第二講地球系統(tǒng)

地球系統(tǒng)如何認識一個系統(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)對地球系統(tǒng)的認識2.地球系統(tǒng)概念的發(fā)展1.古代自然哲學(xué)對地球系統(tǒng)的認識古代希臘的貢獻基本的生存和社會需要：農(nóng)牧業(yè)和航海重視自然、重視現(xiàn)實、追求理性從整體上對自然現(xiàn)象作直觀的觀察，以自然界的統(tǒng)一性為前提。在對大量自然現(xiàn)象繼續(xù)分析和分類的基礎(chǔ)上，力圖對整個世界進行總結(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，缺少實驗。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>>： 孟春紀第一；仲春紀第二；季春紀第三； 孟夏紀第四；仲夏紀第五；季夏紀第六； 孟秋紀第七；仲秋紀第八；季秋紀第九； 孟冬紀第十；仲冬紀第十一；季冬紀第十二

<<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的貢獻2.地球系統(tǒng)概念的發(fā)展文藝復(fù)興：打破思想的桎梏，強調(diào)自然界各部分的不同質(zhì)，如同生物機體各器官有不同的 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》社會需求和發(fā)展的推動：礦藏、遠程貿(mào)易、新產(chǎn)品開發(fā)……戰(zhàn)爭的需要探險活動現(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)的對科學(xué)發(fā)展的支撐和相互促進：觀測儀器、實/試驗儀器、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)展帶動交叉和綜合，并帶動新學(xué)科 的產(chǎn)生?？茖W(xué)方法論的準備：控制論、系統(tǒng)論、信息論、協(xié)同論……社會發(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)科的知識無法解決。技術(shù)發(fā)展的支撐：計算機、衛(wèi)星、高精儀器、觀測網(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)境作為一個整體對它的各個部分 進行多學(xué)科、多現(xiàn)象的同時科學(xué)觀測 初步認識到地球上的種種現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的 國際合作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－多時空尺度－系統(tǒng)

五圈 更加強調(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)和特定運動狀態(tài)的主要自然條件。人類活動及其對生態(tài)系統(tǒng)所起的作用，是影響地球組成、結(jié)構(gòu)和運動的人為條件。大氣成分及其占大氣總體積的比例三種主要氣體：氮70.08%、氧20.95%、氬0.93%，共占99.96%。水汽：隨時空及溫度等變化，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標準大氣大氣無時無刻不在運動之中，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)系中對天氣和氣候起主要作用的首先是對流層的風(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：如果一個獨立的、水量固定的水體與外界進行水的交換，則 稱該水體在進行更新。通過水的更新過程，水圈的各個部分相 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養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境。海洋是巨大的碳匯和碳庫。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動實現(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)對地球系統(tǒng)其它部分的驅(qū)動 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，但對動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物、植物和微生物等生物有機體及其活動空間的總稱。生物圈占據(jù)了包括大氣圈對流層下部、幾乎整個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：以生物過程推動能量、水、物質(zhì)、動量的輸送植被－生物圈中最重要的組成部分，同各圈存在緊密聯(lián)系通過植物生長過程，土壤、植被和大氣緊密結(jié)合在一起，進行物質(zhì)和能量的交換。植物在生長過程中把太陽能轉(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。植被的分布對地面反射率和粗糙度產(chǎn)生極大影響，進而影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡和動量傳地。地球化學(xué)循環(huán)中的植被生態(tài)系統(tǒng)對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世紀以來中國農(nóng)業(yè)種植區(qū)域的擴張同中國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”長白山開啟山禁11

CE.B.C..1CE.A.D.全球平均初級生產(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個組成部分：

海冰、大陸冰原、季節(jié)性雪蓋、永動土和高山冰川。前兩者是最重要部分。相對于液態(tài)和氣態(tài)的水而言，冰和雪具有相對的穩(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地球表面溫度非常敏感。

水的冰點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。冰雪圈的重要性

穩(wěn)定的對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)星觀測到的北半球雪蓋和海冰月平均分布衛(wèi)星觀測到的北半球海冰月平均分布頻率衛(wèi)星觀測到的北半球雪蓋月平均分布頻率5.巖石圈地球是由一個物質(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，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殼層，是地殼內(nèi)部的物質(zhì)通過火山活動和造山活動形成的。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－巖石圈中對人類和動植物以及其它生命最有意義的部分土壤是地球陸地能夠為作物提供生長發(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，是地表與大氣進行物質(zhì)和能量交換的重要場所。土壤肥力是土壤的主要特征，是土壤提供植物生長發(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，也叫土壤機械組成。

植物生長必需的五個生態(tài)因子中，除光能外，熱量、空氣、水分和營養(yǎng)成分都與土壤有關(guān)。水分和營養(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發(fā)育。中國土壤圖三、 人類圈的概念及其發(fā)展人類圈人類紀有序人類活動近萬年的人類文明史對人類賴以生存的地球系統(tǒng)有了不斷深化的認識對人類在地球系統(tǒng)中的位置有了比較清醒的認識自20世紀80年代起，科學(xué)家開始認識到人類已經(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、模擬、行動）人類幾代之間正在耗盡化石燃料儲存，這些儲存是通過幾億年的時間形成的。將近50％的陸地表面被人類活動所改變，對生物多樣性、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)，地下水資源被非常快地用盡。除CO2和CH4外，具有重要氣候意義的幾種溫室氣體的大氣濃度在顯著增長。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）活動引發(fā)的第一次大滅絕過程之中。

Schellnhuber（1999）人類活動的范圍、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

世

Ma顯

生

宙新生代

第

四

紀全新世

1.65

23.5

65

135

205

245

295

360

410

435

500

540

1000

1600

2500

3800

更新世

晚

中

早第三紀新第三紀上新世中新世老第三紀漸新世始新世古新世中生代

白

堊

紀晚白堊世早白堊世

侏

羅

紀晚侏羅世中侏羅世早侏羅世

三

疊

紀晚三疊世中三疊世早三疊世古

生

代

二疊紀晚二疊世早二疊世

石炭紀晚石炭世早石炭世

泥盆紀晚泥盆世中泥盆世早泥盆世

志留紀晚志留世中志留世早志留世

奧陶紀晚奧陶世中奧陶世早奧陶世

寒武紀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特別是18世紀末以后的人類活動人類紀

（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。自全新世這個地質(zhì)時期以來，人類對地球的影響愈來愈大。為強調(diào)人類的核心作用，應(yīng)把現(xiàn)在這個地質(zhì)時期稱為“人類紀”，可從18世紀后期開始。在“人類圈”的基礎(chǔ)上1860－2000年全球溫度的異常20世紀是14世紀以來最暖的世紀相對于1961－1990年平均1860－2000年全球溫度的異常20世紀90年代是這個世紀中最暖的十年觀測到的二十世紀全球氣候變化溫度全球地面平均氣溫升高0.6oC±0.2oC(比1995年評估報告大了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(1900年開始)是過去的1000年間最暖的世紀,90年代又是最暖的十年,98年是最暖的年份.發(fā)生20世紀初的增暖的區(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)星和氣球的測量表面，對流層有增暖趨勢，平流層有變冷趨勢，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).1979年以來衛(wèi)星觀測資料證明,底層大氣的溫度增加為0.05oC/10年(60年代有衛(wèi)星觀測資料)。降水和大氣濕度第二次IPCC評估以來，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。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。海平面潮驗觀測表明，20世紀海平面以每年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，溫暖位相相對頻繁、持久和增強。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。引起氣候變化的強迫項觀測到的全球充分混合的溫室氣體含量及其輻射強迫的變化

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。本世紀的大氣中CO2濃度增長率是前所未有的，至少在過去2萬年中未出現(xiàn)過。 過去40年的觀測表明，大氣中CO2濃度增長率在年與年之間存在較大變動。在1990年代，年增長率變動在每年0.9- 2.8ppm之間，相當(dāng)于每年1.9-6.0PgC。

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

濃度增長了150%，現(xiàn)在的濃度達到過去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，但這段時間里年增長率下降。N2O： 自1750年以來，大氣中N2O濃度以穩(wěn)定增長了16%，達到46ppb。觀測到的其它有輻射重要性的氣體的變化對流層和平流層中的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)負輻射強迫量為0.15W/M2。另外，據(jù) 有限的觀測和模擬估計，1750年以來對流層的O3含量增加了約35％，導(dǎo)致的全球平均輻射強迫增加0.35±0.2W/M2。一些氣體只產(chǎn)生間接輻射強迫作用，包括NOx、CO和各種有機物等。觀測和模擬的氣溶膠的變化對確定更廣泛的氣溶膠的直接效應(yīng)取得實質(zhì)性進展。第二次IPCC評估時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，觀測表明生物物質(zhì)燃燒和化石燃料碳黑中的有機物具有重要意義。雖然證據(jù)表明人類活動氣溶膠在暖云中產(chǎn)生負的間接強迫，但對此類氣溶膠導(dǎo)致的間接輻射強迫的估計，仍然存在問題。氣溶膠的間接強迫對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。觀測到的其它人類強迫項的變化土地利用的變化和毀林對反照率的影響構(gòu)成主要因素，產(chǎn)生0.2±0.2W/M2的負輻射強迫量。觀測到的太陽活動和火山活動自1750年至今，太陽輻射變化導(dǎo)致的輻射強迫約為0.3±0.2W/M2，據(jù)估計主要發(fā)生在20世紀的前50年中。1970年代以來，衛(wèi)星觀 測到的太陽輻射沒有大的變化。由于強烈火山噴發(fā)產(chǎn)生的平流層氣溶膠在過去幾年造成了負的輻射強迫效應(yīng)。大的火山噴發(fā)發(fā)生在1880－1920年和1960－1991年 期間，近期無強烈火山活動。在過去20年甚至40年間，火山活動導(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)致自然輻射強迫的凈的負效應(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”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作用。人類已經(jīng)成為地球環(huán)境變化的主要驅(qū)動力。地球未來的命運掌握在人類手中。“人類紀”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)展上升到一個新的層次。有序人類活動目標：可持續(xù)發(fā)展強調(diào)：制訂科學(xué)可行的目 標，在實施過程中 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 效益、社會效益和 環(huán)境效益。特點：相對性、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)境惡化中的能動作用。從“人類圈”到“人類紀”再到“有序人類活動”的概念是對人類在地球環(huán)境中的作用在認識上的深化。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，海水的運動速度（千公里尺度水平運動速度為10-2

米/秒量級）比大氣（10-1

-100米/秒量級）要慢得多?？焖俚拇髿膺\動驅(qū)動緩慢的海洋運動。由于海洋的密度、體積、慢速和穩(wěn)定的垂直結(jié)構(gòu)，只有強大而持久的大氣運動過程才能驅(qū)動海洋運動過程。通過這種驅(qū)動關(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氣候，對以后的大氣過程發(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 運動 水汽海 洋密度 鹽度 運動熱量動量水汽交換輻射能量海洋對大氣的驅(qū)動作用主要表現(xiàn)是熱力驅(qū)動大氣對海洋的驅(qū)動作用主要表現(xiàn)是動力驅(qū)動海洋表層環(huán)流的形成：風(fēng)應(yīng)力赤道Walker環(huán)流ElNino及其對全球氣候的影響期間的降水異常和干旱ElNino大氣濤動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，特別是通過植被進行的物質(zhì)交換 地面粗糙度和陸氣之間的動量傳遞過程 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和分布特征；同時，生態(tài)系統(tǒng)對氣候也產(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氣候的響應(yīng)植被分布對氣候的響應(yīng)NDVIEOF1溫度EOF1降水EOF1中國東部植被季節(jié)生長對溫度和降水的響應(yīng)植被改變對氣候的可能影響南部季風(fēng)低壓加深，夏季風(fēng)增強；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23％，整個海洋捕撈量的90％。海岸帶對一些重要化學(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。 （富營養(yǎng)化和赤潮）河口地區(qū)和沿海地帶沉積了大量的有機碳化合物，是碳循環(huán)中的一個重要的匯。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，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，對海洋動植物發(fā)育非常有利海洋資源豐富。海岸帶文明發(fā)達，工農(nóng)業(yè)集中。人類活動排放物對地球生物化學(xué)循環(huán)（源、匯、過程、通量）的影響。全球平均初級生產(chǎn)力分布河口和近岸的大漁場5.人與地球的關(guān)系人類活動對地球系統(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……不同地點采樣表現(xiàn)的大氣CO2在不同時間尺度上的變化MontrealProtocol限制的氣體在過去50年的增長工業(yè)時代以來，大氣CO2同人口增長的比較Source:InternationalEnergyAgency,WorldEnergyOutlook1996,(OECD,Paris,1996),pp.237-285;InternationalEnergyAgency,EnergyStatisticsandBalances,ondiskette(OECD,Paris,1997).