高中地球科学/气候变化

在过去的两个世纪里，气候相对稳定。人们在气候宜人的地方建造农场和城市，没有考虑到气候可能会发生变化。但气候在整个地球历史上一直在变化，稳定的气候并不常见。近年来，地球气候再次开始变化。这种变化主要是由于人类活动向大气中排放温室气体而导致的变暖。变暖的影响已经开始显现，随着气温的升高，这些影响将变得更加极端。

课程目标

描述气候变化如何成为地球历史的重要组成部分。
讨论哪些因素会导致气候变化，以及哪些因素会因人类活动而加剧。
讨论大气中温室气体浓度升高的后果，已经测量的影响以及未来可能发生的影响。

地球历史上的气候变化

气候在整个地球历史上一直在变化。有时，地球的气候比今天更热、更潮湿，但气候也比今天更冷，当时冰川覆盖了地球的更多地区。最近的冰河时代发生在更新世时期，即 180 万年前到 1 万年前（图 17.27）。冰川在循环中前进和后退，被称为冰期和间冰期。由于地球上大部分水都被锁定在冰中，所以海平面比今天低约 125 米（395 英尺）。我们目前处于一个温暖的间冰期，已经持续了大约 1 万年。

冰期期间的全球平均气温可能仅比地球目前的平均气温低 5.5°C（10°F）。间冰期期间的温度比今天高约 1.1°C（2.0°F）（图 17.28）。请注意，相当小的温度变化会对全球气候产生重大影响。在过去的 90 万年中，地球的平均气温变化小于 5°C。一些科学家认为冰川会再次前进，但不会在几千年内发生。

自更新世末期以来，全球平均气温上升了约 4°C（7°F）。冰川正在消退，海平面正在上升。与地球历史上大部分时间相比，气候一直相对温和且稳定。气候稳定对人类文明有利。稳定性促进了农业的扩张以及城镇和城市的建立。虽然气候正在稳定变暖，但在过去的 1 万年中，出现了几次更极端的暖期和冷期。公元 900 年至 1300 年的中古温暖期允许维京人殖民格陵兰岛，并在不列颠种植葡萄。当气候在 14 世纪到 19 世纪的小冰期变冷时，维京人被迫离开格陵兰岛，人类不得不将农作物种植在更南的地方。

短期气候振荡

随着条件在不同状态之间振荡（或变化），短期气候变化很常见（图 17.29）。其中最大且最重要的变化是厄尔尼诺和拉尼娜条件之间的南方涛动。这种振荡大约每两到七年驱动全球范围内的气候变化。

在正常年份，信风从东向西（向东南亚方向）吹过赤道附近的太平洋，将暖水堆积在西太平洋，并将海平面提高了半米。与此同时，沿着南美洲西海岸，秘鲁洋流将冷水向北输送，来自深海的冷而富含营养的水涌升。当秘鲁洋流接近赤道时，它会沿着信风的方向向西穿过太平洋。

当水温达到约 28°C（82°F）时，信风会减弱或反向，从东向西（向南美洲方向）吹。厄尔尼诺周期开始了（图 17.30）。暖水被拖回太平洋，加热中太平洋和南美洲西海岸的海面。由于表面有温暖的低密度水，南美洲海岸没有发生上升流。没有上升流，营养物质稀缺，浮游生物数量下降。由于浮游生物是食物链的基础，鱼类无法找到食物，鱼类数量也随之减少。所有以鱼类为食的动物，包括鸟类和人类，都受到鱼类减少的影响。

厄尔尼诺事件在全球范围内的气候发生变化时改变了大气和海洋的环流模式。一些地区降雨量超过平均水平，包括北美洲和南美洲西海岸；美国南部；以及西欧。南美洲其他地区、西太平洋、非洲南部和北部以及欧洲南部出现干旱。

厄尔尼诺周期持续一年到两年，并在中太平洋暖水团再次向东移动时结束。正常的环流模式恢复，但有时它们更快、更强烈。这种模式具有东太平洋异常寒冷的水，被称为拉尼娜（图 17.31）。厄尔尼诺事件每三到七年发生一次，但强度各不相同。

其他重要的振荡规模更小，具有区域性而不是全球性影响。北大西洋涛动主要改变欧洲的气候。地中海也经历着循环，有时干燥，有时温暖潮湿。

气候变化的原因

许多自然过程会导致气候变化。太阳产生的能量可能发生变化。由于地球绕太阳运行，地球轴倾角和轨道也会发生数千年的变化。数百万年以来，在板块构造运动的驱动下，我们大陆的位置发生了变化。随机的灾难性事件，例如大型小行星撞击，会导致气候突然剧烈变化。人类活动极大地增加了大气中的温室气体含量，这通过给地球增温来影响全球气候。

太阳振动

太阳辐射的能量是可变的。太阳黑子是太阳表面上的磁风暴，以 11 年的周期增减（图 17.32）。当太阳黑子数量多时，太阳辐射也相对较高。但太阳辐射的全部变化相对于太阳辐射的总量来说非常小，并且气候变化中没有已知的 11 年周期。小冰期对应于太阳上没有太阳黑子的时期。

板块构造

板块构造运动会改变气候。数百万年来，随着海洋的开合，洋流可能以不同的方式分配热量。例如，当所有大陆都合并成一个超级大陆（如盘古大陆）时，几乎所有地方都会经历大陆性气候。当大陆分离时，热量分布更均匀。板块构造运动可能有助于冰河时代的开始。当大陆位于极地附近时，冰可以积累，这可能会增加反照率并降低全球温度。足够低的温度可能会引发全球冰河时代。

板块构造还会引发火山爆发，向大气中释放尘埃和 CO₂。普通的火山爆发，即使是大规模爆发，对天气的影响也只有短期。1991 年菲律宾皮纳图博火山爆发产生的火山灰使全球气温在一年内下降了约 0.5°C (0.9°F)。大规模的流体熔岩爆发可以淹没地表，释放出更多的气体和尘埃，改变气候多年。这种类型的火山爆发极其罕见；自人类在地球上居住以来，还没有发生过这种类型的爆发。

小行星撞击

如果一颗大型小行星撞击地球，它可能会引发大灭绝。这很可能发生在白垩纪末期，大约 6500 万年前。一颗直径 10 公里（6 英里）的小行星撞击了墨西哥东南部的尤卡坦半岛。当时地球上大约 85% 的物种灭绝，包括恐龙。被踢到高空大气的尘埃聚集在一起，变成岩石，然后落到地面。幸存下来的生物不得不忍受极度寒冷，因为尘埃阻挡了太阳光线多年。光合作用减缓，地球冷却到许多物种无法忍受的水平。

米兰科维奇循环

最近地球历史中最极端的气候是更新世。科学家将一系列冰河时代归因于地球相对于太阳的位置变化，称为米兰科维奇循环。

地球围绕太阳运行时，其相对于太阳的位置会发生规律的变化。

地球的轨道形状在它围绕太阳运行时会发生轻微变化。我们的轨道在更圆形和更椭圆形之间变化，周期为 90,000 到 100,000 年。当轨道更椭圆时，冬夏之间的太阳辐射差异更大。
地球在其自转轴上摇摆。在这个 27,000 年的周期的一个极端，北半球指向太阳，此时地球最接近太阳。夏季比现在热得多，冬季比现在冷得多。在另一个极端，北半球指向太阳时，它离太阳最远。

太阳。这导致夏季凉爽，冬季温暖。

地球的自转轴倾角在 22.1° 和 24.5° 之间变化。季节是由地球自转轴的倾斜造成的，现在为 23.5° 角。当倾斜角较小时，夏季和冬季的温差较小。这个循环持续 41,000 年。

当这三种变化绘制出来时，会出现大约 100,000 年的气候模式。冰河时代与米兰科维奇循环密切相关。由于冰川只能在陆地上形成，因此冰河时代只发生在陆地覆盖极地地区的时候。因此，米兰科维奇循环也与板块构造有关。

大气温室气体增加

大气中的温室气体捕获从地球表面辐射出来的热量。因此，温室气体水平下降会降低平均气温。温室气体增加会提高气温。温室气体水平在地球历史上一直在变化。例如，CO₂ 在地球大气中的浓度曾低于 200 ppm（百万分率）和高于 5,000 ppm。但在 650,000 年或更长时间内，无论是在冰川期还是间冰期，CO₂ 都没有超过 300 ppm。间冰期的 CO₂ 水平高于冰川期（图 17.33）。

火山爆发、有机物的腐烂或燃烧等自然过程会将温室气体排放到大气中。当植物吸收 CO₂ 时，温室气体也会从大气中去除。当植物死亡并在地球深处变成化石燃料（煤炭、石油、天然气）时，它们所含的 CO₂ 会与它们一起储存。将 CO₂ 储存在地下会将温室气体从大气中去除，降低地球的平均气温。

现在，人类活动正在将大量这些储存的 CO₂ 释放到大气中。虽然人类燃烧木材和煤炭来满足他们的能源需求已有数十万年，但化石燃料的使用在过去 200 年（自工业革命以来）急剧增加。在过去几十年中，化石燃料的使用激增，因为人口增长，需要更多汽车、房屋和工业来供电。为了开垦土地用于农业，焚烧雨林会阻止正在生长的树木从大气中去除 CO₂，并将储存在雨林树木中的所有 CO₂ 释放出来。随着需要喂养的人越来越多，雨林的破坏也在增加。

CO₂ 是人类活动影响最重要的温室气体。而且，在水蒸气之后，CO₂ 是最丰富的温室气体。但其他温室气体也在增加。甲烷来自牲畜养殖、水稻生产和雨林植物的不完全燃烧。氯氟烃 (CFC) 是 20 世纪发明并广泛使用的合成化学物质。对流层臭氧主要来自汽车尾气，自 1976 年以来增加了一倍多。所有这些气体都像 CO₂ 一样起着温室气体的作用。

全球变暖

随着越来越多的温室气体捕获热量，全球平均年气温正在上升。这被称为全球变暖。现在大气中的 CO₂ 比工业革命前 200 年增加了近 40%。自 1958 年在夏威夷莫纳罗亚火山首次进行 CO₂ 测量以来，大约 65% 的增长发生在（图 17.34）。

美国一直是温室气体排放量最大的国家，2004 年占全球排放量的约 20%（图 17.35）。中国是第二大排放国（18.4%），其次是欧盟（11.4%）。由于中国经济快速增长，2008 年初，中国的 CO₂ 排放量可能超过美国。然而，也要记住，美国的人口只有中国的 1/5。因此，美国普通公民产生的温室气体远多于中国普通公民。如果不对 CO₂ 排放速度采取任何措施，到 2030 年，CO₂ 排放量预计将比 2002 年高 63%。

未来几十年 CO₂ 水平将上升多少尚不清楚。这取决于发展中国家的 CO₂ 排放量增加多少。这也取决于发达国家的技术进步或生活方式变化会增加还是减少排放。如果不对温室气体排放采取任何措施，它们以目前的速率继续增加，到 2050 年，地球表面温度预计将上升 0.5°C 到 2.0°C（0.9°F 到 3.6°F），到 2100 年将上升 2° 到 4.5°C（3.5° 到 8°F），CO₂ 水平将超过 800 ppm（百万分率）（图 17.36）。另一方面，如果很快开始严格限制 CO₂ 排放，到 2100 年温度上升可能不到 1.1°C（2°F）。无论气温上升多少，它都不会在全球范围内均匀分布。上升 2.8°C（5°F）将导致赤道地区上升 0.6° 到 1.2°C（1° 到 2°F），而极地地区将上升 6.7°C（12°F）。到目前为止，全球变暖对北极的影响大于南极。

**图 17.36**：各种气候预测模型显示到 2100 年气温可能会上升多少。

由于全球变暖，地球和生物正在发生变化，这些变化已经可以观察到。虽然气温自更新世结束（10,000 年前）以来一直在上升，但这几十年的上升速度更快，自 1990 年以来甚至上升得更快。有记录的八个最热年份都发生在 1998 年之后，而 14 个最热年份都发生在 1990 年之后（截至 2007 年）（图 17.37）。

由于这些高温，冰川正在融化，冰盖正在边缘断裂（图 17.38）。多年冻土正在融化，导致曾经被冻结的地区出现沼泽。融化的冰盖将水注入海洋，因此海平面正在上升（图 17.39）。此外，水在变暖时会略微膨胀，这种膨胀约占观测到的海平面上升变化的四分之一到一半。由于温暖的空气可以容纳更多水分，因此风暴变得更加强烈。因此，天气可能会更加恶劣，热浪和干旱更多。更多的降雨有时会导致洪水泛滥。

**图 17.38**：自 1985 年以来，博尔德冰川已经融化了很远。世界各地其他山地冰川也在融化。

**图 17.39**：近几十年来，海平面一直在上升。这里代表了 23 个具有长期记录的地质稳定潮汐计站点。

动植物正在感受到气候变化的影响。冬季变短，因此一些动物正在改变它们的季节性行为：例如，春季迁徙的时间更早。由于地表海洋温度升高，世界各地的珊瑚礁正在死亡。一些地区的森林也在死亡，因为温暖的天气使昆虫害虫能够将它们的活动范围扩展到曾经太冷的地区。随着地表海洋变暖，浮游植物的生产力下降。一些曾经在农业上边缘化的地区现在不再适合耕种，因为它们变得太温暖或太干燥。

随着温室气体增加，变化将更加极端。海洋将变得略微酸化，这将使带有碳酸盐壳的生物（包括珊瑚礁）更难以生长。一项监测太平洋西北部海洋酸度的研究发现，海洋酸度增加的速度是预期的十倍，10% 到 20% 的贝类（贻贝）被耐酸藻类取代。

为了寻求更凉爽的气温，植物和动物物种需要向两极移动 100 到 150 公里（60 到 90 英里）或向上移动 150 米（500 英尺），以应对全球气温每升高 1.0°C（8°F）。由于森林物种无法如此迅速地迁移，因此生物多样性将遭受巨大损失。即使它们能够迁移，人类开发也会阻碍它们的蔓延，并阻止它们在许多新区域定居。公园和野生动物保护区可能会变成空无一物的保护区。生物学家已经记录了高海拔物种的灭绝，因为它们无处可去。

积雪减少、冰川缩小和春季提前到来，这些因素都会减少世界某些地区的水资源，包括美国西部和亚洲大部分地区。冰川将继续融化，海平面预计将在 2100 年上升 18 到 97 厘米（7 到 38 英寸）（图 17.40）。如此大的上升将逐渐淹没大约三分之一世界人口居住的沿海地区，迫使数十亿人向内陆迁移。

热浪将更加严重，与高温相关的疾病和死亡人数将增加。干旱可能会使许多边缘地区变得无法居住。一些模型预测，美国中西部将变得过于干旱而无法支持农业，而目前生产我们最佳农产品的地区将移至加拿大。总的来说，如果二氧化碳浓度翻倍，全球约 10% 到 50% 的现有耕地可能变得无法使用。

尽管科学家们并不都同意，但飓风可能会变得更加严重，甚至更加频繁。飓风在发展中国家造成巨大的人员伤亡，在发达国家造成财产损失。热带和亚热带昆虫的活动范围将扩大。这将导致疟疾、脑炎、黄热病和登革热等热带疾病的传播。

您可能会注意到，上面给出的数值预测包含了较大的范围。例如，海平面预计将在 18 到 97 厘米之间上升——这是一个相当大的范围。这种不确定性部分是由于科学家无法准确预测地球将如何应对温室气体浓度的增加。温室气体在未来几年内积累的速度在一定程度上取决于我们做出的选择。

课程总结

地球的气候一直在变化。总的来说，当温室气体浓度高时，气温就高。
温室气体目前正在增加，这是由于人类活动，特别是化石燃料使用造成的。
我们已经看到了这些不断上升的温室气体带来的影响，例如气温升高以及物理和生物系统发生变化。
社会必须选择减少温室气体排放，否则将面临更加严重的后果。

复习问题

为什么气候目前正在变暖？
为什么海平面在间冰期和冰期期间会上升和下降？
格陵兰岛的人类历史如何与气候周期相关？
为什么人类文明直到全新世结束才开始显着发展？
如果地球历史上曾经出现过更温暖的气候，那么我们为什么现在需要担心全球变暖？
当加州沿海的天气特别多雨，冬季风暴频繁时，赤道太平洋在南方涛动方面可能发生了什么？
1972 年，秘鲁凤尾鱼渔场崩溃。根据您对气候和食物网的了解，您能解释一下这一事件吗？
发生冰河时代必须具备哪些条件？
人类哪些活动会导致大气中温室气体增加？
为什么预计未来几十年二氧化碳排放量会大幅增加？
发达国家在未来几十年二氧化碳排放量增加中扮演着什么角色？
为什么随着全球气温升高，风暴的频率和强度也会增加？
地球正在经历一些重要的变化，其中一些变化是已知的，并由卫星监测。描述卫星可以监测的全球变化类型。
如果到本世纪末海平面上升 60 厘米（2 英尺）会发生什么？哪些地方将受到最严重的影响？
可以采取哪些措施来减少温室气体排放？

词汇

小行星: 在太阳系中运行的一块岩石或冰块。
厄尔尼诺: 南方涛动的一部分，其中信风减弱或反转方向，暖水在南美洲附近的海面上积聚。
全球变暖: 由于人类活动导致的全球平均气温的整体上升。
拉尼娜: 南方涛动的一部分，其中信风比正常情况更强，南美洲附近的海面水温较低。
大规模灭绝: 在较短的时间内，地球上 25% 或更多的物种灭绝的现象。
米兰科维奇循环: 地球相对于太阳的位置循环变化，影响全球气候，导致大约 100,000 年的周期。
南方涛动: 太平洋大气低压和高压条件反转的现象。
太阳黑子: 太阳黑子是太阳上的磁性太阳风暴，会导致太阳辐射略微减少。太阳黑子以 11 年的周期出现和消失。

思考点

几乎所有气候科学家都同意，人类活动是导致我们今天看到地球加速变暖的原因。您认为为什么媒体

仍然在谈论这种观点的争议，而科学家几乎完全一致？

如果必须降低温室气体排放量才能避免全球变暖的一些更严重后果，那么为什么人类没有采取行动降低这些

排放量，而是任其增加？

在减少温室气体排放方面，如何才能取得进展？从不同的层面进行思考：个人、当地社区、国家和全球社区。

← 世界气候 · 生态系统与人类种群 →