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　　（16）地核环流作用等。

　　这些假说一方面使我们眼花缭乱，但另一方面也可见这一科学命题的复杂性，它成为目前全球变化研究中最受关注的科学难题并不是偶然的。

　　影响地球表面气温变化的因子很多，但一般可分为自然因子和人类活动两大类。就自然因子而言，太阳活动、火山活动及气候系统内部的多尺度振动都可影响全球或区域气温变化。由于太阳辐射和火山活动历史序列资料可靠性不高，以及人们对气候系统如何响应太阳输出辐射变化认识的局限性，目前还无法准确评价其对全球和中国气温变化的影响程度。海洋一大气系统年代以上尺度的低频振动，如北大西洋涛动（NAO）、北极涛动（AO）、太平洋年代涛动（PDO）或ENSO的多年代振动，对全球和区域气温也具有重要影响。人类活动则主要通过土地利用变化以及温室气体和气溶胶排放对地面气温变化产生影响。

　　目前多数气候学家认为，最近l00年的全球和中国气候变暖，特别是最近50多年的气候变暖，可能主要是由温室气体浓度增加引起的。

　　人类向大气中排放了CO2　、CH4、N2O等温室气体，导致大气温室气体浓度增加，“温室效应”增强；人类也向大气中排放了SO2等化学物质，生成硫酸盐等各种气溶胶，引起大气化学过程辐射过程和云物理过程的变化，导致近地表辐射平衡和气温的改变；土地利用变化通过改变陆地与大气之间的物质和能量交换，使区域或局地气温发生变化，同时也向大气中排放额外的温室气体和矿物性气溶胶。此外，包括农业灌溉等人类活动还会影响区域甚至全球的陆地蒸发量，造成大气水汽含量增加。水汽是比CO2等气体更有效的温室气体，其含量增加也可能引起气候变暖。

　　目前气候学界达成的“共识”，即认为过去50年的气候变暖很可能是由CO2　、CH4、N2O等大气温室气体浓度增加引起的，主要是基于观测事实和气候模式分析。模拟研究一般采用全球气候模式，考虑自然强迫因子如太阳和火山活动，以及人类排放的温室气体和硫化物气溶胶等，模拟20世纪气温的变化。这些研究表明，当只考虑自然强迫时，模拟不出来20世纪的气候变暖；当只考虑人类活动时，基本上能模拟出20世纪的变暖趋势；而当输入所有的强迫时，模拟与观测的气温变化吻合得最好。由此表明，影响20世纪气温变化的主要因子是太阳活动、火山活动和人类活动，而人类排放的温室气体在近50多年的气候变暖中起主导作用。

　　对于1950年以前至少7个世纪北半球气温变化，一些研究也给出了解释，认为可能主要是火山爆发和太阳活动引起的，但20世纪初的增暖仍然和人为强迫影响有关。　20世纪火山活动主要施加一个弱的变冷作用，这类似人为排放的气溶胶效应，使全球地表趋于变冷。由于火山和人为气溶胶抵消了一部分增暖，因此若单独考虑温室气体浓度增加的效应，其导致的20世纪气候变暖可能比观测到的更大。

　　多数研究者还相信，人类活动不仅引起全球平均地表气温明显上升，也是造成暖夜、暖日和热浪增多以及冷夜、冷日和寒潮减少的主要原因。有研究指出，人类活动的影响可能已经使欧洲2003年夏季那样的高温热浪风险显著增书　包　网　txt小说上传分享

第一节　　地球的形成与早期地球
第二章　　地球环境及气候变迁史

　　第一节　　地球的形成与早期地球

　　1、地球的形成

　　在自然科学中，研究地球以外宇宙环境中各种天体的运动、结构、起源和演化的基础学科叫天文学。现代天文学认为：我们所居住的地球是太阳系的一个普通成员。太阳系的中心天体是太阳，它是一个半径约70万公里、表面温度达6000K的气体球，其核心温度高达1500万K发生着氢聚变为氦的核反应。太阳系有八个行星，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。在火星和木星之间运行着几十万颗小行星。太阳系中质量较小的天体还有慧星和流星。

　　晴朗夜空中有一条横亘天际的光带，被人称为银河，它是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统，叫做银河系。银河系的发光部分直径约7万光年，最大厚度约1万光年，有大约2000亿颗恒星，太阳是其中的一颗普通恒星。太阳系中除恒星外，还有不少由气体和尘埃组成的团块，称为星云。

　　在银河系之外还有数以10亿计的庞大天体系统，与银河系属同一结构层次，统称星系。成百上千个星系成群在一起成了大的星系团，更大的叫超星系团。

　　星系团—星系—恒星—行星二这就是人类认识到的宇宙。银河系是星系之一，太阳是恒星之一，地球是行星之一。

　　大爆炸宇宙论认为，宇宙起源于一个温度极高1000亿K、体积极小的奇点。在距今约200亿年前，由于目前尚未弄清楚的原因，这个火球发生。‘大爆炸”，诞生了宇宙。大爆炸使物质四散飞出，宇宙空间不断膨胀。温度逐渐下降。原先存在的质子、中子、电子等一些基本粒子结合起氢、氖、氦等元素；以后又逐渐形成星云团、星云、恒星、太阳、地球。至今，宇宙仍在膨胀。

　　星系是由数十亿至数千亿颗恒星和气体尘埃等星际物质构成的庞大天体系统，是构成宇宙的基本成员，其大小从数干到数十万光年，但同尺度超过100亿光年的宇宙相比，充其量也只是沧海一粟而已。现在望远镜能观测到的星系数目估计有十亿个。当我们把目光转向星系内部时，它也有自己的演化史。人们可以通过考察距离不同（因而年龄不同〕的星系来研究它们的演化历程。　　　　

　　恒星是星际空间中的密度较高的气体云在自身引力作用下形成的。当向内的引力强到足以克服向外的压力时，气体云迅速收缩落向中心。如果气体云起初有足够的旋转，在中心体周围就会形成一个太阳系大小的气尘盘，盘中物质不断落到称为原恒星的中央天体上，在收缩过程中释放出的引力能使原恒星变热，当中心温度上升到1000万K足以引发热核反应时，一颗恒星就诞生了。恒星的质量范围在0。　1^100个太阳质量之间。恒星形成后光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的核反应。当恒星内部的核燃料耗尽后，进入了老年期。初始质量小于太阳8倍的恒星最终将成为白矮星（一种颜色发白、尺度很小的恒星）。质量为太阳8……50倍的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆发，亮度陡增，爆发后留下的星核的尺度只有同质量的年轻星的百万分之一，几乎全由中子紧紧堆成，称为中子星。质量更大的恒星最终将变为黑洞—一种引力强大到连光线都无法射出的天体。

　　太阳系是由5　000　M　a年以前的原始星云凝聚而成的，这些原始星云很可能是高密度的，在浓厚星云的致密中心处形成了太阳。太阳系的发展阶段为：星胎阶段、红外星阶段、主序星阶段、红巨星阶段、爆发星阶段和白矮星阶段。太阳系目前正处在主序星阶段，恒星一生的大部分时间处于主序星阶段。物质在太阳系中的空间分布不均匀，离太阳比较近的部位，难熔元素比较富集而挥发性元素比较贫乏；在巨行星区则挥发组分富集而难熔元素缺乏；在外行星区不仅难熔元素贫乏，而且挥发性元素也大量丢失。太阳的化学组分主要为H和He。

　　地球诞生于4600Ma年前，地球的物质成分主要来源于太阳系的原始星云。这一高温气体云通过拉普拉斯形式收缩形成星云盘；星云盘物质凝聚，通过碰撞吸积凝聚成大小不等的星子；星子通过行星胎再聚集形成不同大小、密度和成分的行星。原始地球所获得的星子是比较冷的，由于下列效应开始变热：

　　1。冲击效应每个落到原始地球上的星子有很高的运动能量，这种能量因冲击转化为热能。　　　

　　2。压缩效应由于星子的堆积使地球行星外部重量增加，内部受压缩，消耗在压缩内部的能量转化为热。

　　3。放射性衰变由于放射性元素铀、牡、钾等的衰变产生热积累。

　　这三种效应作用在原始地球上几亿年以后，地球内部变热，其中的金属铁、镍及硫化铁熔化，因密度大而流向地球中心部位，形成液态铁质地核。由于对流作用，使原始地球产生全球性的分异，演化成分层的地球，形成了地核、地幔与地壳。在原始地球变热而产生分异作用的过程中，从地球内部释放出来的气体形成了大气圈。早期地球的大气圈成分与现代不同。正是由于紫外辐射的能量促使原始大气成分之间发生反应，从无机物质生成有机小分子，然后发展成有机高分子物质组成的多分子体系，再演变成细胞，生命得以开始和进行。

　　2、　地球形成期的环境

　　在星云聚凝阶段初期，形成的星子小，密度大，星云间的相对运动速度小，原地球俘获太阳星云盘的原始气体成为可能，并且这种状态有利于原始太阳星云气体的保存。另外，地球胚从直径为几公里生长到月球般大小时，因星子对它的撞击作用弱，不易使地球胚上的矿物脱去挥发分，故由吸积获得的大部分挥发性元素和化合物仍被保留在生长着的行星原核里。所以在这一阶段，地球的大气是以太阳星云大气为主的还原型大气：H2…He型大气。

　　随着原地球的增长，原地球半径逐渐增大，太阳系中星子分布密度逐渐减小，物质分布密度相对集中，星子间相对速度增大，撞击作用增强。当星子生长到半径大于1700　km时，其逃逸速度大于2　km/　s，故此时星子以这徉的速度撞击时其能量足够使组成星子的矿物脱去挥发份。Gibson等人曾对陨石碰撞受热时释放活泼气体做了大量研究工作；Schultz与Kruso等对陨石碰撞受热时释放惰性气体做了细致研究工作；Kothar和GoeL对陨石碰撞受热时释放氮气做了全面的研究。他们的研究结果表明普通球粒陨石在碰撞后释放了H2O；CO2；CO；SO2；He；N2等气体：同时，其研究结果表明：NH3，和CH4等碳氢化合物并没有由撞击所产生。

　　若地球全部由原始陨石组成，大体计算可知原始陨石中大约只要有万分之三的平均含水量就可以形成目前地球的水圈。而目前的陨石研究资料表明：普通球粒陨石中H2O的平均含量在万分之三十以上、顽火辉石球粒陨石的平均含水量为万分之六十左右、碳质球粒陨石的达百分之一到百分之二十之多，虽然铁陨石的含水量极少，但按两份铁陨石一份球粒陨石组成地球的模型，地球矿物部分脱水仍可满足地球水圈的形成。

　　吸积增生作用的进行使星子不断增长，增长的结果，一方面使星子间的引力增强，另一方面使星子吸积气体逃逸速度增大，当一月球大小的星体以20　km/秒的速度撞击地球时便可以使地球上的全部大气逃逸，所以在地球吸积的晚期阶段可能有多次撞击生气、气体逃逸的旋回。由于太阳系星子密度的减小、撞击作用的增强以及早期强烈的太阳风驱赶使原始地球的轻气体组分逃逸，从而使原地球的大气逐渐形成富含H2O　；　CO2的及CO；H2；SO2；H2S；N2；NH3；HCI；CH4和稀有气体等组成的大气。　。。

第二节　　大气圈及海洋变迁
第二节　　大气圈及海洋变迁

　　地球环境的演化主要是指大气圈、水圈的形成与演化的过程。对于水圈来说，现代海洋海水占主导地位，故由水圈讨论海洋的形成演化过程。通过对大气圈中CO2分压的演化、海水pH值的演化与地球内部核转变能的演化之间的相关关系的比较研究不难发现：地球形成以来的环境演化是地球内部核转变能演化及其所导致的岩浆、火山、构造等活动作用的结果。

　　1、大气圈演化

　　由于太阳系是由同一原始星云形成，地球在形成的初期应当具有原始大气，它的成分和现在宇宙空间中的气体成分一致。在原始星云中，H元素最丰富，因此推测地球形成初期也应当具有以H和He为主体，以H的化合物为次要成分的还原性大气。

　　地球形成以后，地球的大气是次生的。大气圈的演化大至经历了以H2O；CO2；SO2；；H2S；N2；HCI；　CH4组成的火山型大气到H2O…CO2型大气再到N2…O2型大气的三阶段。主要是通过地球形成初期强烈的构造岩浆与火山活动脱气过程，释放出大量的CO2；CO；H2；H2O；SO2；；H2S；N2；；HCL；CH4等气体，组成地球早期的具有火山脱气成分的大气层。大气中的水汽冷凝形成海洋后，通过大气圈、水圈的相互作用，大气圈由火山气圈逐渐演化成为CO　2型气圈，再经历大气圈、水圈、生物圈、岩石圈间的相互作用，演化为今天的N2…O2型大气。

　　大气中H2　O随着地球表面温度的降低而冷凝为水，形成现代的水圈。在地球形成之后的演化过程中，水与CO2一样为保持地表温度的相对恒定起着重要作用。随着H2O的冷凝，HCl　；　SO2溶于水中，H2S溶于水中或经氧化后溶于水中进入水一岩体系使这些气体成分参与气一水一岩循环：

　　大气中CO2经历了一个由少到多再减少的过程。利用沉积矿物的共生组合特征来恢复大气CO2气体的分压值得出大气C02气体的演化可分为三个阶段（图2）：

　　1）地球形成以后到*　109年左右，CO2气体随地史演化过程中火山喷发等构造活动越积越多并达到最高值；

　　2　）　2　。　6　*　109年到*　109年左右（前寒武纪末），这个阶段大气CO2分压值随着全球性火山喷发周期而剧烈波动，在*　109年左右和*　109年左右出现低谷（一个大气压左右），在*　109年左右出现波峰（十几个大气压）；

　　3）　*　109年（前寒武纪末）以来，大气CO2分压继续下降，并趋向于某种低值条件下的动态平衡，最终降到现在的（陈福等，1988）

　　对于大陆、海洋形成之后大气圈中CO2的演化可考虑大气圈、大洋、大陆、海底以及地幔五个地球化学碳储库间碳循环过程（图3）。大气CO2溶于大气水降落地表，使陆地岩石（硅酸盐、碳酸盐）风化，在雨水淋滤、河流搬运下进入海洋，与海水中各种离子汇合并发生沉降，形成海底碳酸盐，海底碳酸盐随板块一起运动，最终冲到大陆地壳下面，一部分使大陆增生，经变质作用以火山脱气的形式返回大气；另一部分则进入地幔经熔融、再气化作用后，通过洋中脊释气、火山喷发、温泉释气等形式重新进入大气圈，构成碳循环过程（Tajik和Matsui；　1991）

　　地球形成后，大气圈氮气的演化过程基本上是火山喷发的N2的累积过程。火山喷气使大气圈中的N2不断增高，早期的N2由宇宙线照射或雷电效应的作用转化为NH3和NO3，NO3可与阳离子形成硝酸盐矿物，火山喷气形成的硝酸盐也起固氮的作用，但是目前认为硝酸盐矿物在自然界中易溶于水，只见于干燥炎热的沙漠地带的近代沉积物中，早期潮湿型气候条件下，自然固氮作用弱，故在生物初现之前，大气中氮气的浓度是不断积累而达到高于现在的水平；生物出现之后，由于NH3是生命产生的重要物质形式，生物固氮作用会使大气中的氮气有一个较大的降低（现代生物固氮作用约占自然固氮气的90　％　），然后在大气圈一水圈一生物圈中达到平衡形成现在的79％左右。

　　在地球的演化过程中，氧气的演化也可明显的分为生物出现前与生物出现后两个阶段。生物大规模出现前，O2随着H2O的光解作用的进行而不断地产生，现代大气中O2总量为克，如果不考虑其他氧气产生来源，则按照现代光解速度值（一般给出为4x　1011克/年）计算需要3x109年。同时大气中氧的积累受到大气中还原气体的制约。水光解产生的H2逃逸出地球，而早期产生的O2因氧化火山气体中的CO　；　CH4　；　H2　S等还原型气体而消耗，到火山作用渐渐减弱，才使氧气得以有所蓄积：根据地球历史中岩石记录信息，距今年开始出现的最老红层和鲡状赤铁矿层，可以说明大气中的氧气已经有了一定的水平，这时大气中氧的含量低于现代的水平；显生宙以来，特别是绿色植物中水的光解作用大规模出现后，绿色植物进行光合作用则地球上大气中O2；CO2与生物碳之间有如下关系：

　　光合作用：

　　nCO2＋mH2O＋光能　　　　　　　　Cn（H2O）m＋nO2

　　呼吸作用：

　　Cn（H2O）m＋O2　　　　　　　　nCO2＋mH2O

　　由此可以看出：植物光合作用生产一摩尔的有机物的同时产生一摩尔的氧气，而呼吸作用消耗一摩尔的有机物时也需要一摩尔的氧气，所以现存于地球上的有机碳的摩尔数即为生物氧的生成量。

　　年大规模的卤化物和硫酸盐蒸发沉积可说明氧含量的增高；到年，两栖类的出现，大陆植物的出现等表明大气中氧气的含量已经达到了一个较高的水平，我们认为这是大