不稳定
P2 平均地表温度 P2 P1 稳定平衡态 不稳定 平衡态
平衡系统对强迫的响应
• 在自然界中，简单的扰动很少存在，更多 的是持续的强迫在影响系统，在强迫下， 稳定的负反馈循环很可能回不到初始的稳 定平衡状态。那么在太阳光度增加的强迫 下，雏菊世界会何处何从？
太阳光度增加对雏菊世界的影响
平均地表温度
全球变化—单一学科不能解决的问题
• 哥本哈根会议上各国代表的政治博弈
温室效应和全球变暖
温室效应 • 真实存在的自然过程 • 地球本身释放的温室气体 的保温作用 全球变暖 • 有数据支撑的一个假说 • 人类活动下化石燃料的燃 烧增加排放的温室气体的 增温作用
短时间尺度的全球变化
• 全球变暖：认识——争议——统一
• 进阶读物
• Rui Xin Huang-Ocean Circulation_ Wind-Driven and Thermohaline Processes (2009) • G. Tyler Miller, Scott Spoolman-Sustaining the Earth , Tenth Edition -Brooks Cole (2011)
稳定平衡状态和不稳定平衡状态
不稳定 平衡态 稳定平衡态 稳定平衡态
正反馈循环的稳定性
玩具被拿走 孩子吵闹水平 父母生气水平取决 于孩子吵闹水平
孩子吵闹水平取决 于父母生气水平
父母生气水平 孩子吵 闹水平 父母生 气水平
反馈循环（正）
自然系统反馈循环与理想模式的不同
• 自然系统的成分通常是能量和质量的累加 或者蓄积，而且它们的响应不仅仅取决于 瞬间刺激，还与以前刺激的积累有关。响 应还经常具有一定的滞后时间。在以上孩 子与父母的例子中，如果父母和孩子的生 气都是累积的，那么这种正反馈会逐步升 级直到失控。
• 6550万年前小行星撞击墨西哥尤卡坦半岛 希克苏鲁伯地区（2010年科学杂志）；证 据，全球K-T地层分界线富铱黏土层
小结
• 三个问题：当前全球环境问题、早期全球 变化、地球系统的运行 • 人类可以在很多方面改变环境：全球变暖、 臭氧层空洞、森林砍伐和物种灭绝 • 人类活动的影响可以通过历史时期的资料 来证实：冰芯记录二氧化碳浓度变化、K-T 边界与白垩纪—古近纪物种大灭绝的对应
• 基本教材
• • • Lee R. Kump,James F. Kasting,Robert G. Crane-The Earth SystemPearson (2009) Brian J. Skinner, Barbara W. Murck-The Blue Planet- An Introduction to Earth System Science -Wiley (2011) Steven M. Stanley-Earth System History, 3rd Edition-W. H. Freeman (2009)
自然界的平衡
• 对于只包含一个简单反馈循环的系统来说 ：如果反馈循环是负的，该系统就有一个 稳定的平衡状态；而反馈循环是正的，该 系统则很难达到平衡状态或只能瞬间维持 一个不稳定的平衡状态。 • 自然系统往往同时包含了正负反馈循环子 系统，因此简单的反馈图难以表达自然系 统规律，需要运用数学方法分析
地球系统对强迫的反馈
• 前面曾经提到为了解释早年地球生命存在 于太阳辐射强度的佯谬， James Lovelock 提出了Gaia假说，但一直苦于难以验证， 但是后来他找到了一个充满想象力的验证 方法。
雏菊世界
• 上世纪80年代大型计算机兴起以后，他设 计了一个叫做“雏菊世界”的模型，并通 过计算机模拟得到了很好的验证，给Gaia 假说提供了依据。
北极海冰最小范围变化
北极海冰融化的效应
积极效应 • 欧洲北美贸易的“西北海 上通到”每年可以通航数 周 • 环北冰洋带的城市可能得 到发展 负面效应 • 北极熊以及因纽特人生存 危机 • 格陵兰冰盖加速融化导致 海平面升高
海冰融化是否会导致海平面升高
• 阿基米德定律：浸没在液体中的物体受到 向上的浮力作用，浮力的大小等于被取代 的液体的重量
对二氧化碳浓度的观测
• Keeling曲线：夏威夷最高点Mauna Loa山 山顶（海拔4300米），此地空气来自广袤 无人的西太平洋上空，基本可排除点源污 染的影响
Keeling曲线
Keeling曲线证明的事实
• • • • • 近50年二氧化碳的浓度在增加 这种增加趋势在去1958年以前就存在 近50年二氧化碳浓度呈现加速增长趋势 二氧化碳浓度存在着规律的年内波动趋势 一些自然现象可以在短暂数年内影响变化 趋势，但并不对总体变化趋势构成影响
雏菊世界模型简介
雏菊覆盖度与地表温度
平均地表温度
雏菊覆盖度
雏菊覆盖度
平均地表温度
雏菊覆盖度与地表温度
考虑极限值的雏菊覆盖度对温度 变化的响应
最佳生长温度
雏菊覆盖度 最低温度
最高温度 平均地表温度 平均地 表温度 雏菊覆 盖度
平均地 表温度
雏菊覆 盖度
雏菊世界的平衡状态
P1 雏菊覆盖度 P1 P2 平均地 表温度 平均地 表温度 稳定 雏菊覆 盖度 雏菊覆 盖度
太阳光度的变化
早期太阳暗淡佯谬
• 根据太阳光度随时间变化情况显示，早期 地球会远比现在寒冷 • 目前的实测结果显示38亿年前地球就有液 态水的存在，而35亿年前就有生物体存在 了 • 可能的解释：地球早期的温室气体含量远 高于现在。 • 随之而来的问题：温室气体为何能够随着 太阳变亮而降低？是因为巧合还是地球本 身具备维持稳定的机制？
反馈循环
• 空调的例子中，成分之间的两个耦合形成 的一个“往返”，即反馈循环。反馈是一 个变化和对变化响应的自我延续机制。 • 例图 空调温度 体温
正耦合
体温 体温
负耦合 反馈循环（负）
空调温度 空调温度
反馈循环实例
• 学生A期中考试考砸了，老师B找他谈话，老师的 谈话方式可能是（讨论）。可能的结果是（讨论） • 老师B严厉批评，学生A知耻后勇，期末考试丰收 （负反馈循环，批评成为激励） • 老师B严厉批评，学生A自暴自弃，期末考试继续 退步（正反馈循环，批评成为打击） • 老师B好言安抚，学生A重塑信心，期末考试丰收 （负反馈循环，安抚成为打气） • 老师B好言安抚，学生A忘乎所以，期末考试继续 退步（正反馈循环，安抚成为放纵）
耦合
• 从人体生理的这些例子可以看出，人体 “系统”的组成部分不是独立存在的，它 们相互关联，使得信息从一个成分传向下 一个成分。这些关联称作耦合。
系统内部的各种耦合
• 例子：空调 • 正耦合：在正耦合中，一个成分的变化是 导致与之相关联的成分发生同方向变化的 促进因素。用箭头表示 • 负耦合：在负耦合中，一个成分的变化是 导致与之相关联的成分发生反方向变化的 促进因素。用圆形箭头表示
太阳光度增加
太阳光度不变
雏菊覆盖度
雏菊世界的耦合对强迫的响应
P1’ 雏菊覆盖度 P1 ΔT0 P2’ ΔTf P2 平均地表温度 P2 P1’ ΔT0：无反馈时的温度变化 ΔTeq ：新旧稳定平衡的温度变化
Keeling曲线不能证明的事情
• 1958年以前大气中的二氧化碳是如何变化 的 • 二氧化碳是从什么时候开始增加的
探寻1958年以前二氧化碳浓度
• 在实测数据难以获得的情况下，我们应该 如何去了解历史上的二氧化碳浓度？ • 南北两极冰盖中能够找到答案！通过钻取 冰芯可以获得冰盖中久远年代封存的气泡， 并获得历史上的二氧化碳浓度值。
Dome C数据证明了什么
• 地球历史上二氧化碳浓度与温度高度正相 关，说明把全球变暖归因与温室气体浓度 增加是有依据的 • 地球历史上每过一定的时间会发生一次二 氧化碳浓度激增，然后伴随着数十万年的 缓慢减少，如此循环，这是什么原因？
地质年代表
古生物大灭绝
• Gubbio的铱和K-T边界：
白垩纪—古近纪大灭绝研究进展
Gaia假说
• James Lovelock在1972年提出：维持地球 气候稳定的正是生物自身，生物可以通过 光合作用或改变二氧化碳进入碳酸盐的速 度来使地球保持合适的生存环境。也就是 说地球本身是一个具有自我调节功能的系 统。
Gaia假说
• 这是一个难以得到验证的论断，但是这个 假说提示人们去认识地球系统本身及其运 作规律，以及系统各部分的功能。
地球系统科学
陆胤昊
课程简介
考核方式
• 考勤20分
– 4*5
• 课堂参与10分 • 平时作业20分
– 一次
• 期末考试50分
– 开卷 – 内容以课件为准，题型另行通知
2015-5-17 3
学科背景介绍
• 过去的地学教学的局限性 • 地学前沿研究的内在需要 • 人类生存和可持续发展的客观要求
教材与参考用书
近万年二氧化碳浓度变化
与其他温室气体浓度变化比较
工业革命以来的全球地表温度
温室气体对气候的改变
对于数据结果的质疑和争议
• 仪器或测量方法变化前后数据序列的对齐 问题 • 气象站如何规避城市热岛效应 • 测试点分布的变化以及全球密度的不均 • 新近测试点时间序列短的问题
其它争议
• 20世纪70年代的北半球短暂降温以及硫酸 盐气溶胶的降温作用。观点一：燃煤尾气 脱硫是70年代以后气温升高的罪魁祸首； 观点二：二氧化碳浓度是决定性因素。 • 实际情况：硫酸盐气溶胶会随着降雨在几 周内被清除，而二氧化碳的温室作用则是 由累计浓度决定的，因为二氧化碳一旦排 放出来，可以在大气中停留上百年。
系统理论和方法
• 系统方法在几乎所有领域中都有所运用： 包括自然科学和社会科学的各个分支。一 个很好的例子就是人体生理学。 • 人体由很多系统组成，这些系统共同执行 维持生命的各项功能：如吸入氧气排出二 氧化碳的呼吸系统；用来进行血液循环、 携带氧气和二氧化碳在整个人体运行的心 血管系统，加工食物并为全身活动提供燃 料的消化系统；感受内外环境变化并控制 其他系统活动的神经系统等