第四章全球變化研究的主要途徑2/3/20231內容提要第一節過去全球變化的重建

1.1基本假設

1.2環境屬性信息

1.3空間和時間位置信息

1.4重建過去全球變化的主要步驟第二節全球變化的動態監測

2.1觀測的主要內容

2.2觀測的技術手段第三節全球變化的模擬2/3/20232第一節過去全球變化的重建？為什么要重建：由于地球系統中的許多過程具有很長的時間尺度，在現代的觀測記錄中無法觀測得到，也不可能通過實驗的方法進行印證。因此，通過觀測所獲得的全球變化信息是有限的。現代環境中的許多現象是過去不同時間、不同環境狀態下多形成的產物的殘留物的集合，其中的一些現象對現代環境特征起制約作用，認識現代所發生的過程需要對所經歷的歷史有必要的了解。對過去全球變化的研究可以揭示各種過程之間不斷變化著的平衡關系。2/3/202331.1基本假設

？怎樣重建找證據對證據進行標定與校核復原依據的基本假設：均一性假設協同性假設全息假設2/3/202341.2環境屬性信息

根據來源和屬性的不同，過去全球變化信息可分為三種類型。觀測記錄記錄規范，精度高，但時間尺度短考古和歷史文獻記錄記錄欠規范，時間尺度不長，對重大事件研究意義較大古環境感應體待用指標豐富客觀性強但干擾作用大。代用資料2/3/20235

1.2環境屬性信息a海洋沉積及深海沉積的氧同位素紀錄b黃土與古土壤c孢粉和植物硅酸體d冰芯——同位素、甲烷氣等e樹木年輪——輪寬、密度、同位素等f湖芯——年代學、物理、化學、生物指標g石筍——微層厚度、同位素、微量元素h珊瑚——微量元素、同位素等i考古和歷史文獻記錄2/3/20236檔案時間分辨率時間長度（年）可提取的環境參數樹木年輪年／季104THCaVMLS湖泊沉積年104~106TBM極地冰巖芯年105THCaBVMS中緯度冰巖芯年103THBVMS海灣沉積年105TCwL黃土10年106TCsBM海洋冰芯100年107TCsBM花粉10年105THB古土壤100年105THCsV沉積巖芯2年107HCsVML歷史紀錄天/小時103THBVMLS（根據Ｈans

OeschserandJohnA.Eddy,1988）T=溫度；H=濕度或雨量；C=大氣（a）、水(w)或土壤(s)的化學成分；B=生物量方面的信息；V=火山噴發；M=地磁場；S=太陽活動主要天然環境檔案的特征2/3/20237a海洋沉積及深海沉積的氧同位素紀錄根據δ18O值的變化，不但可以計算出有孔蟲生存時期的溫度，而且可以對全球冰量的變化進行推斷2/3/20238b黃土與古土壤原理：黃土和古土壤層的交互出現是風塵堆積作用和成土作用兩種對立的過程彼此消長的結果。風塵堆積作用>成土作用形成黃土層成土作用>風塵堆積作用形成古土壤層黃土與古土壤層的交替變化是第四季冰期—間冰期環境周期變化的反應，與深海氧同位素記錄有良好的對應關系。冰期間冰期2/3/202392/3/202310b黃土與古土壤兩大重要指標：粒度：用來反映黃土粗細程度的指標，粒度的大小差別反映了風力搬運強度的差別。磁化率：物質被磁化程度難易的一種量度。磁化率值的變化與氣候變化尤其是降水量的變化有一定關系。黃土-古土壤序列中磁化率的變化被作為夏季風變化的指標（An,Z.S.）2/3/202311c孢粉和植物硅酸體原理：一個地區的孢粉雨的組成能夠反映所在地區的植被組成，是所在地區的植被的函數。孢粉具有耐氧化、耐高溫、耐溶解的質地堅硬的外壁，因此能夠在沉積地層中長期保存下來。根據孢粉的組成及其隨時間的變化，可以推斷植被在時間和空間上的演化過程及環境的變化。植物硅酸體忠實地記錄了生產它的植物細胞的形態2/3/202312d冰芯極地冰蓋和中緯度高山冰川地區，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉換成冰，形成一個年層。從這些地區取得的冰芯中獲得的主要記錄之一是氧同位素比率δ18O。陸地水體中水的18O/16O均小于標準大洋水中的18O/16O。蒸發和凝結作用均與溫度有關，δ18O與溫度之間存在一定的關系分析測試表明溫度每降低1℃，δ18O在格陵蘭地區降低0.70‰在南極地區降低0.75‰在青藏高原北部降低0.65‰，根據這個關系，可以由冰芯中的δ18O推斷溫度變化。2/3/202313d冰芯重要指標：冰川的凈累積率可以作為降水量變化的指標；在由雪轉換成冰的過程中包裹在冰中的氣泡里，記錄著氣泡生成時的大氣成分（CH4）；冰芯中的化學成分和微量含量，記錄了過去大氣氣溶膠的狀況，以及地球沙漠化和大氣環流強度的狀況等。冰芯中保存的有機物質記錄了當時的生物地球化學循環過程冰心中的火山灰和強酸信號記錄了火山活動的歷史冰心中的10Be等放射性同位素含量的變化反映了宇宙射線強度、太陽活動和地磁場強度變化的歷史

2/3/202314d冰芯2/3/202315過去9萬年兩極冰芯氣候環境記錄對比(BlunierandBrook)2/3/202316近10萬年來青藏高原古里雅冰芯氣候記錄與南極、北極冰芯記錄具有相似變化特征，但青藏高原冰芯記錄的氣候變化頻率和變幅比極地冰芯的大，說明青藏高原對氣候變化的敏感性更大(姚檀棟等)。

冰芯研究2/3/202317e樹木年輪樹木年輪是樹木形成層周期性生長的結果。在季節差異明顯的地區，溫暖或濕潤的生長季樹木生長快，細胞大而細胞壁薄，形成較寬的淺色早材；寒冷或干燥的季節樹木生長緩慢，細胞小而細胞壁厚，形成較窄的暗色晚材；早材和晚材合起來為一個年輪。樹木年輪可提供時間分辨率為年或季的變化信息，是重建幾十到幾百年尺度全球變化的最重要的信息源之一。在樹木橫斷面上的年輪的寬度可以反映樹木生長量的狀況。每年年輪寬度的大小，與樹木的年齡、前期生長狀況和環境等多方面因素密切相關。環境變化所引起的樹木年輪寬度變化反映的是對樹木生長限制最大的環境（氣候）因子的變化基于年輪細胞的大小、壁厚和數量多少形成的木材的密度差別分析，反映較年輪寬度更為豐富的信息。年輪中碳、氫、氧同位素比值的變化可以反映環境的變化。2/3/202318樹輪記錄了豐富的氣候、環境信息樹輪研究----樹輪結構2/3/202319鋸取木盤樹輪研究----采樣2/3/202320樹輪研究----定年2/3/202321f湖泊沉積

湖泊是各圈層相互作用的連接點，其沉積物保存了豐富的物理、化學和生物變化的信息。因此，湖泊沉積作為一個重要的信息載體，在全球變化研究中有著不可替代的作用。2/3/202322流域輸入大氣輸入地下水輸入湖泊沉積記錄內源輸入f湖泊沉積2/3/202323

f湖泊沉積湖泊沉積連續性好、分辨率高,可以重建不同時間尺度（從百萬年到近現代）的古氣候環境。近現代的沉積物(100-102年)提取過去102-103年的沉積巖芯提取過去103-104年的沉積巖芯提取

深鉆巖芯(105-106年)提取2/3/202324PhotobyJosHill,2002PhotobyDeanMiller,2002PhotobyJosHill,2002h珊瑚研究2/3/202325珊瑚研究珊瑚作為海洋環境的信息載體，具有高分辨率、記錄連續完整、體系封閉好、代用指標多、易于定年等特點，有效記錄了全球環境變化的信息，分辨率可達月。主要指標：微量元素、同位素2/3/202326i考古和歷史文獻記錄

考古和歷史文獻記錄包括考古遺址、遺物和遺跡等各種考古發掘物，以及官方史書、地方志、農書、宗教案卷、航海日志、文學作品等各種文獻記載。2/3/2023271.3空間和時間位置信息14C年代測定古地磁測年地質年代表2/3/20232814C年代測定自然界有3種碳：12C(98.8%)、13C(1.08%)、14C(1.2×10-10%)。前2種是穩定同位素，14C是放射性同位素。14C是在約12~18km高空的氮（14N）受宇宙射線的熱中子流（n）轟擊，從14N中打出一個質子（P）,使14N變成14C。14C借助β蛻變失去一個電子（e）變成14N2/3/20232914C年代測定14C在高空形成后便與氧結合成14CO2,大氣環流運動使其均勻混合在大氣中，通過降水進入江河湖海水域，并被水中的碳酸鹽介殼生物吸收；通過光合作用進入植物體；動物食用植物使14C進入動物骨骼。活的有機體中的14C與大氣中的14C保持平衡，生物死亡后并被立即埋藏，生物遺體中14C與大氣中的14C停止交換，在封閉系統中按指數規律衰減。式中N為樣品中現在14C含量，N0

為14C初始含量2/3/20233014C年代測定Libby（1949）測定14C的半衰期為5568年，根據半衰期可以計算衰變常數,根據樣品中N相對于N0減少的程度就可以測定樣品的年代。14C年代的表示方法為__kaBP,代表距今__千年以前的意思，通常以1950年為起點。用于14C年代測定的樣品最好是木頭、木炭、谷物、泥碳、古土壤等有機質，無機碳樣品如貝殼，鈣結核也可用于測年，但需注意老碳可能對14C年齡的準確性產生影響。2/3/20233114C年代測定目前14C年代測定的方法有兩種，一種是β衰變法，利用質譜儀測定樣品中的14C所產生的放射性（每分鐘每克碳衰變的次數），測定年限小于5萬年。另一種是加速質譜儀測量法（AMS）直接測量樣品中14C原子的個數，所需樣品僅幾毫克純碳，可測量年限達10萬年。14C測年的基本假設之一是自古以來大氣中14C的含量是不變的，但這一假設不是嚴格成立的，宇宙射線強度的變化、太陽黑子活動或地磁場的變化都引起大氣中14C含量的變化，這種變化勢必影響14C測年的準確性。2/3/202332古地磁測年在地球歷史上，地球磁場的南極和北極曾顛倒過多次，稱極性倒轉。其中，105~106年長度的極性變化稱為極性期，與現代磁場方向相同的時期稱正向極性期，反之稱反向極性期。在每個正（反）向極性期內，存在著104~105年的短暫極性倒轉，稱反（正）極性事件。如果對每一個極性倒轉事件發生的時間進行測定，就可以建立起一個在全球都可對比的古地磁年表，成為全球對比的時間標尺。目前已建立起5MaBP以來較高分辨率的古地磁年表和100MaBP以來較粗分辨率的古地磁年表。古地磁年表中的絕對年代通常是用K-Ar法放射性同位素測年技術來確定。2/3/202333蒙戈反極性事件（Mungo）20-30ka前2/3/202334地質年代表

地質年代表是一種用來區分地球歷史上各個時期的非固定間距的時間標尺。其基本單位為“代”，其中古生代、中生代、新生代合稱為顯生宙，最初以地層中生物化石明顯增多而與其以前的時期相區別。每個代內可以進一步劃分為若干個“紀”，每個“紀”內又劃分為若干個“世”。2/3/202335地質年代表2/3/2023361.4重建過去全球變化的主要步驟

對各種過去全球變化信息的識別與提取如從冰芯中可以提取碳、氧同位素比率、冰川的凈累積率、大氣成分、化學成分、微粒含量等多種信息；對過去全球變化的證據進行標定與校核環境過程、產物與環境狀態之間協同關系的均一性是進行環境標定的基本前提。過去的全球變化的整體或部分地復原等利用多種環境演變證據互相咬合，提高指示環境精度2/3/202337第二節全球變化的動態監測2.1觀測的主要內容IOCWMO（國際氣象組織）WMOIOCICSU（國際科學聯合會理事會）IOC（政府間海洋學委員會）WMOUNESCO（聯合國教科文組織）MAB(人與生物圈計劃)UNEP（聯合國環境規劃署）地球觀測系統（EOS）全球氣候觀測系統(GCOS)全球海洋觀測系統(GOOS)全球陸地觀測系統(GTOS)全球環境監測系統(GEMS)2/3/202338第二節全球變化的動態監測2.1觀測的主要內容地球系統的外部能量：太陽能、紫外線通量等；重要微量氣體：CO2、O3、N2O、CH4、CFCS、H2O、C