第3章第1节过去全球变化的重建

第三章全球变化研究的主要途径全球变化的重建。全球变化的动态监测。全球变化的模拟。以残存的过去全球变化的产物为依据，反推形成产物的环境状态，进一步推测其成因机制。利用各种观测手段，对正在进行的全球变化过程进行实时跟踪观测，从中找出变化的规律。从全球变化的过程与成因机制出发，根据对全球变化过程的认识，建立数学模式，利用模式从已知的环境过程出发，演绎可能的环境状态及其产物。当前全球变化研究包括三种途径：重建、动态监测与模拟构成了全球变化研究的三个基本途径，它们是互相参校补充的。正确的重建结果最终有可能通过模式来表达，模型的可靠性亦需要通过重建的结果来评估，监测的结果可以使人们了解正在进行的环境演变过程，加深对环境过程的认识，使模式更为合理，同时也可以为模拟提供参数值或为重建提供指标值。本章内容：第1节过去全球变化的重建第2节全球变化的动态监测第3节全球变化的模拟第一节过去全球变化的重建重建全球变化历史，了解包括演变过程、时空分布形式、变化的区域差异等方面的规律。通过过去发生过的全球变化现象，探讨和认识全球变化的成因机制。利用重建的结果验证模式的可靠性或为模式的建立提供参数。由历史演变规律推测未来环境或为预测未来环境提供历史相似型。重要意义　　科学的全球变化研究是从过去的全球变化研究开始的，其在全球变化研究的重要意义在于：1、基本假设重建过去的全球变化就象组装一个没有样图的并且部件已残缺不全的智力玩具，且其各个部件是由不同材料制成的。进行这样的组装工作，所能依靠的那些能够找到的不同部件，相当于重建过去全球变化的各种证据；对各部件的功能与可靠性进行鉴定，相当于对过去全球变化的证据进行标定与校核；最后，根据有限的可靠的零部件复原该“智力玩具”的全貌或主体结构，相当于对过去的全球变化进行整体复原或部分地复原。是全球变化研究的最基本原理。包括：①自然法则在任何时间和空间上的不变性；②如果所研究的结果能够用现代可观察的过程来解释，就不会有假设的未知过程。1）均一性假设。（1）是指环境过程与其产物之间的协调统一。（2）同一环境状态下所形成的不同类型的产物之间存在协同关系，可以彼此参校、替代，共同指示其生成环境。（3）地区之间的协同性。（4）时间上的协调性。2）协同性假设。根据部分可以反映整体的全息学基本观点，环境可以由其可识别的全息源来反映。不同类型的全息源可以互相替代，在某一空间点上获取的环境信息可以代表一定的空间范围，某一时段的环境状态可由在此时间区间内的环境信息来表征。3）全息假设简单化是一切科学共同遵循的原则，是科学的灵魂，以上三个基本假设就是简单化原理在全球变化研究中的具体化。在科学中选择简单化并不是由于它可能最正确，而是因为从科学的角度看，它在可供选择的途径中可能最优。三个假设告诉人们如何寻找识别环境演变的信息，如何从残缺不全的信息推断环境的含义，以及如何由已知的部分去解释、推测未知的部分。2、环境属性信息类型观测 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。指借助于各种观测技术手段所获得的环境信息，如地面观测的气象、水文记录，空间观测获得的各种遥感数据等。记录规范，精度高，但时间尺度短，世界最长的气象观测记录只有300余年，大多数地区不足百年，而卫星遥感数据最长只有二、三十年，还有许多观测项目只是刚刚开始。特点：考古和历史文献记载。古环境感应体。指由人类物质文化活动而形成的物质和文字的记录，如古人类的遗址和遗物，有关物候、灾异、耕作制度的文字记录等。指在过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体。它们本身就是当时的环境过程的产物，记录了当时的环境状况，如古沙丘、黄土与古土壤、冰芯、树木年轮等。优点：缺点：具有更长的时间覆盖范围，分布地区广泛，能够弥补观测记录过短的不足，揭示更长时间尺度的全球变化历史。记录不规范、连续性差、记录混杂在其它多种干扰因素之中等，需要经过提取、鉴别才能使用。优缺点考古和历史文献记载与古环境感应体合称代用 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 。岩石（地层）不仅记录并保存了各种物理、化学和生物过程形成的沉积和地貌形态学信息，而且为一些生物学信息和人类文化信息提供了保存的场所；保存在冰雪圈中的冰芯记录了多种物理和化学过程；生物体在其生命活动过程中记录并保存了当时环境的信息；人类的考古遗址和历史记载也构成了十分有价值的过去全球变化的信息源。从这些信息源中可以提取出多种有价值的物理、化学、生物和人类文化信息。海洋沉积及深海沉积的氧同位素记录黄土与古土壤冰芯树木年轮3、代用资料1）海洋沉积及深海沉积的氧同位素记录大陆架是第四纪冰期—间冰期海面升降变化影响所及的地区，从浅海沉积物中不但能够获取海面变化、浅海地区的温度变化等信息，而且可以获取一定的有关陆地上的环境变化的信息。世界大洋彼此贯通，且沉积连续性好，用深海岩芯能够建立连续的、且能反映全球变化的时间序列。深海沉积中碎屑物质的含量及分布，能够获取有关大气环流状况、大气中尘埃物质含量等信息。海洋中浮游微体生物骨骼的富集在深海沉积过程中具主导地位，由有孔虫、放射虫等微体古生物的组合或特征种属的含量可以对古水温、古盐度等环境特征进行推断。利用有孔虫的碳酸盐介壳的18O/16O值能够定量地反映全球温度变化及冰量变化的特征。深海沉积氧同位素的变化变化原理在寒冷的冰期里，大陆冰盖扩展，大量的低18O含量的淡水被固定在冰盖中不再回归大洋，大洋中的18O含量显著增高，由于有孔虫介壳中的CO32-与大洋中的CO32-之间处在一定的平衡状态，因此介壳中的18O也相应地增高。另一方面，在有孔虫壳体的CO32-与周围海水中的氧同位素进行交换的过程中，18O进入到CO32-中的比重受温度的影响：水温升高，碳酸盐溶解度降低，浓集效应降低；水温降低，浓集效应增高。两种影响的效应是同向的，都是低温时18O/16O增大，根据δ18O值的变化，不但可以计算出有孔虫生存时期的温度，而且可以对全球冰量的变化进行推断。第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征，为风尘堆积作用和成土作用两种对立的过程彼此消长的结果。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古土壤层。因此，黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤则对应于相对温暖的间冰期。根据黄土层的风化程度和古土壤层发育程度的差别，可进一步推断环境在不同时期的差别。黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期—间冰期环境周期变化的反映，与深海氧同位素记录有良好的对应关系。2）黄土与古土壤粒度是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映了风力搬运强度的差别。同一黄土剖面中，古土壤层的粒度较黄土层细，这种纵向上的差别在不同地区可能有不同意义，在黄土高原的南部和东部主要反映风力强度（主要是冬季风）的变化，而在黄土高原的北部和西部则与作为物源区的沙漠的进退有密切关系。（1）黄土与古土壤中气候代用指标——粒度洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录（2）磁化率磁化率是物质被磁化难易程度的一种量度。Heller和刘东生认为，暖期的成土过程如脱钙、土壤压实作用可以引起顺磁颗粒的相对富集。Kukla等认为，黄土层中磁化率低是由于当时粉尘堆积快，古土壤中磁化率高则由粉尘堆积慢引起，等等。磁化率值的变化与气候变化尤其是降水量的变化有一定关系。黄土-古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标，黄土层和古土壤层之间磁化率的差别反映了夏季风强度的差别。洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录剖面古土壤S的磁化率远远高于黄土层L，说明古土壤S堆积形成时期气候湿热，成壤作用强烈，长期风化淋溶使原有铁磁性矿物相对富集。黄土Ｌ堆积时期气候冷干，风尘堆积物受到次生改造很弱，磁化率很低。（3）CaCO3黄土中的CaCO3作为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显，可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。黄土中含有较高的CaCO3，因降水较少，CaCO3迁移微弱，故CaCO3含量就高，反映较冷干的气候；土壤层中，由于水分条件较好，溶解的次生CaCO3大量移出土层，致使古土壤层中CaCO3含量较低。洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录黄土中大量CaCO3的存在表明，它堆积形成于一种干旱少雨的荒漠、半荒漠环境；古土壤S中CaCO3几乎被淋失殆尽，表明它形成于湿润多雨的环境。（4）孢粉孢粉是孢子和花粉的统称，它们分别是孢子植物和种子植物的繁殖器官。除少部分实现其繁殖功能外，绝大多数降落到地面后被埋藏在沉积物中。由于大气的湍流作用，孢粉在到达地面之前充分混合，在一定的区域内形成相对均一的孢粉雨。因此，一个地区的孢粉雨的组成能够反映所在地区的植被组成，是所在地区植被的函数。许多孢粉具有耐氧化、耐高温、耐溶解的质地坚硬的外壁，因此能够在沉积地层中长期保存下来，特别是在沼泽、泥炭地、湖底等积水的非氧化环境下更易保存。每种植物的孢粉具有显著区别于其它植物孢粉的特征，借助于显微镜分析鉴定技术可以确定沉积物中各种化石孢粉的类型。根据孢粉的组成及其随时间的变化，可以推断植被在时间和空间上的演化过程及环境的变化，如云杉、冷杉的孢粉组合代表了寒温带针叶林环境等。新疆罗布泊4号钻孔岩芯花粉谱全新世始终是荒漠草原植被3）冰芯极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终转换成冰，形成一个年层。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录之一是氧同位素比率δ18O。冰面温度会影响冰晶生长，根据冰芯中冰晶生长的形态来推断温度的变化。冰川的净累积率可以作为降水量变化的指标；在由雪转换成冰的过程中包裹在冰中的气泡里，记录着气泡生成时的大气成分；冰芯中的化学成分和微粒含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地球沙漠化和大气环流强度的状况；冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程；冰芯中的火山灰和强酸信号则记录了火山活动的历史；冰芯中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活动和地磁场强度变化的历史。5）树木年轮树木年轮是树木形成层周期性生长的结果，在季节差异明显的地区，温暖或湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早材和晚材合起来为一个年轮。一般情况下，树木每年向外生长一个年轮。树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十到几百年尺度全球变化的最重要的信息源之一。在树木横断面上年轮的宽度可以反映树木生长量的状况。每年年轮宽度的大小，与树木的年龄、前期生长状况和环境等多方面因素密切相关。如在温度起主导作用的森林北界或山地森林上限地区，低温年份年轮窄，高温年份年轮宽；在水分条件为限制因素的干旱、半干旱地区，宽轮对应于多雨年，窄轮对应于少雨年。在树木年轮中的缺轮、伪轮等异常变异年轮，有时可以用来反映冻害、虫灾、火灾等异常环境事件。提取的相关信息：根据年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环境的变化，其中碳13C/12C比值（δ13C）的变化还能够用来反映大气中CO2含量的变化及其对树木肥化作用，以及环境污染状况。根据树木年轮中14C的变化，可以推断大气中14C浓度的变化，并进一步推断导致大气中14C浓度变化的太阳活动和宇宙射线变化的历史。根据树木年轮中化学元素含量的变化，可以反映环境中化学元素的变化，如环境污染等。6）考古和历史文献记录考古和历史文献记录包括考古遗址、遗物和遗迹等各种考古发掘物，以及官方史书、宫廷档案、地方志、农书、类书、宗教卷案、航海日记、私人日记、文学作品和艺术品等各种文献记载。人口和聚落，包括人口数量，人口密度，人口迁移，人的寿命，健康状况，聚落的位置、密度和兴衰变化等；土地利用和生产状况，如土地利用的方式、作物品种、熟制、种植区域界限、作物的产量等；生活方式和习俗，如居住方式、使用的生活器皿、饮食习惯、墓葬方式等；交通状况，如交通手段、通达方式等；社会经济状况，如粮价物价、贸易状况、社会动乱等；重大工程建设，如运河、灌渠、堤坝等；提取的相关信息：各种灾异，如旱涝疫饥等；艺术与文化现象，如绘画、建筑风格；历史上各种自然现象、物候的记载以及观测记录如雨雪分寸、水位观测等。通过系统地搜集整理这些考古和历史文献记载所记录的信息，可以从中提取十分有价值的过去环境演变的证据，如建立干湿指数、冷暖指数、寒冻频率等环境演变序列，复原特征时期的环境状况等。根据丰富的考古和历史文献记载研究过去的环境演变是我国在世界上具优势地位的研究领域。气候变化划分：竺可帧教授(1973)研究了我国历史文献中大量的古气候记录，认为过去5000年中总共有四个寒冷期与温暖期交替出现。竺可桢.中国近五千年来气候变迁的初步研究.中国科学,1973,(1):168-189第一温暖期(3000~1100B.C.)，相当于仰韶文化时代至安阳殷墟文化时代。第一寒冷期(1100~770B.C.)，相当于西周时代第二温暖期(770~0B.C.)，相当于东周（春秋战国）和秦、西汉时期。第二寒冷期(0~600A.D.)，相当于东汉、三国、晋和南北朝时代第三温暖期(600~1000A.D.)，相当于隋、唐和五代时期。第三寒冷期(1000~1200A.D.)，相当于北宋和南宋时期。第四温暖期(1200—1300A.D.)，相当于南宋后期或元代的早期。第四寒冷期(1300~1900A.D.)，相当于元末和明、清时代。4、空间和时间位置信息一条全球变化信息不仅要能够在一定的精度范围内确定其所表征的环境状态，而且需要确定其发生的时间和空间位置，只有这样的信息才能用于重建过去的全球变化。判断全球变化代用资料的保存地点与其生成地是否一致，代用资料在保存期间是否发生再次的迁移，代用资料保存地本身的空间位置是否发生空间变化，代用资料的空间有效性与空间分辨率等问题。1）空间信息有关全球变化事件的空间位置的信息涉及：注意：那些具有很强的空间迁徙能力的代用资料容易出现异地保存的现象，即资料出现的地点并非在其生成的区域内。如：河流沉积物；动物；有气囊的花粉等。在代用资料生成后，其保存地本身的空间位置受到后期改造而发生了变化。如：大陆的漂移；新构造升降运动等的影响。2）时间信息过去全球变化事件发生时间的信息需要通过那些在过去时期生成并保存至今的、具有记录时间功能的、可识别的时间载体来获取。作为时间的载体需要具备两个基本特性，一是连续的，不缺失也不停顿；二是不可逆的，即一个可变状态对应一个时间。具有这些特性的载体应能连续地回答时间的流逝过程。地层表。即并不具有相同时限的时间-地层单位序列。根据时间的可变函数建立的曲线。包括只与时间有关的变量（a、b）和受环境控制的变量（c、d）两种情况。状态的极端情况：变量以两种状态出现（如地磁场的极性倒转），即d状态。 时间表 主播直播时间表格公司上下班时间表作息时间表模板项目开发时间表二战亚洲战场时间表 示体系的三种类型：绝对年代：利用各种新技术手段测定出的环境事件的确切年龄。它可由时间的可变函数来确定，可以确定事件在一个特定的时间体系中的具体年代；相对年代：环境事件的先后顺序。只能确定一个事件与其它事件的相对先后次序，通过与已建立起来的地质年代表进行对比，也可以知道事件发生的时段。环境事件发生的年代类型：对于各种全球变化过程和环境事件，只有将其置于时间标尺之上才有确切的意义，也才能从中找出规律性的东西。环境变迁中的断代（Dating）就是利用各种科学方法确定过去各种环境事件发生的年代（chronology）。（1）14C年代测年（2）古地磁测年介绍两种断代的方法：自然界中含有三个C同位素，12C、13C和14C，其相对含量分别为98.89％、1.108％和1.2×10-10％，其中14C是放射性同位素。大气中宇宙射线产生的中子轰击14N核产生14C，14C通过氧化或与CO2交换而包含在CO2中，并在大气圈和水圈中混合到达平衡浓度。1）14C年代测年14C年代测定(radio-carbondating)是利用同位素14C的放射性衰变原理来确定年代。原理：14C是是高空宇宙射线轰击大气中的氮原子而产生的，与氧结合形成14CO2进人大气和水中，为生物体吸收，并与自然界保持平衡。当生物死亡后体内14C得不到补充，按其衰变规律递减，使埋藏在地层中的有机体成为天然的“计时器”。测定生物化石、木炭、木头等14C含量，经过计算就可以求得其14C年龄。该方法适用于测定100~50000aB.P.以内的样品。测定14C年代的方法有两种：任一时刻14C的含量（N）可以表示为：N=N0e-λtβ衰变法，利用质谱仪测定样品中的14C所产生的放射性（每分钟每克碳衰变的次数），测量年限为＜5万年，改进后可测6.5万年以内的样品。1980年代兴起的加速质谱仪测量法（AMS）直接测量样品中14C原子的个数，所需样品仅几毫克纯碳，可测量年限达10万年。存在问题：14C测年的基本假设之一是自古以来大气中14C的含量是不变的，但宇宙射线强度、太阳黑子活动或地磁场的变化都可能引起大气中14C含量的变化，势必影响14C测年的准确性。对已知年代的树木年轮作14C年代测定发现，200年内的树木年轮，用14C测年的最大误差为160年；3000年以上随着年代的增大，误差也增大；树龄为4400年的年轮的14C年代为4000年，较实际年龄年轻400年。校正：为了使14C测年的结果能够和公元纪年的年代相对比，需要对14C年代数据进行校正，我国考古界最初使用的校正年表是达曼（Damon）年表（1972），现在通常使用的是1986年修订的新校正年表。（2）古地磁测年古地磁学是通过测定岩石和沉积物的天然剩余磁性，来研究地球磁场的变化过程。天然剩余磁性也可称为“化石磁性”。岩石或沉积物就记录了当时地球磁场的方向和强度。古地磁，又称自然剩磁，是指人类史前（地质年代）和史期的地磁场。各地质时代的岩石常有一定的磁性，指示其生成时期的磁极方向。剩余磁性类型：①热剩磁：岩浆在冷却成岩的过程中，当其温度低于居里点时(即冷凝点，大约500~650℃)，在地磁场中磁化而获得的磁性；②化学剩磁：化学岩在结晶或重结晶时，其中铁磁性物质在地球磁场中获得的磁性；③碎屑剩磁：碎屑物质在水和大气中沉积时，其中铁磁性颗粒从地球磁场获得的磁性。通过系统地测定沉积物剖面的剩余磁性，建立其极性序列，并与古地磁性年代对比，就可为沉积物地层断代。目前已经建立了过去500万年来的地球磁场极性倒转序列，并利用放射性同性素测年方法(K-Ar法)对各个转变界面作了年代测定，从而建立了 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 古地磁年代表。105～106年长度的极性变化称为极性期，与现代磁场方向相同的时期称正向极性期，反之称反向极性期。在每个正（反）向极性期内，存在着104～105年的短暂极性倒转，称反（正）极性事件。在地球历史上，地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次，称极性倒转。古地磁是只有两个状态的时变函数，一个状态变量不足以确定一个时间点，自己也不能确定绝对年代，因此严格地讲古地磁法不是一种独立的绝对年龄测定方法，而是一种比较年龄测定方法。古地磁年表中的绝对年代通常是用K-Ar法放射性同位素测年技术来确定的。基于极性倒转的古地磁测年方法，可用于0.05～1MaBP的年代测定。可用于古地磁测年的样品包括火山沉积物、黄土、湖泊沉积、海洋沉积等。5、重建过去全球变化的主要步骤对各种过去全球变化信息的识别与提取、对过去全球变化的证据进行标定与校核、过去的全球变化的整体或部分地复原等几个步骤。全球变化信息的识别和提取就是把那些能够用来表示环境状态变化的各种物理的、化学的和生物的信息从信息源中分离出来，并转换成为可用于表征环境变化的环境参数。识别一种信息源中可包含多种类型的环境参数。如冰芯中可提取碳、氧同位素比率、冰川的净累积率、大气成分、化学成分、微粒含量等多种信息；同一种环境参数也可以赋存于多种信息源之中。如孢粉在泥炭沉积、湖泊沉积、黄土，甚至冰芯中均可以保存。绝大多数信息与其它信息相互混杂，淹没在大量与全球变化无关的或尚不可识别的信息之中，提取有些信息可以通过直接的观察而获取。如湖泊阶地、冰楔、冰卷泥等地貌和沉积现象，地层的相对年代等。随着科学技术的进步，利用分析测试技术可以获得更多的肉眼无法观测得到的信息。其获取信息的过程通常包括观察取样、实验室分析测试、数据转换等几个环节。当全球变化的产物用于反映其生成环境时，需确定其所代表的环境意义，即对其进行信息的标定。环境过程、产物与环境状态之间协同关系的均一性是进行环境标定的基本前提。从这一前提出发，就可以把在某一时期内建立起来的环境产物与环境状态之间的协同关系应用于其它时期，标定环境演变产物的残遗所代表的环境意义。标定环境状态决定着环境过程及其产物的特点。由于环境与其产物之间关系的复杂性，以及人们对这种复杂性认识的有限性，在由产物反推环境状态时存在着许多不确定因素。校核每种环境产物都形成于一定的环境幅度内，因此用产物推断环境状态时，所能确定的仅仅是生成的环境范围，而不是其生成时的具体环境值。由于系统的复杂性，一种环境产物的生成可能受到多种因素的作用，因此很难由一种产物本身判断是哪种因素起决定性作用。随机因素影响所生成的产物或其它环境状态下形成的产物混杂其间，使得对环境状态的反映出现混乱。原因：克服、降低上述不确定性的一个有效途径就是对过去全球变化的信息进行综合校核。