1、地球系统科学第一讲地球系统科学第一讲课程简介3考核方式 考勤20分 4*5 课堂参与10分 平时作业20分 一次 期末考试50分 开卷 内容以课件为准，题型另行通知学科背景介绍 过去的地学教学的局限性 地学前沿研究的内在需要 人类生存和可持续发展的客观要求教材与参考用书 基本教材Lee R.Kump,James F.Kasting,Robert G.Crane-The Earth System-Pearson(2009)Brian J.Skinner,Barbara W.Murck-The Blue Planet-An Introduction to Earth System Science
2、-Wiley(2011)Steven M.Stanley-Earth System History,3rd Edition-W.H.Freeman(2009)进阶读物Rui Xin Huang-Ocean Circulation_ Wind-Driven and Thermohaline Processes(2009)G.Tyler Miller,Scott Spoolman-Sustaining the Earth,Tenth Edition -Brooks Cole(2011)全球变化单一学科不能解决的问题 哥本哈根会议上各国代表的政治博弈温室效应和全球变暖温室效应温室效应 真实存在的自然
3、过程 地球本身释放的温室气体的保温作用全球变暖全球变暖 有数据支撑的一个假说 人类活动下化石燃料的燃烧增加排放的温室气体的增温作用短时间尺度的全球变化 全球变暖：认识争议统一对二氧化碳浓度的观测 Keeling曲线：夏威夷最高点Mauna Loa山山顶（海拔4300米），此地空气来自广袤无人的西太平洋上空，基本可排除点源污染的影响Keeling曲线Keeling曲线证明的事实 近50年二氧化碳的浓度在增加 这种增加趋势在去1958年以前就存在 近50年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势 二氧化碳浓度存在着规律的年内波动趋势 一些自然现象可以在短暂数年内影响变化趋势，但并不对总体变化趋势构成影响Kee
4、ling曲线不能证明的事情 1958年以前大气中的二氧化碳是如何变化的 二氧化碳是从什么时候开始增加的探寻1958年以前二氧化碳浓度 在实测数据难以获得的情况下，我们应该如何去了解历史上的二氧化碳浓度？南北两极冰盖中能够找到答案！通过钻取冰芯可以获得冰盖中久远年代封存的气泡，并获得历史上的二氧化碳浓度值。近万年二氧化碳浓度变化与其他温室气体浓度变化比较工业革命以来的全球地表温度温室气体对气候的改变对于数据结果的质疑和争议 仪器或测量方法变化前后数据序列的对齐问题 气象站如何规避城市热岛效应 测试点分布的变化以及全球密度的不均 新近测试点时间序列短的问题其它争议 20世纪70年代的北半球短暂降温
5、以及硫酸盐气溶胶的降温作用。观点一：燃煤尾气脱硫是70年代以后气温升高的罪魁祸首；观点二：二氧化碳浓度是决定性因素。实际情况：硫酸盐气溶胶会随着降雨在几周内被清除，而二氧化碳的温室作用则是由累计浓度决定的，因为二氧化碳一旦排放出来，可以在大气中停留上百年。北极海冰最小范围变化北极海冰融化的效应积极效应积极效应 欧洲北美贸易的“西北海上通到”每年可以通航数周 环北冰洋带的城市可能得到发展负面效应负面效应 北极熊以及因纽特人生存危机 格陵兰冰盖加速融化导致海平面升高海冰融化是否会导致海平面升高 阿基米德定律：浸没在液体中的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被取代的液体的重量全球变暖的潜在后果
6、气候变化（极端事件的增加）海平面上升（极地冰盖融化、海水受热密度变小）通过检验过去的气候变化来预测未来可能的情景。臭氧损耗及证据全球变化并不全是坏消息近年来臭氧浓度变化森林砍伐问题亚马逊19752012森林砍伐的后果 氧气释放减少 物种灭绝 药物来源消失我们最应该关注的变化 两个原则：1.迫切程度：臭氧层空洞全球变暖物种灭绝 2.恢复难度及时间：物种灭绝全球变暖臭氧层空洞 长时间尺度气候变化第四纪大冰期石炭-二叠纪大冰期震旦纪大冰期长时间尺度气候数据的获取 地点：南极冰盖东方（Vostok）和南极穹顶（Dome C）Dome C数据证明了什么 地球历史上二氧化碳浓度与温度高度正相关，说明把全球
7、变暖归因与温室气体浓度增加是有依据的 地球历史上每过一定的时间会发生一次二氧化碳浓度激增，然后伴随着数十万年的缓慢减少，如此循环，这是什么原因？地质年代表古生物大灭绝 Gubbio的铱和K-T边界：白垩纪白垩纪古近纪大灭绝研究进展古近纪大灭绝研究进展 6550万年前小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯地区（2010年科学杂志）；证据，全球K-T地层分界线富铱黏土层小结 三个问题：当前全球环境问题、早期全球变化、地球系统的运行 人类可以在很多方面改变环境：全球变暖、臭氧层空洞、森林砍伐和物种灭绝 人类活动的影响可以通过历史时期的资料来证实：冰芯记录二氧化碳浓度变化、K-T边界与白垩纪古近纪物种大
8、灭绝的对应太阳光度的变化早期太阳暗淡佯谬 根据太阳光度随时间变化情况显示，早期地球会远比现在寒冷 目前的实测结果显示38亿年前地球就有液态水的存在，而35亿年前就有生物体存在了 可能的解释：地球早期的温室气体含量远高于现在。随之而来的问题：温室气体为何能够随着太阳变亮而降低？是因为巧合还是地球本身具备维持稳定的机制？Gaia假说 James Lovelock在1972年提出：维持地球气候稳定的正是生物自身，生物可以通过光合作用或改变二氧化碳进入碳酸盐的速度来使地球保持合适的生存环境。也就是说地球本身是一个具有自我调节功能的系统。Gaia假说 这是一个难以得到验证的论断，但是这个假说提示人们去认
9、识地球系统本身及其运作规律，以及系统各部分的功能。系统理论和方法 系统方法在几乎所有领域中都有所运用：包括自然科学和社会科学的各个分支。一个很好的例子就是人体生理学。人体由很多系统组成，这些系统共同执行维持生命的各项功能：如吸入氧气排出二氧化碳的呼吸系统；用来进行血液循环、携带氧气和二氧化碳在整个人体运行的心血管系统，加工食物并为全身活动提供燃料的消化系统；感受内外环境变化并控制其他系统活动的神经系统等系统的成分 系统的各个部分称为系统的成分。成分可以是物质的储库（用质量或体积描述）、能量的储库（如用温度表示）、系统的属性（如体温或压力）或子系统（如心血管系统 人体内相互连结的子系统之一）系统
10、的状态 用来描述系统某一时刻特征的一组重要属性。比如人体系统的血压、体温。系统的成分是相互作用的，系统状态的变化能被整个系统“感觉”到。在许多系统中，这种联系可以使重要的属性得以控制。比如即使周边的环境温度发生了很大的变化，人体的内分泌系统仍能保持体温恒定。耦合 从人体生理的这些例子可以看出，人体“系统”的组成部分不是独立存在的，它们相互关联，使得信息从一个成分传向下一个成分。这些关联称作耦合。系统内部的各种耦合 例子：空调 正耦合：在正耦合中，一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生同方向变化的促进因素。用箭头表示 负耦合：在负耦合中，一个成分的变化是导致与之相关联的成分发生反方向变化的促进
11、因素。用圆形箭头表示反馈循环 空调的例子中，成分之间的两个耦合形成的一个“往返”，即反馈循环。反馈是一个变化和对变化响应的自我延续机制。例图空调温度空调温度空调温度体温体温体温正耦合正耦合负耦合负耦合反馈循环（负）反馈循环（负）反馈循环实例 学生A期中考试考砸了，老师B找他谈话，老师的谈话方式可能是（讨论）。可能的结果是（讨论）老师B严厉批评，学生A知耻后勇，期末考试丰收（负反馈循环，批评成为激励）老师B严厉批评，学生A自暴自弃，期末考试继续退步（正反馈循环，批评成为打击）老师B好言安抚，学生A重塑信心，期末考试丰收（负反馈循环，安抚成为打气）老师B好言安抚，学生A忘乎所以，期末考试继续退步（
12、正反馈循环，安抚成为放纵）反馈循环实例图两种反馈循环负反馈循环负反馈循环 降低扰动的影响 使系统趋向于稳定正反馈循环正反馈循环 放大扰动影响 使系统更不稳定反馈循环符号判定 乘法法则：负耦合为奇数的反馈循环为负正负反馈循环实例-大床电热毯正负反馈循环实例-大床电热毯平衡状态 正常情况下，空调或电热毯反馈循环的作用是使体温保持在舒适的范围内。如果温度合适，我们就不需要去按遥控器。这种状态称为平衡状态，平衡状态，除非被扰动，否则系统不会发生变化。稳定平衡状态和不稳定平衡状态稳定平衡态稳定平衡态不稳定平衡态正反馈循环的稳定性玩具被拿走父母生气水平取决于孩子吵闹水平孩子吵闹水平取决于父母生气水平孩子吵
13、闹水平父母生气水平孩子吵闹水平父母生气水平反馈循环（正）反馈循环（正）自然系统反馈循环与理想模式的不同 自然系统的成分通常是能量和质量的累加或者蓄积，而且它们的响应不仅仅取决于瞬间刺激，还与以前刺激的积累有关。响应还经常具有一定的滞后时间。在以上孩子与父母的例子中，如果父母和孩子的生气都是累积的，那么这种正反馈会逐步升级直到失控。自然界的平衡 对于只包含一个简单反馈循环的系统来说：如果反馈循环是负的，该系统就有一个稳定的平衡状态；而反馈循环是正的，该系统则很难达到平衡状态或只能瞬间维持一个不稳定的平衡状态。自然系统往往同时包含了正负反馈循环子系统，因此简单的反馈图难以表达自然系统规律，需要运用
14、数学方法分析近120年来五次最大火山爆发的平均气候响应扰动和强迫 系统的稳定状态可以比一些干扰打破，根据干扰持续时间的不同可以分为扰动和强迫。扰动：比如火山喷发时释放大量的二氧化硫进入大气，形成硫酸盐气溶胶颗粒遮挡阳光，导致地表气温下降，几年后当这些气溶胶通过自然过程被清除后，气候系统会从这次扰动中恢复过来 强迫：对于系统持续的干扰称为强迫，如太阳升温，二氧化碳浓度增加等。地球系统对强迫的反馈 前面曾经提到为了解释早年地球生命存在于太阳辐射强度的佯谬，James Lovelock提出了Gaia假说，但一直苦于难以验证，但是后来他找到了一个充满想象力的验证方法。雏菊世界 上世纪80年代大型计算机
15、兴起以后，他设计了一个叫做“雏菊世界”的模型，并通过计算机模拟得到了很好的验证，给Gaia假说提供了依据。雏菊世界模型简介雏菊覆盖度与地表温度雏菊覆盖度平均地表温度雏菊覆盖度平均地表温度雏菊覆盖度与地表温度考虑极限值的雏菊覆盖度对温度变化的响应雏菊覆盖度平均地表温度最佳生长温度最低温度最高温度平均地表温度平均地表温度雏菊覆盖度雏菊覆盖度雏菊世界的平衡状态雏菊覆盖度平均地表温度P1P2稳定平衡态不稳定平衡态P2P1平均地表温度雏菊覆盖度平均地表温度雏菊覆盖度P1P2稳定不稳定平衡系统对强迫的响应 在自然界中，简单的扰动很少存在，更多的是持续的强迫在影响系统，在强迫下，稳定的负反馈循环很可能回不到
16、初始的稳定平衡状态。那么在太阳光度增加的强迫下，雏菊世界会何处何从？太阳光度增加对雏菊世界的影响太阳光度不变太阳光度增加雏菊覆盖度平均地表温度雏菊世界的耦合对强迫的响应雏菊覆盖度平均地表温度P1P2P2P1P1P2P1P2T0TeqTfTeq=T0+Tf-T0：无反馈时的温度变化Teq：新旧稳定平衡的温度变化 f=Teq/T0:f 1：正反馈循环0f1：负反馈循环雏菊世界对太阳光度的响应雏菊覆盖度虚线为没有雏菊的世界雏菊世界的模型验证雏菊世界给我们的启示 首先，一个行星系统在面对内部和外部的影响时并不是消极被动的 其次，雏菊世界的系统表面上看起来是智能的，但其中并不涉及到预见和计划，只是具有反
17、馈循环而已 再次，生物群并没有使自己生存环境最优化的能力（雏菊世界系统并没有让温度达到雏菊最佳生长温度）雏菊世界给我们的警示 系统常常存在一些阈值，一旦超过这些阈值，系统会发生迅速而不可逆的变化，且由于阈值难以预测，这种变化往往没有前兆。在全球变化的预测中，目前的方法是线性的预测，很难去预测跨过一些阈值之后的后果。线性预测很可能错误估计一些强迫带来的可能后果。作业一 假定白色雏菊世界有一个姊妹星球，除了雏菊是黑色的，其他的条件都相似，画图回答：黑色雏菊覆盖度对行星温度的影响。假设黑色雏菊世界中温度对雏菊覆盖度的影响与白色雏菊世界相同，画一幅黑色雏菊世界的稳定性图，图中要包含两个平衡状态，指出哪个平衡状态是稳定的，并回答其中的稳定平衡状态温度比白色雏菊世界中稳定平衡状态的高还是低。如果太阳光度降低，画图表示这个系统如何响应，并指出反馈因子f是比1大还是小谢谢
