杜君健

(天津商業(yè)大學(xué),天津 300134)

全球變暖下的地球調(diào)節(jié)機(jī)制

杜君健

(天津商業(yè)大學(xué),天津 300134)

近年來(lái)國(guó)際社會(huì)對(duì)CO2的關(guān)注日益增多,尤其是對(duì)其爭(zhēng)論也達(dá)到了前所未有的程度．文章對(duì)全球變暖下的地球調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了梳理,得出以下觀點(diǎn)和結(jié)論:1)全球變暖的主要因素是人類活動(dòng);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(jī)制是冰川溶解后所形成的新的冷事件,全球開(kāi)始了一個(gè)新的冰期以進(jìn)一步固定二氧化碳;4)全球升溫后,帶來(lái)了農(nóng)業(yè)的繁榮和發(fā)展,農(nóng)作物進(jìn)行光合作用對(duì)二氧化碳的需要量很大,這一現(xiàn)象進(jìn)一步平衡或固定了二氧化碳．地球是一個(gè)古老的星球,其對(duì)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(shí),應(yīng)當(dāng)更全面地審視地球這個(gè)古老星球的調(diào)節(jié)機(jī)制．

全球變暖;冰川溶解;冰期;固定二氧化碳;地球調(diào)節(jié)機(jī)制

如今,全球變暖已經(jīng)成為一個(gè)不可爭(zhēng)議的事實(shí),然而地球具有其自身的調(diào)節(jié)能力,海洋對(duì)于CO2的溶解作用;冰川對(duì)于全球洋流的影響;以及植物對(duì)于CO2固定的作用;偶然或必然的天地脈動(dòng)對(duì)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(jī)制,會(huì)使得地球本身逐漸恢復(fù)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(cè)資料表明,20世紀(jì)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(jìn)一步地,IPCC于2007年公布第四次評(píng)估報(bào)告指出:溫室氣體過(guò)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(dòng)排放的CH4，CO2，N2O，PFC，HFC，SF6等氣態(tài)物質(zhì)對(duì)于全球地表氣溫有較強(qiáng)的保溫作用．而國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為,CO2過(guò)量排放是造成溫室效應(yīng)增強(qiáng)的最主要原因．IPCC(聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì))第一工作組第四次評(píng)估報(bào)告指出,全球變暖已是一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)．過(guò)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(wàn)a來(lái)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(shí)全球溫度將上升3 ℃[3]．根據(jù)Svant Arrhenius經(jīng)過(guò)至少1萬(wàn)次手工計(jì)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(duì)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(shí)也是二氧化碳最大的消費(fèi)者．在整個(gè)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(zhǎng)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(wàn)億t碳素．水下植物吸收水中碳素將碳素進(jìn)一步固結(jié)為水下植物,值得指出的是CO2作為植物細(xì)胞主要的合成原料,其濃度的提高會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)浮藻的生長(zhǎng)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(zhǎng)繁盛后使得魚蝦類餌料充足,促進(jìn)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(guò)數(shù)萬(wàn)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(shí)值得進(jìn)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(jìn)行交換,加之洋流及熱帶氣旋等對(duì)流天氣,季風(fēng)引起海面的波動(dòng),攪動(dòng)了海水促進(jìn)了交換,在拉尼娜效應(yīng)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(yīng)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(lái)了大量的碳素,使其生長(zhǎng)加快,同時(shí)也加快了生物固碳的效果．

因此,一方面通過(guò)海水不斷翻涌交換,形成了大量的碳酸,從而促進(jìn)了水生物的繁殖,但另一方面隨著碳酸作為水下植物細(xì)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(dǎo)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(gè)個(gè)漫長(zhǎng)的冰期,同時(shí)在每一個(gè)冰期的末尾會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫而溫暖的間冰期,而每一個(gè)間冰期的結(jié)束均是以一個(gè)冷事件的發(fā)生而致使全球性的氣溫驟降,其過(guò)程最短不足100 a．根據(jù)王紹武先生的研究:中國(guó)古里雅冰芯反映了YD(Younger Drsys,簡(jiǎn)稱YD,出現(xiàn)于12.5～11.5 kaBP)總降溫達(dá)12.8 ℃,最大降溫速率1 ℃/100a,但升溫達(dá)到10 ℃/100a的量級(jí),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(gè)大家共同擔(dān)心的問(wèn)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(méi)沿海海拔較低的城市以及整個(gè)國(guó)家,但卻很少有人更多關(guān)注氣溫上升結(jié)束后,是否會(huì)有一個(gè)冷事件的發(fā)生．

資料來(lái)源: 王紹武,羅勇,趙宗慈,等.全球變暖會(huì)導(dǎo)致氣候嚴(yán)寒嗎[J].科技導(dǎo)報(bào).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(dāng)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(dǎo)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(jìn)而北冰洋的冷水無(wú)法抵達(dá)南方使得該地區(qū)長(zhǎng)期保持低溫環(huán)境,從而完全可能導(dǎo)致北半球一些地區(qū)氣候變冷[7]P9.據(jù)我國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示我國(guó)近50 a來(lái),全國(guó)平均的炎熱日數(shù)呈現(xiàn)現(xiàn)下降后增加的趨勢(shì),同時(shí)近20 a以來(lái)上升較明顯[8].

自1987年以來(lái)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(jìn)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(kāi)始將成為自然均衡的起點(diǎn),作為歷史上YD(Yonger Dray)事件的事實(shí)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(dǎo)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?jī)A泄、破碎的同時(shí),也進(jìn)一步伴隨著洋流逐漸融化大量的海冰,而海冰中蘊(yùn)含大量遠(yuǎn)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(zhǎng)期封存在古冰蓋中,一旦融化,根據(jù)溫室效應(yīng)的理論,這些數(shù)量無(wú)法估計(jì)的溫室氣體將會(huì)進(jìn)一步融解海冰,海冰帶來(lái)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(gè)新的冷事件的開(kāi)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(duì)太陽(yáng)輻射的反射率大大增高,使得熱量無(wú)法積累,更進(jìn)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(shí)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(wú)雪覆蓋的情況下為0.25,但在新雪覆蓋后最大反射率可達(dá)0.80[13]．由此新雪覆蓋將使高原地面凈輻射為負(fù)值,從而使高原的加熱效應(yīng)消失,變?yōu)槔鋮s效應(yīng),而這種冷卻效應(yīng)又將延長(zhǎng)雪面覆蓋時(shí)間,從而形成雪面覆蓋冷卻效應(yīng)的反饋過(guò)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(jìn)入冰期,那么CO2的固定作用將再次開(kāi)始．

對(duì)于百萬(wàn)年級(jí)的地球碳循環(huán),地球依然存在依靠溫度,對(duì)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(guò)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(guò)呼吸作用和自然氧化過(guò)程不斷補(bǔ)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(guó)而言二氧化碳濃度倍增使我國(guó)冬夏均變暖且降水量增加．而對(duì)于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量除華南外均呈增加趨勢(shì),全國(guó)平均產(chǎn)量增加9.5%[14]．同時(shí)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(qiáng)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(jiàn)二氧化碳濃度提升會(huì)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(kāi)始使CO2重建平衡,隨著植物固碳效率的提高,會(huì)同時(shí)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(huì)顯得極其旺盛．樹(shù)木的固碳能力較之魚類固碳相類似,但有所不同的是,樹(shù)木的碳素固定,可以樹(shù)木本身的形態(tài),即擁有百年際的碳貯藏能力,而進(jìn)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(huì)以一種類似經(jīng)濟(jì)學(xué)上的“蛛網(wǎng)模型”的均衡,在地球上達(dá)到一個(gè)植物和碳素的均衡點(diǎn)．

4.2氣溫上升對(duì)物候的影響

同時(shí)從熱量角度來(lái)考慮在全球變暖的大趨勢(shì)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(lái)了很好的熱量條件,同時(shí)氣溫上升使得近地面盛行上升氣流,較易形成降雨,同時(shí)由于氣溫上升使得蒸發(fā)量加大,大大促進(jìn)了洋面的水汽蒸騰,給陸地帶來(lái)大量降雨,同時(shí)應(yīng)當(dāng)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(duì)于農(nóng)業(yè)不會(huì)有較大影響．但對(duì)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(duì)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(lái)源于空氣的CO2以及土壤中的碳素．

基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)溫帶植被的物候分析表明,在1982-1999年間,中國(guó)溫帶春季物候平均每年提前0.79天,生長(zhǎng)季年平均延長(zhǎng)1.16天[15]，中國(guó)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(kuò)大了植物可生長(zhǎng)的總面積．

當(dāng)然氣候的變暖確實(shí)使得更廣大的土地可以從事農(nóng)牧業(yè),但另一方面確實(shí)也會(huì)導(dǎo)致熱帶地區(qū)農(nóng)作物蟲害增多以及由于海冰融化導(dǎo)致濱海土壤鹽漬化的不爭(zhēng)的事實(shí)．但值得說(shuō)明的一點(diǎn)是,從歷史上來(lái)看繁榮總是伴隨著氣溫的上升,而長(zhǎng)期的動(dòng)亂亦伴隨著氣溫下降[16]．即糧食供應(yīng)量不足造成的社會(huì)短缺從而導(dǎo)致的饑饉以及更進(jìn)一步的社會(huì)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(duì)我國(guó)5 000年中最初2 000年亦即從仰韶文化到安陽(yáng)殷墟,大部分時(shí)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(dòng),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(dòng)范圍為1 ℃-2 ℃．在每一個(gè)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(shí)下主要盛行的觀點(diǎn)是溫室氣體溫室效應(yīng)說(shuō),但我們也許要看到大氣系統(tǒng)的復(fù)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(duì)的調(diào)節(jié)作用；

L——陸地非冰蓋地區(qū)各條件對(duì)的調(diào)節(jié)作用；

I——海、陸冰川對(duì)的調(diào)節(jié)作用；

P——非自然因素釋放的溫室致暖效應(yīng).

目前人類對(duì)自然的影響程度遠(yuǎn)超自然自我調(diào)節(jié)能力,如果人類想要控制自身對(duì)自然的影響程度,那么可以基于式(1)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制．我們應(yīng)當(dāng)看到人類改變大自然的一項(xiàng)參數(shù)時(shí),地球?qū)?huì)以不論是海洋、還是冰川造成全球變冷,以低溫帶動(dòng)碳的重新冰封,這也是植物自身的碳素固定的方式,地球?qū)?huì)通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)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(gè)古老的星球——地球總是在用著自身的特點(diǎn)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(gè)特例．那么覆蓋全球69%面積的海洋以其自身的溶解性特點(diǎn)充當(dāng)了防止地球氣候進(jìn)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(wú)法達(dá)到控制全球以后異?；淖饔脮r(shí),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(fēng)帶逐漸變得異常多雨,使得北冰洋淡水量大大增加進(jìn)而導(dǎo)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(zhǔn)備,直至某項(xiàng)特殊的氣候事件將導(dǎo)致目前溫暖的氣候迅速進(jìn)入嚴(yán)寒期．當(dāng)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(shí)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)最基礎(chǔ)的碳元素異常充足,大大促進(jìn)了植物固碳速率．

我們所需要做的是如何控制不過(guò)量地影響大氣系統(tǒng),否則量變最終會(huì)逐漸引起質(zhì)變,這一現(xiàn)狀依靠地球自身調(diào)節(jié)機(jī)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(duì)于人類來(lái)說(shuō)確實(shí)是一個(gè)以萬(wàn)年計(jì)的災(zāi)難．或許屆時(shí)我們應(yīng)當(dāng)會(huì)考慮如何更多地增加溫室氣體,而那時(shí)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(gè)嶄新的課題．

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本系統(tǒng)通過(guò)使用Qt應(yīng)用框架呈現(xiàn)出人機(jī)交互界面，采用QTextStrea流對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)QFile對(duì)象所關(guān)聯(lián)的文件進(jìn)行讀寫操作，采用Qt信號(hào)槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)學(xué)生記錄的增，刪，改，查等功能。本程序是在學(xué)習(xí)完C++程序設(shè)計(jì)這門課程后的一個(gè)集繼承、圖形界面、事件處理等面向?qū)ο缶幊讨R(shí)的綜合應(yīng)用的實(shí)例程序，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，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(duì)《C++程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)有一定的參考作用。

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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(yáng)人，天津商業(yè)大學(xué)，主要從事地質(zhì)溫序研究.

1672-2027(2015)03-0070-05

P4

A