杜君健

(天津商業(yè)大學,天津 300134)

全球變暖下的地球調(diào)節(jié)機制

杜君健

(天津商業(yè)大學,天津 300134)

近年來國際社會對CO2的關(guān)注日益增多,尤其是對其爭論也達到了前所未有的程度．文章對全球變暖下的地球調(diào)節(jié)機制進行了梳理,得出以下觀點和結(jié)論:1)全球變暖的主要因素是人類活動;2)二氧化碳主要貯藏于海洋;3)全球變暖的地球調(diào)節(jié)的最后機制是冰川溶解后所形成的新的冷事件,全球開始了一個新的冰期以進一步固定二氧化碳;4)全球升溫后,帶來了農(nóng)業(yè)的繁榮和發(fā)展,農(nóng)作物進行光合作用對二氧化碳的需要量很大,這一現(xiàn)象進一步平衡或固定了二氧化碳．地球是一個古老的星球,其對于自身的調(diào)節(jié)具有令人稱奇的能力,因此在確定全球變暖時,應當更全面地審視地球這個古老星球的調(diào)節(jié)機制．

全球變暖;冰川溶解;冰期;固定二氧化碳;地球調(diào)節(jié)機制

如今,全球變暖已經(jīng)成為一個不可爭議的事實,然而地球具有其自身的調(diào)節(jié)能力,海洋對于CO2的溶解作用;冰川對于全球洋流的影響;以及植物對于CO2固定的作用;偶然或必然的天地脈動對于地球的影響均是不可忽視的因素,而這些地球自有的調(diào)節(jié)機制,會使得地球本身逐漸恢復自身的平衡或固有的特性．

1 全球變暖及溫室氣體

地面氣象觀測資料表明,20世紀全球地面年平均氣溫上升了約0.5 ℃～0.6 ℃,其中在最后20年中氣溫上升了約0.3 ℃～0.4 ℃．[1]而進一步地,IPCC于2007年公布第四次評估報告指出:溫室氣體過量排放造成全球氣溫上升0.74 ℃[2]．首先溫室氣體是指農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動排放的CH4，CO2，N2O，PFC，HFC，SF6等氣態(tài)物質(zhì)對于全球地表氣溫有較強的保溫作用．而國際社會普遍認為,CO2過量排放是造成溫室效應增強的最主要原因．IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)第一工作組第四次評估報告指出,全球變暖已是一個無可爭議的事實．過去100 a(1906-2005年)全球地表平均溫度升高0.7(0.57 ℃～0.95 ℃);2005年全球大氣二氧化碳濃度379 mg/kg,為65萬a來最高;王瑞元于1989年提出2030年大氣中的二氧化碳濃度由目前的340 mmp上升到600 mmp,比工業(yè)革命前的大氣濃度285 mmp增加一倍,那時全球溫度將上升3 ℃[3]．根據(jù)Svant Arrhenius經(jīng)過至少1萬次手工計算后就曾得出大氣中的CO2濃度增加1倍,將使地表平均溫度比工業(yè)化以前升高約3 ℃～5 ℃[4]．

2 海洋對于CO2的溶解作用

海洋是二氧化碳最大的貯藏者和最大的生產(chǎn)者,同時也是二氧化碳最大的消費者．在整個海洋中或水圈中的碳素約為大氣中的碳素的60倍;在混和層中只有560×1015g,即5 600億t碳素,略少于大氣圈,這給生長在洋面的大量水生植物,例如浮藻等提供了充足的光合作用的原料;海洋內(nèi)部即大氣海洋混和層以下的海洋中的CO2貯藏量約為42 000×1015g[5]87,即42萬億t碳素．水下植物吸收水中碳素將碳素進一步固結(jié)為水下植物,值得指出的是CO2作為植物細胞主要的合成原料,其濃度的提高會進一步促進浮藻的生長和海洋植物的固碳效率．而魚類、蝦類等海生小型生物的食物就是這些能夠固結(jié)碳素的浮藻,浮藻的生長繁盛后使得魚蝦類餌料充足,促進該食物鏈階層的繁殖;同理大型海洋生物亦因此而大量繁殖．自此海洋中的CO2逐漸被固定為海底魚類的尸體,經(jīng)過數(shù)萬年的埋藏被固定在大型魚類身上的CO2以石油的方式固定于洋地．

同時值得進一步討論的是,處于混合層的CO2交換十分頻繁,而處于海洋表層下的水域與混合層海水部分進行交換,加之洋流及熱帶氣旋等對流天氣,季風引起海面的波動,攪動了海水促進了交換,在拉尼娜效應下,涌升流更是不斷將海底未飽和的CO2涌至水面,而混合層的海水沉入海底,拉尼娜及厄爾尼諾效應交替出現(xiàn)使海水不斷翻涌,溶解了大量的CO2即:

3CO2+2H2O2H2CO3

形成了大量不穩(wěn)定的碳酸．但由于海洋底溫度較低,又使大量不穩(wěn)定的碳酸逐步趨于穩(wěn)定,故而給深海植物帶來了大量的碳素,使其生長加快,同時也加快了生物固碳的效果．

因此,一方面通過海水不斷翻涌交換,形成了大量的碳酸,從而促進了水生物的繁殖,但另一方面隨著碳酸作為水下植物細胞的主要合成原料,不斷被浮藻、魚蝦、大型海洋生物,洋底石油所固定,大大減緩了水生物的繁殖,直接導致碳酸的減少．所以海洋在很大程度上控制著碳濃度,維持著大自然的碳平衡．

3 北大西洋冰川溶解及洋流異常

地球是伴隨著一個個漫長的冰期,同時在每一個冰期的末尾會出現(xiàn)一個短暫而溫暖的間冰期,而每一個間冰期的結(jié)束均是以一個冷事件的發(fā)生而致使全球性的氣溫驟降,其過程最短不足100 a．根據(jù)王紹武先生的研究:中國古里雅冰芯反映了YD(Younger Drsys,簡稱YD,出現(xiàn)于12.5～11.5 kaBP)總降溫達12.8 ℃,最大降溫速率1 ℃/100a,但升溫達到10 ℃/100a的量級,所以可以證明變冷和變暖是十分迅速的[6]．

那么在升溫迅速的今天,一個大家共同擔心的問題即氣溫上升造成北極以及南極冰川消融,以至于造成海面上升,淹沒沿海海拔較低的城市以及整個國家,但卻很少有人更多關(guān)注氣溫上升結(jié)束后,是否會有一個冷事件的發(fā)生．

資料來源: 王紹武,羅勇,趙宗慈,等.全球變暖會導致氣候嚴寒嗎[J].科技導報.2004,7:8～10

表1為THC的三種模態(tài),第一種是現(xiàn)代模態(tài),第二種和第三種模態(tài)相當于冰期中期或H(Heinrich事件,即冰蓋傾瀉所致的氣溫劇降的事件)事件,第三模態(tài)即熱鹽環(huán)流關(guān)閉[7]P9．

王紹武先生研究指出:由于全球氣候變暖融冰,以及降水量的增加,導致北大西洋北部淡水輸入量增加,使北大西洋深水的熱鹽環(huán)流減弱,進而北冰洋的冷水無法抵達南方使得該地區(qū)長期保持低溫環(huán)境,從而完全可能導致北半球一些地區(qū)氣候變冷[7]P9.據(jù)我國相關(guān)數(shù)據(jù)顯示我國近50 a來,全國平均的炎熱日數(shù)呈現(xiàn)現(xiàn)下降后增加的趨勢,同時近20 a以來上升較明顯[8].

自1987年以來北極海冰面積以0.27%/a的平均速率退縮[9],這一數(shù)據(jù)可進一步引起氣候的反向均衡特性隨著海冰的退縮造成該地區(qū)水汽資源大大豐富,隨著大量的降水的開始將成為自然均衡的起點,作為歷史上YD(Yonger Dray)事件的事實就是一次類似與上述氣候現(xiàn)象相似的氣候突變,以及由全球變暖導致的氣候突變性轉(zhuǎn)變．

伴隨著全球變暖,致使北冰洋冰蓋大量傾泄、破碎的同時,也進一步伴隨著洋流逐漸融化大量的海冰,而海冰中蘊含大量遠古生物所產(chǎn)生的CO2等一系列的溫室氣體,而這些溫室氣體長期封存在古冰蓋中,一旦融化,根據(jù)溫室效應的理論,這些數(shù)量無法估計的溫室氣體將會進一步融解海冰,海冰帶來大量的淡水,浮在北大西洋北部使北大西洋深水的熱鹽環(huán)流關(guān)閉,減弱了北大西洋北部深水底水的形成,減少了墨西哥灣暖流攜帶暖水自南向北的輸送,因此使歐洲及北美東部氣候變冷[10-11]．

熱鹽環(huán)流的關(guān)閉,即一個新的冷事件的開始,雖然其規(guī)模不能和YD事件相媲美,但是這卻不得不引起足夠重視．一旦氣候轉(zhuǎn)冷,北半球重新形成大面積冰蓋,大面積冰蓋的形成,使得地面對太陽輻射的反射率大大增高,使得熱量無法積累,更進一步地使全球變冷．根據(jù)沈志寶先生的研究,在冬季氣溫和地溫極低的情況下,雪的反射率的異常及其持續(xù)時間與降雪量之間有較好的相關(guān)性[12].如在藏北那曲地區(qū)地面反射率在無雪覆蓋的情況下為0.25,但在新雪覆蓋后最大反射率可達0.80[13]．由此新雪覆蓋將使高原地面凈輻射為負值,從而使高原的加熱效應消失,變?yōu)槔鋮s效應,而這種冷卻效應又將延長雪面覆蓋時間,從而形成雪面覆蓋冷卻效應的反饋過程．北大西洋的暖流(及墨西哥灣暖流)減弱形成新的冷事件．而新的冷事件一旦使全球進入冰期,那么CO2的固定作用將再次開始．

對于百萬年級的地球碳循環(huán),地球依然存在依靠溫度,對這一地球的非自然狀態(tài)的異常濃度加以平衡．

4 植物的CO2固定與氣溫變化的影響

4.1植物的碳固定

大氣中的二氧化碳一方面通過綠色植物的光合作用,不斷地被固定為碳水化合物;另一方面通過呼吸作用和自然氧化過程不斷補充到大氣中去．

首先值得提出的是CO2是一種農(nóng)業(yè)資源,就我國而言二氧化碳濃度倍增使我國冬夏均變暖且降水量增加．而對于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量除華南外均呈增加趨勢,全國平均產(chǎn)量增加9.5%[14]．同時李繼由[5]P89先生指出增加空氣中的CO2濃度可以明顯地提高光合作用的強度,并且在溫室中合理地施用CO2能使黃瓜、西紅柿收獲量提高25%～30%．可見二氧化碳濃度提升會使植物光合作用的原料碳素提高,大大提高了植物固碳效率,地球在CO2平衡破壞后,植物開始使CO2重建平衡,隨著植物固碳效率的提高,會同時催生出新的大量植物,在充足存有碳素的情況下,植物的生命力會顯得極其旺盛．樹木的固碳能力較之魚類固碳相類似,但有所不同的是,樹木的碳素固定,可以樹木本身的形態(tài),即擁有百年際的碳貯藏能力,而進一步逐漸埋藏于地下的朽木,亦可轉(zhuǎn)化為石油或者煤炭以純粹的能量形態(tài)將碳固定．在理想環(huán)境下,植物固碳將會以一種類似經(jīng)濟學上的“蛛網(wǎng)模型”的均衡,在地球上達到一個植物和碳素的均衡點．

4.2氣溫上升對物候的影響

同時從熱量角度來考慮在全球變暖的大趨勢下,全球各地區(qū)積溫普遍有一定的提高．這給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了很好的熱量條件,同時氣溫上升使得近地面盛行上升氣流,較易形成降雨,同時由于氣溫上升使得蒸發(fā)量加大,大大促進了洋面的水汽蒸騰,給陸地帶來大量降雨,同時應當注意的是干旱地區(qū)將愈加干旱,但由于干旱區(qū)農(nóng)業(yè)以滴灌技術(shù)使用地下水,所以短期內(nèi)對于農(nóng)業(yè)不會有較大影響．但對于世界糧食主產(chǎn)區(qū),較好的水熱配合以及前文所述的CO2對于糧食的增產(chǎn)作用使得農(nóng)業(yè)得到大幅的增收,而增收的糧食大都來源于空氣的CO2以及土壤中的碳素．

基于遙感數(shù)據(jù)對中國溫帶植被的物候分析表明,在1982-1999年間,中國溫帶春季物候平均每年提前0.79天,生長季年平均延長1.16天[15]，中國物候春季的提前以及等種植線的北移使得植物固碳的速度大大提升,同理在山區(qū)的等自然帶的上移也擴大了植物可生長的總面積．

當然氣候的變暖確實使得更廣大的土地可以從事農(nóng)牧業(yè),但另一方面確實也會導致熱帶地區(qū)農(nóng)作物蟲害增多以及由于海冰融化導致濱海土壤鹽漬化的不爭的事實．但值得說明的一點是,從歷史上來看繁榮總是伴隨著氣溫的上升,而長期的動亂亦伴隨著氣溫下降[16]．即糧食供應量不足造成的社會短缺從而導致的饑饉以及更進一步的社會沖突．亦即文明總是伴隨著氣溫的升高而得以建立．

5 結(jié)論

根據(jù)竺可楨先生對我國5 000年中最初2 000年亦即從仰韶文化到安陽殷墟,大部分時間的平均溫度高于現(xiàn)在2 ℃左右．一月溫度比現(xiàn)在高3 ℃-5 ℃期間上下波動,其中最低溫度出現(xiàn)在公元前1 000年、公元400年、1 200年、1 700年;其擺動范圍為1 ℃-2 ℃．在每一個四百至八百年得期間力,可以分出50至100年為周期的小循環(huán),溫度范圍是0.5 ℃-1 ℃[17]

時下主要盛行的觀點是溫室氣體溫室效應說,但我們也許要看到大氣系統(tǒng)的復雜性,以及全球變暖的不確定性．為此本文建立以下模型式(1):

∑O+∑L+∑I?∑P

(1)

O——海洋非冰蓋范圍各條件對的調(diào)節(jié)作用；

L——陸地非冰蓋地區(qū)各條件對的調(diào)節(jié)作用；

I——海、陸冰川對的調(diào)節(jié)作用；

P——非自然因素釋放的溫室致暖效應.

目前人類對自然的影響程度遠超自然自我調(diào)節(jié)能力,如果人類想要控制自身對自然的影響程度,那么可以基于式(1)各項參數(shù)進行調(diào)節(jié)和控制．我們應當看到人類改變大自然的一項參數(shù)時,地球?qū)圆徽撌呛Ｑ?、還是冰川造成全球變冷,以低溫帶動碳的重新冰封,這也是植物自身的碳素固定的方式,地球?qū)ㄟ^自身調(diào)節(jié)機制使所有參數(shù)趨向于均衡值．

綜上所述,地球有其自身的調(diào)節(jié)作用,作為一個古老的星球——地球總是在用著自身的特點在均衡氣候的異常性．而本文所述之全球變暖亦屬于全球氣候非正常變異的一個特例．那么覆蓋全球69%面積的海洋以其自身的溶解性特點充當了防止地球氣候進一步趨于異常化的最為溫和的控制手段;如果海洋的溶解性無法達到控制全球以后異?；淖饔脮r,那么失控的地球氣溫將由北冰洋海冰溶解造成大量水汽以及淡水的產(chǎn)生,加之水汽盛行,地球的西風帶逐漸變得異常多雨,使得北冰洋淡水量大大增加進而導致北大西洋雙泵模型崩潰．使得北冰洋冷水大量淤積,為新一次的全球冷事件做充分的準備,直至某項特殊的氣候事件將導致目前溫暖的氣候迅速進入嚴寒期．當然除了地球本身的物理特性的調(diào)節(jié)外,自然界的調(diào)節(jié)亦不容忽視,在二氧化碳濃度高于平均水平時導致植物生長最基礎(chǔ)的碳元素異常充足,大大促進了植物固碳速率．

我們所需要做的是如何控制不過量地影響大氣系統(tǒng),否則量變最終會逐漸引起質(zhì)變,這一現(xiàn)狀依靠地球自身調(diào)節(jié)機制是難以在短期改變的．全球變冷也許是地球?qū)τ谔脊潭ǖ淖詈笫侄?但對于人類來說確實是一個以萬年計的災難．或許屆時我們應當會考慮如何更多地增加溫室氣體,而那時是否還有那樣多的能源讓人類制造溫室氣體,以提高全球氣溫,這將是另一個嶄新的課題．

[1] 王寧練,姚檀棟.20世紀全球變暖的冰凍圈證據(jù)[J].地球科學進展,2001,1(16):98-105

[2] 方精云,朱江玲,王少鵬.全球變暖、碳排放及不確定性[J].中國科學,2011,10(41):1385-1395

[3] 王瑞元.溫室效應與21世紀全球氣候[J].災害學,1989,9:94-96

[4] 張坤民,溫宗國.中國關(guān)于全球變暖的觀點與對策[J].中國軟科學,2001,7:6-11

[5] 李繼由.試論農(nóng)業(yè)氣候資源——二氧化碳[J].自然資源,1985,4:89-94

[6] 楊志紅,姚檀棟,黃翠蘭,等.古里雅冰芯中國新仙女木事件記錄[J].科學通報,1997,42(18):1975-1978

[7] 王紹武,羅 勇,趙宗慈.全球變暖會導致氣候嚴寒嗎[J].科技導報,2004,7:8-10

[8] 丁一匯,任國玉,石廣玉,等.氣候變化國家評估報告(Ⅰ):中國氣候變化的歷史和未來趨勢[R].氣候變化研究進展,2006,1(2):3-8

[9] 秦大河,陳振林,羅 勇.氣候變化可學的認知[J].氣候變化進展,2007,2(3):63-73

[10] BROECKER W S,PETEET D M，RIND D.Does the ocean-atmosphere system have more than one stable mode of operation[J].Nature.1985,315:21-26

[11] BROECKER W S,BOND G,KLASM,et al.A salt oscillator in the glacial Atlantic,the concept[J].Paleoceanography,1990,5:469-478

[12] 沈志寶.藏北地區(qū)冬季降雪后地面反射率的變化及對地面輻射能收支的影響[M].見:青藏項目專家委員會編.青藏高原形成演化.環(huán)境變遷與生態(tài)系統(tǒng)研究學術(shù)論文年刊(1995).北京:科學出版社,1996:196-202

本系統(tǒng)通過使用Qt應用框架呈現(xiàn)出人機交互界面，采用QTextStrea流對象實現(xiàn)對QFile對象所關(guān)聯(lián)的文件進行讀寫操作，采用Qt信號槽機制實現(xiàn)學生記錄的增，刪，改，查等功能。本程序是在學習完C++程序設(shè)計這門課程后的一個集繼承、圖形界面、事件處理等面向?qū)ο缶幊讨R的綜合應用的實例程序，對于初學者來說，能更好地培養(yǎng)面向?qū)ο缶幊趟季S及編程興趣，便于理解及掌握，并且對《C++程序設(shè)計》課程教學有一定的參考作用。

[13] 陳有虞,姚蘭昌,王文華.青藏高原那曲地區(qū)的輻射狀況及其年變特征[J].高原氣象,1985,4(增刊):50-64

[14] 高素華.來來30年氣候?qū)ξ覈r(nóng)業(yè)的可能影響[M].見:氣候異常對農(nóng)業(yè)影響的試驗研究課題組編.中國氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的試驗與研究,北京:氣象出版社,1991:6-8

[15] PIAO S L,FANG J Y，ZHOU L M,et al.Variations in satellite-derived phenology in China’s temperate vegetation[J].Glob Change Biol,2006,12:672-685

[16] 趙文林,謝淑君.中國人口史[M].北京:人民出版社,1988

[17] 竺可楨.中國近五千年來氣候變遷的初步研究[J].考古學報,1972,2(1):168-189

Research on Earth’s Adjustment Mechanism Against the Global Warming

DU Junjian

(School of Economics, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

In recent years, the international community is concerned more and more on the issue of CO2; the controversy around it has also reached an unprecedented level. This paper reviews the global warming of the Earth adjustment mechanism, and draws the following views and conclusions:1) The main factor of global warming is human activity.2) Carbon dioxide lays in the ocean.3) The last regulation mechanism of the global warming of the Earth is a new cold event formed after the dissolution of the glacier; the world began a new Ice Age to fix carbon dioxide.4) Global warming has brought prosperity and development of agriculture and the crop photosynthesis requires a huge amount of carbon dioxide which further balances or fixes carbon dioxide. Earth is an ancient planet which has the amazing ability to its own regulation, so the adjustment mechanism should be more comprehensively considered as this ancient planet gets warmer.

global warming; dissolved glaciers; ice age; carbon dioxide fixation; earth adjustment mechanism

2015-07-14

杜君健(1991-),男，山西壽陽人，天津商業(yè)大學，主要從事地質(zhì)溫序研究.

1672-2027(2015)03-0070-05

P4

A