全球变暖下的地球调节机制

杜君健

(天津商业大学,天津 300134)

全球变暖下的地球调节机制

杜君健

(天津商业大学,天津 300134)

近年来国际社会对CO2的关注日益增多,尤其是对其争论也达到了前所未有的程度．文章对全球变暖下的地球调节机制进行了梳理,得出以下观点和结论:1)全球变暖的主要因素是人类活动;2)二氧化碳主要贮藏于海洋;3)全球变暖的地球调节的最后机制是冰川溶解后所形成的新的冷事件,全球开始了一个新的冰期以进一步固定二氧化碳;4)全球升温后,带来了农业的繁荣和发展,农作物进行光合作用对二氧化碳的需要量很大,这一现象进一步平衡或固定了二氧化碳．地球是一个古老的星球,其对于自身的调节具有令人称奇的能力,因此在确定全球变暖时,应当更全面地审视地球这个古老星球的调节机制．

全球变暖;冰川溶解;冰期;固定二氧化碳;地球调节机制

如今,全球变暖已经成为一个不可争议的事实,然而地球具有其自身的调节能力,海洋对于CO2的溶解作用;冰川对于全球洋流的影响;以及植物对于CO2固定的作用;偶然或必然的天地脉动对于地球的影响均是不可忽视的因素,而这些地球自有的调节机制,会使得地球本身逐渐恢复自身的平衡或固有的特性．

1 全球变暖及温室气体

地面气象观测资料表明,20世纪全球地面年平均气温上升了约0.5 ℃～0.6 ℃,其中在最后20年中气温上升了约0.3 ℃～0.4 ℃．[1]而进一步地,IPCC于2007年公布第四次评估报告指出:温室气体过量排放造成全球气温上升0.74 ℃[2]．首先温室气体是指农业和工业活动排放的CH4，CO2，N2O，PFC，HFC，SF6等气态物质对于全球地表气温有较强的保温作用．而国际社会普遍认为,CO2过量排放是造成温室效应增强的最主要原因．IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)第一工作组第四次评估报告指出,全球变暖已是一个无可争议的事实．过去100 a(1906-2005年)全球地表平均温度升高0.7(0.57 ℃～0.95 ℃);2005年全球大气二氧化碳浓度379 mg/kg,为65万a来最高;王瑞元于1989年提出2030年大气中的二氧化碳浓度由目前的340 mmp上升到600 mmp,比工业革命前的大气浓度285 mmp增加一倍,那时全球温度将上升3 ℃[3]．根据Svant Arrhenius经过至少1万次手工计算后就曾得出大气中的CO2浓度增加1倍,将使地表平均温度比工业化以前升高约3 ℃～5 ℃[4]．

2 海洋对于CO2的溶解作用

海洋是二氧化碳最大的贮藏者和最大的生产者,同时也是二氧化碳最大的消费者．在整个海洋中或水圈中的碳素约为大气中的碳素的60倍;在混和层中只有560×1015g,即5 600亿t碳素,略少于大气圈,这给生长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;海洋内部即大气海洋混和层以下的海洋中的CO2贮藏量约为42 000×1015g[5]87,即42万亿t碳素．水下植物吸收水中碳素将碳素进一步固结为水下植物,值得指出的是CO2作为植物细胞主要的合成原料,其浓度的提高会进一步促进浮藻的生长和海洋植物的固碳效率．而鱼类、虾类等海生小型生物的食物就是这些能够固结碳素的浮藻,浮藻的生长繁盛后使得鱼虾类饵料充足,促进该食物链阶层的繁殖;同理大型海洋生物亦因此而大量繁殖．自此海洋中的CO2逐渐被固定为海底鱼类的尸体,经过数万年的埋藏被固定在大型鱼类身上的CO2以石油的方式固定于洋地．

同时值得进一步讨论的是,处于混合层的CO2交换十分频繁,而处于海洋表层下的水域与混合层海水部分进行交换,加之洋流及热带气旋等对流天气,季风引起海面的波动,搅动了海水促进了交换,在拉尼娜效应下,涌升流更是不断将海底未饱和的CO2涌至水面,而混合层的海水沉入海底,拉尼娜及厄尔尼诺效应交替出现使海水不断翻涌,溶解了大量的CO2即:

3CO2+2H2O2H2CO3

形成了大量不稳定的碳酸．但由于海洋底温度较低,又使大量不稳定的碳酸逐步趋于稳定,故而给深海植物带来了大量的碳素,使其生长加快,同时也加快了生物固碳的效果．

因此,一方面通过海水不断翻涌交换,形成了大量的碳酸,从而促进了水生物的繁殖,但另一方面随着碳酸作为水下植物细胞的主要合成原料,不断被浮藻、鱼虾、大型海洋生物,洋底石油所固定,大大减缓了水生物的繁殖,直接导致碳酸的减少．所以海洋在很大程度上控制着碳浓度,维持着大自然的碳平衡．

3 北大西洋冰川溶解及洋流异常

地球是伴随着一个个漫长的冰期,同时在每一个冰期的末尾会出现一个短暂而温暖的间冰期,而每一个间冰期的结束均是以一个冷事件的发生而致使全球性的气温骤降,其过程最短不足100 a．根据王绍武先生的研究:中国古里雅冰芯反映了YD(Younger Drsys,简称YD,出现于12.5～11.5 kaBP)总降温达12.8 ℃,最大降温速率1 ℃/100a,但升温达到10 ℃/100a的量级,所以可以证明变冷和变暖是十分迅速的[6]．

那么在升温迅速的今天,一个大家共同担心的问题即气温上升造成北极以及南极冰川消融,以至于造成海面上升,淹没沿海海拔较低的城市以及整个国家,但却很少有人更多关注气温上升结束后,是否会有一个冷事件的发生．

资料来源: 王绍武,罗勇,赵宗慈,等.全球变暖会导致气候严寒吗[J].科技导报.2004,7:8～10

表1为THC的三种模态,第一种是现代模态,第二种和第三种模态相当于冰期中期或H(Heinrich事件,即冰盖倾泻所致的气温剧降的事件)事件,第三模态即热盐环流关闭[7]P9．

王绍武先生研究指出:由于全球气候变暖融冰,以及降水量的增加,导致北大西洋北部淡水输入量增加,使北大西洋深水的热盐环流减弱,进而北冰洋的冷水无法抵达南方使得该地区长期保持低温环境,从而完全可能导致北半球一些地区气候变冷[7]P9.据我国相关数据显示我国近50 a来,全国平均的炎热日数呈现现下降后增加的趋势,同时近20 a以来上升较明显[8].

自1987年以来北极海冰面积以0.27%/a的平均速率退缩[9],这一数据可进一步引起气候的反向均衡特性随着海冰的退缩造成该地区水汽资源大大丰富,随着大量的降水的开始将成为自然均衡的起点,作为历史上YD(Yonger Dray)事件的事实就是一次类似与上述气候现象相似的气候突变,以及由全球变暖导致的气候突变性转变．

伴随着全球变暖,致使北冰洋冰盖大量倾泄、破碎的同时,也进一步伴随着洋流逐渐融化大量的海冰,而海冰中蕴含大量远古生物所产生的CO2等一系列的温室气体,而这些温室气体长期封存在古冰盖中,一旦融化,根据温室效应的理论,这些数量无法估计的温室气体将会进一步融解海冰,海冰带来大量的淡水,浮在北大西洋北部使北大西洋深水的热盐环流关闭,减弱了北大西洋北部深水底水的形成,减少了墨西哥湾暖流携带暖水自南向北的输送,因此使欧洲及北美东部气候变冷[10-11]．

热盐环流的关闭,即一个新的冷事件的开始,虽然其规模不能和YD事件相媲美,但是这却不得不引起足够重视．一旦气候转冷,北半球重新形成大面积冰盖,大面积冰盖的形成,使得地面对太阳辐射的反射率大大增高,使得热量无法积累,更进一步地使全球变冷．根据沈志宝先生的研究,在冬季气温和地温极低的情况下,雪的反射率的异常及其持续时间与降雪量之间有较好的相关性[12].如在藏北那曲地区地面反射率在无雪覆盖的情况下为0.25,但在新雪覆盖后最大反射率可达0.80[13]．由此新雪覆盖将使高原地面净辐射为负值,从而使高原的加热效应消失,变为冷却效应,而这种冷却效应又将延长雪面覆盖时间,从而形成雪面覆盖冷却效应的反馈过程．北大西洋的暖流(及墨西哥湾暖流)减弱形成新的冷事件．而新的冷事件一旦使全球进入冰期,那么CO2的固定作用将再次开始．

对于百万年级的地球碳循环,地球依然存在依靠温度,对这一地球的非自然状态的异常浓度加以平衡．

4 植物的CO2固定与气温变化的影响

4.1植物的碳固定

大气中的二氧化碳一方面通过绿色植物的光合作用,不断地被固定为碳水化合物;另一方面通过呼吸作用和自然氧化过程不断补充到大气中去．

首先值得提出的是CO2是一种农业资源,就我国而言二氧化碳浓度倍增使我国冬夏均变暖且降水量增加．而对于农业产量除华南外均呈增加趋势,全国平均产量增加9.5%[14]．同时李继由[5]P89先生指出增加空气中的CO2浓度可以明显地提高光合作用的强度,并且在温室中合理地施用CO2能使黄瓜、西红柿收获量提高25%～30%．可见二氧化碳浓度提升会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平衡破坏后,植物开始使CO2重建平衡,随着植物固碳效率的提高,会同时催生出新的大量植物,在充足存有碳素的情况下,植物的生命力会显得极其旺盛．树木的固碳能力较之鱼类固碳相类似,但有所不同的是,树木的碳素固定,可以树木本身的形态,即拥有百年际的碳贮藏能力,而进一步逐渐埋藏于地下的朽木,亦可转化为石油或者煤炭以纯粹的能量形态将碳固定．在理想环境下,植物固碳将会以一种类似经济学上的“蛛网模型”的均衡,在地球上达到一个植物和碳素的均衡点．

4.2气温上升对物候的影响

同时从热量角度来考虑在全球变暖的大趋势下,全球各地区积温普遍有一定的提高．这给农业生产带来了很好的热量条件,同时气温上升使得近地面盛行上升气流,较易形成降雨,同时由于气温上升使得蒸发量加大,大大促进了洋面的水汽蒸腾,给陆地带来大量降雨,同时应当注意的是干旱地区将愈加干旱,但由于干旱区农业以滴灌技术使用地下水,所以短期内对于农业不会有较大影响．但对于世界粮食主产区,较好的水热配合以及前文所述的CO2对于粮食的增产作用使得农业得到大幅的增收,而增收的粮食大都来源于空气的CO2以及土壤中的碳素．

基于遥感数据对中国温带植被的物候分析表明,在1982-1999年间,中国温带春季物候平均每年提前0.79天,生长季年平均延长1.16天[15]，中国物候春季的提前以及等种植线的北移使得植物固碳的速度大大提升,同理在山区的等自然带的上移也扩大了植物可生长的总面积．

当然气候的变暖确实使得更广大的土地可以从事农牧业,但另一方面确实也会导致热带地区农作物虫害增多以及由于海冰融化导致滨海土壤盐渍化的不争的事实．但值得说明的一点是,从历史上来看繁荣总是伴随着气温的上升,而长期的动乱亦伴随着气温下降[16]．即粮食供应量不足造成的社会短缺从而导致的饥馑以及更进一步的社会冲突．亦即文明总是伴随着气温的升高而得以建立．

5 结论

根据竺可桢先生对我国5 000年中最初2 000年亦即从仰韶文化到安阳殷墟,大部分时间的平均温度高于现在2 ℃左右．一月温度比现在高3 ℃-5 ℃期间上下波动,其中最低温度出现在公元前1 000年、公元400年、1 200年、1 700年;其摆动范围为1 ℃-2 ℃．在每一个四百至八百年得期间力,可以分出50至100年为周期的小循环,温度范围是0.5 ℃-1 ℃[17]

时下主要盛行的观点是温室气体温室效应说,但我们也许要看到大气系统的复杂性,以及全球变暖的不确定性．为此本文建立以下模型式(1):

∑O+∑L+∑I≪∑P

(1)

O——海洋非冰盖范围各条件对的调节作用；

L——陆地非冰盖地区各条件对的调节作用；

I——海、陆冰川对的调节作用；

P——非自然因素释放的温室致暖效应.

目前人类对自然的影响程度远超自然自我调节能力,如果人类想要控制自身对自然的影响程度,那么可以基于式(1)各项参数进行调节和控制．我们应当看到人类改变大自然的一项参数时,地球将会以不论是海洋、还是冰川造成全球变冷,以低温带动碳的重新冰封,这也是植物自身的碳素固定的方式,地球将会通过自身调节机制使所有参数趋向于均衡值．

综上所述,地球有其自身的调节作用,作为一个古老的星球——地球总是在用着自身的特点在均衡气候的异常性．而本文所述之全球变暖亦属于全球气候非正常变异的一个特例．那么覆盖全球69%面积的海洋以其自身的溶解性特点充当了防止地球气候进一步趋于异常化的最为温和的控制手段;如果海洋的溶解性无法达到控制全球以后异常化的作用时,那么失控的地球气温将由北冰洋海冰溶解造成大量水汽以及淡水的产生,加之水汽盛行,地球的西风带逐渐变得异常多雨,使得北冰洋淡水量大大增加进而导致北大西洋双泵模型崩溃．使得北冰洋冷水大量淤积,为新一次的全球冷事件做充分的准备,直至某项特殊的气候事件将导致目前温暖的气候迅速进入严寒期．当然除了地球本身的物理特性的调节外,自然界的调节亦不容忽视,在二氧化碳浓度高于平均水平时导致植物生长最基础的碳元素异常充足,大大促进了植物固碳速率．

我们所需要做的是如何控制不过量地影响大气系统,否则量变最终会逐渐引起质变,这一现状依靠地球自身调节机制是难以在短期改变的．全球变冷也许是地球对于碳固定的最后手段,但对于人类来说确实是一个以万年计的灾难．或许届时我们应当会考虑如何更多地增加温室气体,而那时是否还有那样多的能源让人类制造温室气体,以提高全球气温,这将是另一个崭新的课题．

[1] 王宁练,姚檀栋.20世纪全球变暖的冰冻圈证据[J].地球科学进展,2001,1(16):98-105

[2] 方精云,朱江玲,王少鹏.全球变暖、碳排放及不确定性[J].中国科学,2011,10(41):1385-1395

[3] 王瑞元.温室效应与21世纪全球气候[J].灾害学,1989,9:94-96

[4] 张坤民,温宗国.中国关于全球变暖的观点与对策[J].中国软科学,2001,7:6-11

[5] 李继由.试论农业气候资源——二氧化碳[J].自然资源,1985,4:89-94

[6] 杨志红,姚檀栋,黄翠兰,等.古里雅冰芯中国新仙女木事件记录[J].科学通报,1997,42(18):1975-1978

[7] 王绍武,罗 勇,赵宗慈.全球变暖会导致气候严寒吗[J].科技导报,2004,7:8-10

[8] 丁一汇,任国玉,石广玉,等.气候变化国家评估报告(Ⅰ):中国气候变化的历史和未来趋势[R].气候变化研究进展,2006,1(2):3-8

[9] 秦大河,陈振林,罗 勇.气候变化可学的认知[J].气候变化进展,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] 沈志宝.藏北地区冬季降雪后地面反射率的变化及对地面辐射能收支的影响[M].见:青藏项目专家委员会编.青藏高原形成演化.环境变迁与生态系统研究学术论文年刊(1995).北京:科学出版社,1996:196-202

本系统通过使用Qt应用框架呈现出人机交互界面，采用QTextStrea流对象实现对QFile对象所关联的文件进行读写操作，采用Qt信号槽机制实现学生记录的增，删，改，查等功能。本程序是在学习完C++程序设计这门课程后的一个集继承、图形界面、事件处理等面向对象编程知识的综合应用的实例程序，对于初学者来说，能更好地培养面向对象编程思维及编程兴趣，便于理解及掌握，并且对《C++程序设计》课程教学有一定的参考作用。

[13] 陈有虞,姚兰昌,王文华.青藏高原那曲地区的辐射状况及其年变特征[J].高原气象,1985,4(增刊):50-64

[14] 高素华.来来30年气候对我国农业的可能影响[M].见:气候异常对农业影响的试验研究课题组编.中国气候变化对农业影响的试验与研究,北京:气象出版社,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] 赵文林,谢淑君.中国人口史[M].北京:人民出版社,1988

[17] 竺可桢.中国近五千年来气候变迁的初步研究[J].考古学报,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，山西寿阳人，天津商业大学，主要从事地质温序研究.

1672-2027(2015)03-0070-05

P4

A