第五章 全球变化之气候变化全球变化（Globe Change)自地球诞生之日起全球就在发生者变化全球环境问题是指自然环境中引起威胁地球生命支持系统（life loading capacity)的变化全球：包括空间规模上的全球尺度和思想认识上的全球观点。全球观点：从地球系统的思想出发把地球看成一个整体，研究地球系统随时间的变化，以及那些把系统中所有部分紧密联系在一起，并导致系统发生变化的过程和机制。全球尺度：过程或事件本身的空间尺度大约相当于地球半径以上，或虽然过程或事件本身的空间尺度没达到上述规模，但其影响却是全球性的。全球变化的原因是维持地球系统的平衡关系发生了变化。 这种变化是通过维持地球系统状态的某些过程的变异来实现的，初始的变化过程中通过一系列复杂的驱动与相应的反馈作用而放大，并最终导致各圈层性质与全球环境状态的相应改变，如气候变化、海陆分布与地貌形态的变化、生物地带的变化等。太阳系的产生过程 超新星爆炸导致星云的形成 原子聚集在一起形成旋转的稠密气体云 中心形成太阳周边泠却形成九大行星。大约50亿年前太阳系的八大行星太阳水星金星地球火星木星土星天王星海王星在茫茫宇宙中，地球是迄今发现存在智能生物的唯一天体。简单的地球进化史年代（亿年）主要生成物46地球延生，炎热的大火球，原始大气形成。38产生了水产生了水，温度降低，江河湖海出现，孕育生命。20产生生命，细菌生命，细菌，兰藻出现，光合作用，出现氧气。16含氧大气圈含氧大气圈形成，大气变为氧化性，O3层层逐渐形成，孕育高等生命。5海洋无脊椎动物，植物从海洋登上大陆。2哺乳动物出现。200-300万人类出现。现在500万-5000万种生物，缤纷世界地球的圈层结构 大气圈 水圈 土壤圈 岩石圈 生物圈全球变化全球变化学是研究地球系统地球系统整体行为的一门科学。它把地球的各个层圈（如大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）作为一个整体，研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的管理提供科学依据。 主要研究内容 （1）全球大气化学与生物圈的相互作用全球大气化学与生物圈的相互作用。主要研究全球大气化学过程是如何调制的？生物过程在产生和消耗微量气体中作用，预报自然和人类活动对大气化学成分变化的影响。 （2）全球海洋通量研究全球海洋通量研究。主要研究海洋生物地球化学过程对气候的影响，及其对气候变化的影响。 （3）全球水文循环过程的生物学特征全球水文循环过程的生物学特征。主要研究植被与水循环物理过程的相互作用。 主要研究内容（4）全球变化对陆地生态系统的影响全球变化对陆地生态系统的影响。主要研究气候、大气成分变化和土地利用类型变化对陆地生态系统的结构和功能的影响及其对气候的反馈。 （5）全球变化史的研究全球变化史的研究。重建2000年来，以及一个完整冰期一间冰期循环的全球环境变化，了解它们与地球内部或外部作用力的关系。 气候变化间接控制了诸如动植物分布、海平面、地质、土壤等的调整过程，在全球变化中居于主导地位，因而控制全球变化过程 。地球气候系统：地球气候系统：一个涉及阳光、大气、陆地和海洋等一个涉及阳光、大气、陆地和海洋等内容十分丰富的系统。内容十分丰富的系统。全球气候变化定义：指在全球范围内,气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。气候变化（climate change）主要表现为三方面：全球气候变暖（Global Warming）、酸雨（Acid Deposition）、臭氧层破坏（Ozone Depletion），其中全球气候变暖是人类目前最迫切的问题，关乎到人类的未来气候变化的原因可能是自然的内部进程，或是外部强迫，或者是人为地持续对大气组成成分和土地利用的改变。自然原因：火山活动、太阳活动、陆地、海洋人为原因：温室气体排放、气溶胶、土地利用、城市化一. 地球系统的能量平衡地球上缤纷世界的万千变化，最根本的驱动力是来自太阳的能量。太阳光以30104km/s的速度自宇宙空间到达地球，几乎没有能量损失；当太阳辐射自外层空间到达大气层时，则发生一系列变化：100km高空：100nm的紫外光几乎被N2、O2、N和O完全吸收；50100km：200nm的紫外光被O2部分吸收；1535km：310nm的紫外光几乎被O3完全吸收；近地面（0-15km）：310nm的太阳辐射，进入对流层大气。地球系统的能量平衡在吸收太阳辐射的同时，地球本身也有热辐射，以330m的长波红外线为主。地球热辐射最重要的吸收物质是CO2和H2O。地球系统的能量平衡由于红外线能量较低， CO2和H2O对红外线的吸收不发生化学反应，光吸收的结果只是阻挡热量自地球向外逃逸，加热大气层即形成一绝热层。大气中CO2和H2O等微量组分对地球长波辐射的吸收作用使近地面热量得以保持，从而导致全球气温升高的现象称为“温室效应”（Greenhouse Effect）。这些微量组分称为(Greenhouse Gases)，除CO2和H2O外，重要的温室气体还有：CH4、O3、N2O和CFCs等，都是多原子的极性分子。地球的自然温室效应与温室气体温室气体对地球红外辐射的吸收作用在地球大气的能量平衡中具有非常重要的作用。假如没有现在的大气层，地球的表面温度将比现在低33，大多数动植物将面临生存危机。正是大气层的温室效应造成了对地球生物最适宜的温度，从而使得生命能够在地球上生存和繁衍，这种温室效应称为天然温室效应。在天然温室效应中， H2O的贡献超过60%, CO2也有重要贡献。地球与火星、金星比较：火星大气层是地球0.1%,CO2浓度95%, 总温室效应很低，平均气温只有-53。金星大气层比地球厚90倍，大气组成CO2 98%, 温室效应比地球大得多，平均气温458。二、世界气候的异常现象与变化趋势1. 气候一直在变化 地球气候系统是一个涉及阳光、大气、陆地和海洋等内容的十分复杂的系统。自从人类诞生以来的300万年中，世界气候一直经常和广泛地发生着波动。这些变化大部分与人类的活动影响无关。在不同时期内，有许多不同的自然因素使气候发生了变化，而且现在仍然变化。近百年来气候的异常现象 自工业革命以来，随着人口增长和科学技术水平的提高，人类活动对全球的气候变化产生越来越深刻和重要的影响。由于人类大量地使用矿物燃料（煤炭、石油和天然气）加上其他的人为活动过程，导致温室效应的加剧，可能会引起全球的温度增高，并由此将产生一系列环境问题。自1960s以来，世界各地不断发生气候异常现象，且有愈演愈烈的迹象近十年恶劣天气频频发生近十年恶劣天气频频发生巴尔干地区出现百年不遇的大雪08年3月欧洲西部（法国、比利时）暴雨成灾1997年1月美国加州大洪水2. 世界气候变化趋势变冷说 “米兰科维奇理论 ”：地球轨道的变化，冰河期形成源于地球自转长期偏差气流与洋流变异及地球自转加速大陆积雪不规则运动气候变冷。“太阳黑子理论”，太阳黑子数量的增加将使太阳辐射减弱，引起地球变冷。“阳伞效应”，火山喷发出的尘埃和工业、交通、炉灶等排放的烟尘不断增加，这些悬浮在大气中的气溶胶颗粒物就象地球的遮阳伞一样，反射和吸收太阳辐射，引起地面降温。也称“冷化效应”。3. 世界气候变化趋势变暖说主要根据是“温室效应”，由于化石燃料燃烧，大气中CO2浓度增加，导致温室效应加剧。低层O3浓度增加也增强温室效应。“放大器效应”，大气中含有级少量CFCs、CH4、N2O，吸热能力巨大，如CH4温室效应比CO2的效果强多倍，而CFCs比CO2强2万倍，N2O也有将温室效应放大的作用（比CO2 大300倍）。“城市热岛效应”“周期性的厄尔尼诺现象”“拉妮娜现象”人为增加的温室气体温室气体 人为排放源或导致增加源天然排放源CO2化石燃料燃烧、地表植被破坏大气、生物、海洋CH4天然气、煤矿、生物质燃烧、反刍动物、稻田、垃圾、废水湿地、白蚁、海洋、其他N2O化肥使用、工业生产、燃烧过程土壤、海洋生物作用CFCs人类化学工业无O3(对流层） 化石燃料应用导致的大气污染生成平流层输入、自然光化学过程城市热岛效应随着人口增长，城市化进程的加快，城市的空气污染、人为热的释放和下垫面的改变引起了气温的上升，使市区温度一般比郊外高15,此现象称为“城市热岛效应”。北京市热岛的数字化图象北京市热岛的数字化图象周期性的“厄尔尼诺现象”(Elnino)在赤道东太平洋海域（南美洲秘鲁、厄瓜多尔西海岸），每隔几年就发生一次大规模的海水温度骤然升高现象，一股暖洋流向南流动，使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域，导致海洋生物大量死亡，并引起全球范围气候异常，东部暴雨频繁，持续高温；西部地区高温少雨，严重干旱,引发一系列自然灾害。1997年8月世界气象组织主持召开的科学大会上指出：厄尔尼诺已超过温室气体排放，森林毁坏而成为影响全球气候异常的最主要因素。“厄尔尼诺”现象（El Nino）的气候影响“拉尼娜”现象（Lanina）与厄尔尼诺相反的上述海域异常降温的现象，称为拉尼娜（仙女，小女孩）现象，其气候意义与厄尔尼诺相反。音响片10_1.rm其他因素大气中有些痕量活性气体（并不是温室气体，但通过化学反应能促成它种气体的生成或破坏，间接影响温室效应。如CO、NOx、NH3、H2S等。三三. 众多事实表明：全球气候正在变暖众多事实表明：全球气候正在变暖1. 近100年，全球平均气温持续升高研究表明，过去100年里，全球平均气温上升了0.20.5，全球海平面上升了1025 cm，近10年和20年气温升高幅度之大已达到过去110年的最高记录。最热10年都在近20年中，最热7年都在最近10年中。如果目前的温室气体排放不采取有效的控制对策，预计到2100年，全球气温将升高13 ，全球海平面将上升15100cm，降水强度可能会进一步增加。全球气温变化趋势2. 海平面高度上升过去的100年，海平面上升了1020cm，每年上升12mm，近年有加快的趋势。3. 南极生态变化冰块融化，拉尔森地带1300km2冰块融化植物南移，在南极不少新植物开始生长。成群企鹅消失，食物链断裂：冰溶冰面岩石表面植物消失鱼虾死亡企鹅无食喜马拉雅山冰川比比50年前后退年前后退5000m。4. 各地高山冰川减少5. 人类活动排放的温室气体浓度不断增加是地表温度升高的主要原因CO2：是大气中原来就有的物质，其丰度仅次于氧、氮和惰性气体，是植物光合作用所不可缺少的。但是，由于人类大量使用化石燃料，砍伐森林使地球生物量总量减少，CO2排放量逐年增加并在大气中积累。世界各地的观测都表明， CO2的全球浓度上升明显，工业革命前只有280ppm，现在是379ppm，200年间CO2浓度增加了30%。1960-1990年大气CO2浓度变化趋势十六万年以来大气二氧化碳浓度十六万年以来大气二氧化碳浓度和温度变化关系和温度变化关系五百年来大气CO2浓度变化其他温室气体的浓度也明显增加N2O（不科学使用化肥，生物质燃烧）：含量增加了15%。CH4：主要来源为湿地、稻田排放。吸收红外辐射能力和增长速度均超过CO2，1750年CH4大气浓度为800ppb，现在为1720ppb。增长原因：稻田增加，垃圾填埋、生物质燃烧量加大。CFCs1930年以前大气中不存在， 1930年合成出来；50年代可在环境大气中检测出，现大气浓度0.3ppbv。温室气体小结自然温室气体：CO2、H2O蒸汽。人为温室气体 浓度 贡献 GWP CO2 379ppm 49% 1 CH4 1720ppb 18% 10 CFCs 0.3ppbv 1520% 1000 N2O 6% 100大部分水汽来自海洋蒸发，人为影响不大O3各地浓度差别太大，不好定量，变化小*GWP（global warming potential）全球变暖潜势气候变化的影响和危害气候变化的影响和危害 1海平面上升海平面上升全世界大约有1/3的人口生活在沿海岸线60公里的范围内，经济发达，城市密集。全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50厘米，危及全球沿海地区，特别是那些人口稠密、经济发达的河口和沿海低地。 2影响农业和自然生态系统影响农业和自然生态系统 随着二氧化碳浓度增加和气候变暖，可能会增加植物的光合作用，延长生长季节，使世界一些地区更加适合农业耕作。但全球气温和降雨气温和降雨形态的迅速变化，也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。 3加剧洪涝、干旱及其他气象灾害加剧洪涝、干旱及其他气象灾害 气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更为突出的问题。全球平均气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害-过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温，造成大规模的灾害损失。有的科学家根据气候变化的历史数据，推测气候变暖可能破坏海洋环流，引发新的冰河期，给高纬度地区造成可怕的气候灾难。 4影响人类健康影响人类健康 气候变暖有可能加大疾病危险和死亡率，增加传染病。高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会引起死亡率的增加。由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有很大的关系，随着温度升高，可能使许多国家疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎增加或再次发生。在高纬度地区，这些疾病传播的危险性可能会更大。 音响片10_2.rm6. 气候变化引发的环境问题全球气候的变化，尤其是温室效应的加剧，将产生一系列环境问题，引起了世界各国的广泛关注.对人体健康的影响：极热天气频率增加，心脑血管和呼吸道疾病死亡率增高，传染病更广泛传播。.对水资源的影响： 温度升高水体挥发降雨增加洪涝加剧。.对森林的影响： 森林病虫害和森林火灾增加。6. 气候变化引发的环境问题对沿海地区的影响：海平面上升对经济发达的沿海地区影响严重。对生物物种的影响：动植物迁徒可能跟不上气候变化，全球特殊生态系统（长绿植被、冰川）等面临困境。对农业影响： 温度上升增产受益，但必须改变原生产模式再热再热3,30亿人无水喝！森林将锐减亿人无水喝！森林将锐减60%！四、国际行为对策国际合作与对策科学追溯： 1827年，法国科学家Fourier: 地球的大气能让高能量的太阳辐射穿过,并通过捕捉部分从地球表面反射的长波热辐射的方式,使地球表面变暖,这种效应由许多“温室气体” ,尤其是二氧化碳和水汽.； 19世纪末,瑞典科学家Arrhenius认为, 持续的燃烧煤炭可能会增加空气中二氧化碳的含量,使地球变暖； 1957年,.Keeling在夏威夷的Mauna loa观象台开始了对二氧化碳浓度的常规观测。同年，国际地球物理学年会发起建立观测网络； 1988年，政府间气候变化委员（IPCC）成立;IPCC 政府间气候变化委员会Intergovernmental Panel on Climate Change1988年，由世界气象组织（WMO）和环境规划署（UNEP）联合成立由世界70多个国家2500名杰出科学家组成;1990、1995 和2001三次发表全球气候变化评估报告2001年报告被科学权威杂志“Science”列为2001年世界十大科学新闻。1992年5月，联合国通过了联合国气候变化框架公约，要求各国加强合作，减少CO2 排放量联合国气候变化框架公约（UNFCCC）1992年巴西里约环发大会期间签订，目前已经得到185个国家的批准，已经于1994年生效。定义定义：“气候变化”指，在一定时期内，除自然因素外，由于人类活动直接或间接地改变地球大气的组成而造成的气候变化。基本原则基本原则：共同但有区别的责任，预先防范原则，国际合作，可持续发展。公约目标公约目标：将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上,这一水平应当在足以使生态能够自然地适应气候变化、确保粮食生产免受威胁和经济发展能够可持续地进行。初步承诺初步承诺:发达国家率先行动，努力到2000年将CO2等温室气体排放量控制在1990年的水平上。1997年12月111日，在日本京都召开了“联合国防止地区变暖会议”（框架公约第三次国际会议），发布了“京都议定书”.1998年11月14日在秘鲁第四次会议闭幕。 “京都议定书”最后规定，38个工业国在20082012年削减温室气体5.2%（是指与1990年水平相差的百分比）。京都议定书主要内容制定减少排放量目标值（见下页表）。确定温室气体种类，共6种温室气体：CO2、N2O、CH4和三种CFCs（氯氟烃HFCs、全氯化碳DFCs和六氟化硫SF6）。CO2除外，其余五种都按WGP（全球升温潜能值）换算成CO2当量计量。发达国家承担义务，发展中国家暂不承担义务。以1990年为标准年，要求以上六种到2010年削减5.2%。提议削减：日本8%、欧洲15%、US10%、小的岛国20%.。 反复激烈斗争，最后达成协议：US7%日、加6%.各国分担情况瑞士、欧盟各国和许多中东欧国家减少8%； 美国7%；加拿大、匈牙利、日本和波兰6%； 俄罗斯、新西兰和乌克兰维持现状；奥地利增加8%,冰岛增加10%。 发展中国家暂不承担义务。主要国家温室气体排放量削减指标国家增减量国家增减量国家增减量澳大利亚+8德国-8葡萄牙-8比利时-8冰岛+10俄罗斯0加拿大-6意大利-8西班牙-8丹麦-8日本-6瑞典-8英国-8荷兰-8瑞士-8法国-8挪威+1美国-7京都议定书执行时间表1998年3月16日-1999年3月15日，议定书交由各国签字。1998年11月，-FCCC第四次缔约方大会。1999年3月16日-目标认可，批准和接受。生效第一年，评估，规范清洁发展机制。第二年，第二次评估。2001年，第三次IPCC评估。 2005年明显兑现承诺。2008-2012年定量评估减排进展。京都机制（灵活机制）：发达国家极力推行，用以替代或变通本国直接的温室气体削减义务。清洁发展机制清洁发展机制（Clean Development Mechanism，简称CDM）。发达国家通过向发展中国家提供可产生温室气体削减效果的援助项目，一方面有助于发展中国家温室气体减排，另一方面所产生的温室气体减排量计入发达国家承诺的减排目标量之中。联合履约机制联合履约机制（Joint Implementation，简称JI）发达国家与经济转轨国家和发展中国家（主要是前者）之间通过有关合作项目共同达到减排目的。排放交易排放交易（International Emission Trade，简称IET）将温室气体减排配额用于市场交易，主要发生在发达国家之间或与经济转轨国家之间。京都议定书的重大意义针对气候变化这一涉及广泛的全球环境问题，首次规定了具有法律约束力的减少温室气体排放的具体的目标和时间表,是国际社会共同对待这一环境问题采取的一个突破性反应行动，其实施将对国际经济、政治乃至社会生活都具有深刻影响，京都议定书可能会被证实为二十世纪末最重要的及最有深远意义的世界条约。2001年，美国宣布退出京都议定书，理由是，该条约有损美国经济，可能导致数百万人失业（1998年11月12日签署了京都议定书， 但从未提交国会审议）。2002. 2 美国宣布了替代方案美国宣布了替代方案,即在未来十年将美国的温室气体的排放强度(单位GDP的温室气体碳排放量)降低18%；依然坚持强调中、印等发展中大国需承担减排义务；欧盟欢迎但不满意。2002.10 马拉喀什协定马拉喀什协定：放宽灵活机制的应用，如允许发展中国家实施单边CDM项，并出售所获减排额度, 扩大了发达国家所期望的完全自由竞争的全球排放市场；2002年9月，南非峰会上，美国政府再遭抨击。2002年10月28日，加拿大各省政府聚集多伦多市批准京都议定书缓行，须慎重考虑。中国于2002年9月3日宣布核准京都议定书中国于1998年5月29日签署了京都议定书。近年来，中国各级政府为应对气候变化做了极大努力，在提高能效方面，取得了显著成绩，相对减少了温室气体的排放，为实现公约目标作出了巨大贡献。2002年6月，日本参议院全票通过批准京都议定书。 2002年7月25日，巴西宣布正式批准京都议定书。 欧盟早已批准京都议定书。五. 全球变暖问题的对策引进新能源，尽可能使用可再生能源，开发利用核能，开发节能新技术。开发新技术，吸收排放的CO2。 扩大森林面积，扩大珊瑚面积。采用新一代能源技术，美国空间站巨大太阳能装置。模仿核聚变，岩浆发电，宇宙太阳光发电。各国科学家疯狂怪招给地球降温灵感源自火山灰：支起超大遮阳伞-在平流层排放能散射阳光的CO2或颗粒物，海面上空喷洒盐水，地球轨道上安装透镜（数万亿个镜片，每个镜片直径60cm） 植树造林吸收CO2。 催生海藻风险大-往海水里添加铁微粒，催生浮游植物，吸收大量CO2。 一门新学科-地球工程学闪亮登场