,暖的更厲害,全球平均溫度的數(shù)據(jù) 處理有變化,即城市熱島效應(yīng).新的分析表明,二十世紀(jì)(1900年開始)是過去的1000年間最暖的世紀(jì),90年代又是最暖的十年,98年是最暖的年份.發(fā)生20世紀(jì)初的增暖的區(qū)域格局同發(fā)生在其后的增暖的區(qū)域格局不同。最近50年來，海洋熱容量增加顯著，主要體現(xiàn)在海洋上層300米，增長(zhǎng)率約0.04oC/十年。最近50年來,大陸上白天日較差縮小，最低溫度比最高溫度升高的大,增暖主要體現(xiàn)在低溫升高.地面、衛(wèi)星和氣球的測(cè)量表面，對(duì)流層有增暖趨勢(shì)，平流層有變冷趨勢(shì)，地面8公里的平均溫度也在增暖(近地層按0.1oC/10年的 速率增長(zhǎng)).1979年以來衛(wèi)星觀測(cè)資料證明,底層大氣的溫度增加為0.05oC/10年(60年代有衛(wèi)星觀測(cè)資料)。降水和大氣濕度第二次IPCC評(píng)估以來，北半球中高緯度（除東亞）大陸降水以0.5%-1%/10年速度增加副熱帶（北緯10-30度）百年降水以0.3%/10年速度減少，雖然近年來表現(xiàn)出回復(fù)信號(hào)。熱帶（南北緯10度之間）百年降水以0.2%-0.3%/10年速度增加，但近幾十年變化不顯著，北半球許多地區(qū)的整層大氣水汽似以百分之幾/十年的速度增加。自20世紀(jì)初以來，北半球中高緯度大陸地區(qū)總云量增加了2％，同日較差縮小正相關(guān)。雪蓋和海、陸冰雪蓋和陸冰的減少與溫度升高正相關(guān)，衛(wèi)星觀測(cè)表明雪蓋范圍自1960年代末減少了10％。北半球海冰量減少顯著（50年代以來,北半球春夏的海冰范圍后退10－15%），但南半球海冰量無顯著變化趨勢(shì)。海平面潮驗(yàn)觀測(cè)表明，20世紀(jì)海平面以每年1.0-2.0mm的速度升高。大氣和海洋環(huán)流型與過去百年相比，ENSO的行為自1970年代中期起出現(xiàn)異常，溫暖位相相對(duì)頻繁、持久和增強(qiáng)。氣候變率和極端天氣氣候事件新分析表明，在總降水增加的地區(qū)，強(qiáng)降水和極端降水事件增加。反之亦然。沒有并行證據(jù)表明熱帶和副熱帶的雷暴特征發(fā)生變化。引起氣候變化的強(qiáng)迫項(xiàng)觀測(cè)到的全球充分混合的溫室氣體含量及其輻射強(qiáng)迫的變化

CO2： 大氣中CO2濃度從1750年的280ppm增加到1999年的367ppm，增加了31%，但尚未超過過去42萬年和似乎過去2000萬 年的變化范圍。本世紀(jì)的大氣中CO2濃度增長(zhǎng)率是前所未有的，至少在過去2萬年中未出現(xiàn)過。 過去40年的觀測(cè)表明，大氣中CO2濃度增長(zhǎng)率在年與年之間存在較大變動(dòng)。在1990年代，年增長(zhǎng)率變動(dòng)在每年0.9- 2.8ppm之間，相當(dāng)于每年1.9-6.0PgC。

從大氣觀測(cè)中，現(xiàn)在已能夠計(jì)算出人類排放的CO2對(duì)大氣CO2濃度增加的貢獻(xiàn)和被陸地與海洋吸收的部分。CH4： 自1750年以來，大氣中CH4

濃度增長(zhǎng)了150%，現(xiàn)在的濃度達(dá)到過去42萬年以來最高值。近期，大氣CH4

濃度從1983 年的1610ppb增加到了1998年的1745ppb，但這段時(shí)間里年增長(zhǎng)率下降。N2O： 自1750年以來，大氣中N2O濃度以穩(wěn)定增長(zhǎng)了16%，達(dá)到46ppb。觀測(cè)到的其它有輻射重要性的氣體的變化對(duì)流層和平流層中的O3都是重要的溫室氣體。過去二十年平流層O3減少導(dǎo)致的平流層系統(tǒng)負(fù)輻射強(qiáng)迫量為0.15W/M2。另外，據(jù) 有限的觀測(cè)和模擬估計(jì)，1750年以來對(duì)流層的O3含量增加了約35％，導(dǎo)致的全球平均輻射強(qiáng)迫增加0.35±0.2W/M2。一些氣體只產(chǎn)生間接輻射強(qiáng)迫作用，包括NOx、CO和各種有機(jī)物等。觀測(cè)和模擬的氣溶膠的變化對(duì)確定更廣泛的氣溶膠的直接效應(yīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。第二次IPCC評(píng)估時(shí)只考慮了硫酸鹽氣溶膠、生物物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的氣溶膠和化 石燃料碳黑。這次，觀測(cè)表明生物物質(zhì)燃燒和化石燃料碳黑中的有機(jī)物具有重要意義。雖然證據(jù)表明人類活動(dòng)氣溶膠在暖云中產(chǎn)生負(fù)的間接強(qiáng)迫，但對(duì)此類氣溶膠導(dǎo)致的間接輻射強(qiáng)迫的估計(jì)，仍然存在問題。氣溶膠的間接強(qiáng)迫對(duì)冰云和冰水混合相的云產(chǎn)生似乎是正的總體效應(yīng)，但數(shù)值尚不清楚。觀測(cè)到的其它人類強(qiáng)迫項(xiàng)的變化土地利用的變化和毀林對(duì)反照率的影響構(gòu)成主要因素，產(chǎn)生0.2±0.2W/M2的負(fù)輻射強(qiáng)迫量。觀測(cè)到的太陽活動(dòng)和火山活動(dòng)自1750年至今，太陽輻射變化導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫約為0.3±0.2W/M2，據(jù)估計(jì)主要發(fā)生在20世紀(jì)的前50年中。1970年代以來，衛(wèi)星觀 測(cè)到的太陽輻射沒有大的變化。由于強(qiáng)烈火山噴發(fā)產(chǎn)生的平流層氣溶膠在過去幾年造成了負(fù)的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)。大的火山噴發(fā)發(fā)生在1880－1920年和1960－1991年 期間，近期無強(qiáng)烈火山活動(dòng)。在過去20年甚至40年間，火山活動(dòng)導(dǎo)致的平流層氣溶膠含量增加，與很小的太陽輻射變化一起，導(dǎo)致自然輻射強(qiáng)迫的凈的負(fù)效應(yīng)。工業(yè)革命以來，地球環(huán)境發(fā)生的變化但是，目前的變化仍在地質(zhì)時(shí)間尺度（冰期－間冰期）的自然變率范圍內(nèi)南極冰層氣泡CO2、CH4和溫度在過去40萬年的變化“人類紀(jì)”的涵義：人類已經(jīng)成為地球系統(tǒng)的核心。同組成地球的其他部分相比，人類具有不可比擬的能動(dòng)作用。人類已經(jīng)成為地球環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)力。地球未來的命運(yùn)掌握在人類手中。“人類紀(jì)”的概念和內(nèi)涵確立了“人類圈”在地球系統(tǒng)中的位置，使地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展上升到一個(gè)新的層次。有序人類活動(dòng)目標(biāo)：可持續(xù)發(fā)展強(qiáng)調(diào)：制訂科學(xué)可行的目 標(biāo)，在實(shí)施過程中 與自然友好相處協(xié) 調(diào)發(fā)展，最大可能 地獲得并兼顧經(jīng)濟(jì) 效益、社會(huì)效益和 環(huán)境效益。特點(diǎn)：相對(duì)性、系統(tǒng)性、 規(guī)模性人類可以調(diào)整自身的行為，使地球環(huán)境變化遵循自然規(guī)律，向著有利人類的方向發(fā)展，從而明確了人類在抑制地球環(huán)境惡化中的能動(dòng)作用。從“人類圈”到“人類紀(jì)”再到“有序人類活動(dòng)”的概念是對(duì)人類在地球環(huán)境中的作用在認(rèn)識(shí)上的深化。四、 地球系統(tǒng)各部分的相互作用1.海洋－大氣相互作用2.陸地－大氣相互作用3.氣候－生態(tài)系統(tǒng)相互作用4.海洋－陸地相互作用5.人與地球的關(guān)系1.海洋－大氣相互作用海洋作為熱源，通過海洋表面溫度（SST）加熱大氣，SST及其變化成為調(diào)控氣候，并進(jìn)而導(dǎo)致全球環(huán)境變化的重要物理量。海洋和大氣作為流體，為實(shí)現(xiàn)地－氣系統(tǒng)的輻射平衡，共同承擔(dān)全球能量輸送。由于分子之間相互作用力的差別，海水的運(yùn)動(dòng)速度（千公里尺度水平運(yùn)動(dòng)速度為10-2

米/秒量級(jí)）比大氣（10-1

-100米/秒量級(jí)）要慢得多?？焖俚拇髿膺\(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)緩慢的海洋運(yùn)動(dòng)。由于海洋的密度、體積、慢速和穩(wěn)定的垂直結(jié)構(gòu)，只有強(qiáng)大而持久的大氣運(yùn)動(dòng)過程才能驅(qū)動(dòng)海洋運(yùn)動(dòng)過程。通過這種驅(qū)動(dòng)關(guān)系（濾波），大氣的快變過程轉(zhuǎn)變成海洋的慢變過程。海洋的慢變過程持久地“記異常憶”大氣過程的異常，并逐漸表現(xiàn)為海洋過程的異常，特別是SST異常，并把這些異常施加給大氣以致整個(gè)氣候，對(duì)以后的大氣過程發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。海洋是全球最大的水汽源地。海洋和大氣之間的氣體和其它物質(zhì)交換。海洋碳循環(huán)是大氣CO2的主要控制因子。

人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2有近一半被海洋吸收。 中高緯度地區(qū)海洋從大氣中吸收CO2，南北緯15度之間海洋向大氣釋放CO2。大 氣密度 運(yùn)動(dòng) 水汽海 洋密度 鹽度 運(yùn)動(dòng)熱量動(dòng)量水汽交換輻射能量海洋對(duì)大氣的驅(qū)動(dòng)作用主要表現(xiàn)是熱力驅(qū)動(dòng)大氣對(duì)海洋的驅(qū)動(dòng)作用主要表現(xiàn)是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)海洋表層環(huán)流的形成：風(fēng)應(yīng)力赤道Walker環(huán)流ElNino及其對(duì)全球氣候的影響期間的降水異常和干旱ElNino大氣濤動(dòng)2.陸地－大氣相互作用陸地大氣相互作用過程是指那些

受到氣候和其它環(huán)境因素控制的、 并可以引起氣候和環(huán)境變化的、 發(fā)生在地表（包括生物圈）和土壤中的、 控制地面和大氣直接熱量、動(dòng)量、水分和其它物質(zhì)交換 的過程。陸地生態(tài)系統(tǒng)，特別是植被，在陸地大氣相互作用過程中發(fā)揮重要作用。一些具體過程：

大氣－植被－土壤中間的輻射傳輸過程 感熱和潛熱交換 土壤蒸發(fā)和植被蒸騰 物質(zhì)交換，特別是通過植被進(jìn)行的物質(zhì)交換 地面粗糙度和陸氣之間的動(dòng)量傳遞過程 一些陸面水文過程植被與水循環(huán)SiB框圖地球生物物理反饋(Charney,1975)3.氣候－生態(tài)系統(tǒng)相互作用氣候是生態(tài)系統(tǒng)的生存環(huán)境之一。生態(tài)系統(tǒng)與氣候的關(guān)系首先是適應(yīng)，即按照氣候狀況及變化確定其生長(zhǎng)和分布特征；同時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候也產(chǎn)生反向的影響，從而構(gòu)成雙向的氣候－生態(tài)系統(tǒng)相互作用。小尺度：沙漠－綠洲大尺度植被分布對(duì)氣候的響應(yīng)植被分布對(duì)氣候的響應(yīng)NDVIEOF1溫度EOF1降水EOF1中國(guó)東部植被季節(jié)生長(zhǎng)對(duì)溫度和降水的響應(yīng)植被改變對(duì)氣候的可能影響南部季風(fēng)低壓加深，夏季風(fēng)增強(qiáng)；北部有反氣旋差值環(huán)流發(fā)展，且位置偏東，有水汽自南向北和自東向西向內(nèi)陸輸送。850hPa風(fēng)場(chǎng)4.海洋－陸地相互作用海岸帶：從陸地沿海平原到大陸架邊緣的地帶，河口地區(qū)和大陸架是其主要組成部分。占地區(qū)表面的8％，生物產(chǎn)量達(dá)23％，整個(gè)海洋捕撈量的90％。海岸帶對(duì)一些重要化學(xué)元素（如碳、氮、硫、磷等）的地球生物化學(xué)循環(huán)有重要貢獻(xiàn)。 （富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮）河口地區(qū)和沿海地帶沉積了大量的有機(jī)碳化合物，是碳循環(huán)中的一個(gè)重要的匯。其氧化可成為CO2的重要來源。河口地區(qū)和大陸架，海水淺而溫暖，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，對(duì)海洋動(dòng)植物發(fā)育非常有利海洋資源豐富。海岸帶文明發(fā)達(dá)，工農(nóng)業(yè)集中。人類活動(dòng)排放物對(duì)地球生物化學(xué)循環(huán)（源、匯、過程、通量）的影響。全球平均初級(jí)生產(chǎn)力分布河口和近岸的大漁場(chǎng)5.人與地球的關(guān)系人類活動(dòng)對(duì)地球系統(tǒng)產(chǎn)生影響的主要途徑大氣成分土地利用/覆蓋生物多樣性水體……不同地點(diǎn)采樣表現(xiàn)的大氣CO2在不同時(shí)間尺度上的變化MontrealProtocol限制的氣體在過去50年的增長(zhǎng)工業(yè)時(shí)代以來，大氣CO2同人口增長(zhǎng)的比較Source:InternationalEnergyAgency,WorldEnergyOutlook1996,(OECD,Paris,1996),pp.237-285;InternationalEnergyAgency,EnergyStatisticsandBalances,ondiskette(OECD,Paris,1997).