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[理论研究] 浅谈温室效应、气候变化与生命发展

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发表于 2010-1-9 21:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、海水不咸了
         
当人类工业文明的脚步逐渐加快时,我们赖以生存的气候环境也在悄然发生着变化。随着大量温室气体如二氧化碳、甲烷等不断地被排放到大气中,我们人类正不知不觉的使大气成分发生了难以预计的改变,那么这些改变会给我们带来什么呢?我们姑且先把目光集中在温室气体的增加上,看看这些气体会给我们带来怎样的未来吧。
         
地球这个蔚蓝的星球,之所以能够孕育生命,是和她的环境密不可分的,她不仅提供给生命赖以生存的水资源,同时也提供给生命不冷不热的温度,使得生命能够发展到今天,并且进化出了前所未有的高级生命——人类。其他条件暂且不谈,单说适宜生命存在的温度吧。为什么地球就不冷不热呢?

首先是地球在所在的太阳系中的位置,地球距离太阳大约1.496亿公里。这个距离使得地球接收到的太阳辐射刚刚不多不少,既不至于把生命烤熟也不至于把地球变成冰球。但是仅仅这些还是不够,因为地球在接受太阳辐射的同时,自身也在以长波的形式向外太空释放着能量。也就是说,当电热扇在吹你时,你的身体也在散发着热量。结果是,地球并不是那么的温暖。可是,要想让地球暖和起来,应该怎么办呢?大自然真的是太神奇了,地球的大气中恰好有这么一些气体,它们可以吸收和反射地球发出的长波辐射,结果就像给地球盖了层被子一样,地球散发的热量变小了,于是地球终于暖和了。这些气体,正是我们常说的温室气体;这种因温室气体吸收和反射长波辐射,使得地球保温的现象,我们称之为温室效应。正是有了温室效应,地球生命才获得了足够的温度去进化和发展。从中可见温室气体对于地球生命的重要性。可是,假设你盖的被子过厚了,会怎样呢?你会出汗,不是吗?这是因为出汗,可以利用蒸发汗液来降温。同样的,假设地球温室气体过多,会怎样呢?地球也会变热,那么,地球也会“出汗”。那就有一个问题,地球是怎样降温的呢?
         
我认为,地球的“出汗”行为,体现在地球冰川的融化上。当温度上升时,地球用以降温的有效手段,就是融化冰川。因为大量冰川的融化会吸收大量的热量,这样,就使得地球的体温不至于快速增长而“发烧”。也就是说,当温室气体不断增加,温室效应使得更多的热量留在地球时,那么地球的温度就会上升,于是地球上的冰川开始融化,地球就降温了。地球的现状是怎样的呢?在人类未进入到工业时代前,大气中二氧化碳的含量,大约是280PPM左右,而到2008年末,大气中二氧化碳的含量已经增加到384.9ppm,并且还将至少以每年2.2ppm的速度增长。再看地球上的冰川面积吧,1980年以来,世界冰川的平均厚度减少了约11.5米。数据显示,2006年,世界冰川的平均厚度减少了1.5米,而2005年该数字仅为0.5米。非洲肯尼亚山冰川失去了92%,而西班牙在1980年时有27条冰川,现在减少至13条 。欧洲的阿尔卑斯山脉在过去一个世纪,已失去了一半的冰川。在喜马拉雅山,一条最大的冰川从1935年以来已缩短了300多米。占世界冰储量91%的南极冰盖,1998年以来,占总面积1/7的冰体已经消失。据美国地理协会报告,南极三个最大的冰川在十年内变薄而减少了45米厚度。这么说,温室气体在成倍增加,冰川面积在大幅缩小,我们是否可以得出这样一个结论:温室气体的增加使得温室效应加强,使得地球温度正在上升,而冰川这个温度调节器开始起作用了?

冰川融化了,那么融化后的水自然流向了大海。科学家们对格陵兰岛和南极洲每年融化的冰川数量及流水海洋的淡水总量进行统计,发现每年因冰川融化而流入海洋的淡水量,为200亿吨左右。如此多的淡水汇入到大海,海洋的第一反应是什么呢?那就是海水变淡了,平均密度变小了。海水变淡之后呢?看看温盐环流吧。温盐环流是指海水在空间上存在着的温度和盐度的差异,使海水密度发生变化,进而导致的深层海水的缓慢运动。
         
(温盐环流图示见附图)
         
也就是说,温盐环流是由于高低纬度深层海水的密度和温度存在一个梯度,于是引起高低纬度深层海水的一种经向运动。这种温盐环流带给地球最大的作用,就是高低纬度海水的热交换。当海水变淡之后,由于密度梯度减小,温盐环流自然就会减弱,于是海洋中的热交换就会变弱。那么,结果会怎样呢?结果自然是,高纬度海水更冷,低纬度海水更热。因此,在将来的一段时间内可以预计,低纬度表层水温会大幅度增高,而高纬度表层水温却并不会明显增高。那么,这些海洋的变化,都会给我们带来什么呢?
         
二、空气亢奋了。
         
地球海洋的一个重大活动——温盐环流减弱了,这会给我们带来什么样的后果呢?
         
众所周知,海洋与大气的关系是密不可分的。海洋的变化将直接反映在大气的变化中。那么,我们来看一下大气是怎样变化的。当高低纬度的海水因为温盐环流的减弱而不能更好地进行热交换时,那么高纬度海水将维持一种低温,而低纬度海水将维持一种高温。这样,处于海洋之上的空气将会因此受到不同的发展。高纬度空气将受低温影响而形成比较稳定的冷气团,而低纬度空气受高温影响容易发展成暖气团,并且由于能量更大,因而气团更不稳定。由于高低纬度的温度差异增大、气团的强度增大、携带的能量增大等因素,势必造成大气经向运动增强。结果是冷暖空气有更多的机会交汇,并且交汇后释放的能量增加,结果,极端天气事件频发。另外,随着大气经向运动的增强,那么气候带也就变得不是很稳定。夏季,低纬度暖气团将更强大,结果向高纬度运动的同时释放更多的热量,于是高温日数增多,极端高温纪录将屡被刷新。而冬季,高纬度冷气团发展旺盛,随径向发展而致使寒潮频发,甚至低纬度地区也能波及。换句话也就是说,当温盐环流不能够进行更好的热交换时,那么大气环流就被动的承担了更多的热交换作用。于是大气变得更不稳定、更加亢奋了。结果是地球上极端天气事件频发。而这些极端天气事件,将直接影响地球生命的发展甚至是生存。
         
三、人类危险了。
         
如果说温室气体不能够被稳定而继续增加的话,那么,温室效应所带来的地球暖化,将继续融化地球上的冰川,直到地球上所有的冰都融化掉。届时又会怎样呢?我们来分析一下吧。
         
1、海洋面积增大、陆地面积缩小,结果陆地生物将变得拥挤,结果只能是互相屠戮来争夺生存空间。那么,人类毫无疑问将成为“一代剩闲”。同时植物的生长必然受限。结果这些吸收温室气体、释放氧气的机器将越来越少。那么,空气中的含氧量不断减少,于是人类受到环境的影响,将不得不减少自身体积减缓新陈代谢以适应环境,结果就是人体越来越小,也许最终消亡。
         
2、温盐环流的消失将导致深层与浅层海水不能更好的对流,表层富氧海水不能与深层海水交换氧气,因此海洋的含氧量也会减少,于是海洋生物将面临一场生死浩劫。
         
3、全球温度持续偏高,大气活动频繁,暴雨增加。由于植物的减少,水土流失严重,于是泥石流、洪水等灾害频发。同时蒸发量巨大,因此沙漠得以发展,人类生存空间将进一步压缩。
         
4、当陆地生存空间大幅度压缩时,必然会在人类之间也引发生存空间的争夺,于是战争一触即发,这场以生存为目的的战争结果和破坏力是不可估量的,也许因此也会毁灭人类。
         
5、温度与湿度的增加,必然会使微生物得到发展的极好机会。细菌与病毒将更活跃,当物种基数增加时突变几率也会成倍的增加,超级细菌或超级病毒会更有机会登场,那么这将对其他生物又是一场浩劫。
         
四、恐龙,兴也温室败也温室。
         
大约距今2亿5千万年前,地球进入三叠纪时期,这时地球突然进入地质活跃期,造山运动与板块活动剧烈,因此引发了大规模火山活动,大量温室气体如二氧化碳、甲烷,尤其是水蒸气,从地下被释放到大气中,这个过程大约持续了4千万—5千万年。由于二氧化碳属于不易逃逸气体,因此三叠纪的大气中温室气体逐渐累积,并且引发全球性升温,空气开始变得湿热起来,裸子植物开始兴盛,这为爬行动物的发展带来了契机。于是恐龙应运而生了。到了三叠纪末期,地球已经进入温暖潮湿期。此时地球上的陆地面积已经增加,但两极地区依然比较冷。此时的大陆基本上还是一块大陆,因此内陆地区还是比较干旱,因此,恐龙虽已兴盛但还没能发展到顶峰。当时间到达约1亿9960万年前时,地球进入到了侏罗纪,此时地质活动又趋于活跃,联合大陆四分五裂,火山活动再次频发,大量温室气体再次升空,于是地球再次进入升温阶段。而此时的陆地已经分裂,海洋进入到内陆,于是潮湿空气可以横扫陆地,使得各大陆变得更加温暖潮湿,裸子植物达到顶峰,而恐龙,也在这个时候爆发性发展起来。但注意,此时的两极地区,与低纬度地区依然存在比较明显的温度梯度。因此,温盐环流依然存在,海洋里也是生机勃勃。同时植物的兴盛,导致地球大气含氧量剧增。
         
因此,侏罗纪的空气可以这样概括:湿热、厚重、含氧量高。此时的植物和动物,也就是产氧生物与耗氧生物达到一种平衡。因此,侏罗纪可以说是所有当时生物的天堂乐园。同时由于含氧量高,快速的新陈代谢使得恐龙越进化越大。当时间进入到约1亿4550万年前时,地球进入到了白垩纪。白垩纪初期依然延续了侏罗纪的状态。天堂乐园里的生物们依然在快乐地生活和进化着。但是一些现象却触发着将来的灾难。恐龙们的数量与日俱增,并且个体越来越大,消耗的植物也越来越多,渐渐地,植物的新生速度已经快赶不上被恐龙消耗掉的速度。平衡开始渐渐被打破,并且植物被迫不得不向更高级的方向进化。然而这种失衡,发展得还是比较缓慢,以至于白垩纪初期至中期,还是没有太明显的变化。但是当白垩纪中期末时,地球又发怒了,这次地球进入到了更加剧烈的活跃期,大量的板块活动致使海底火山频发,当然,陆地火山也在爆发着。由一些恐龙化石可以证明,在各大洲均发现有大批恐龙在极端痛苦中突然死亡并瞬间被火山岩包裹。而这时大气成分再次改变。温室气体再次剧增。使得两极地区也温暖如夏。有证明显示,当时的赤道附近海洋温度达到了42摄氏度左右。那么此时的大气环境可以概括为:高温、高湿、高氧、高酸性气体、高温室气体。
         
那么这种环境将导致:
         
1、海洋温盐环流弱化甚至消失。这个可以通过海洋沉积证明,当时的海洋几乎是死水一潭。
         
2、酸雨频发,致使海洋以及陆地pH值降低。因为大量酸性气体如二氧化硫、氮氧化物等,在富氧环境下极易氧化并且与潮湿空气结合成酸。那么先说海洋,温盐环流的消失使得海水缺氧严重,同时pH值降低,将导致钙质生物无法生存。于是海洋中掀起了一场生物灭绝事件。菊石等菊石纲生物完全灭绝。同时,海洋的缺氧导致大批鱼类死亡,而处于食物链高层又食量巨大的海生爬行动物开始因饥饿而死去,尸体又引发厌氧细菌的滋生,于是饥饿和疾病蔓延,导致海洋中的大量生物灭绝,尤其是海生爬行动物,几乎是遭遇了灭门之灾。再说陆地。由于酸雨的增加和大量有毒气体的增加,大批裸子植物以及其裸露的种子,无法适应环境的巨变而渐渐死去,使得以植物为生的恐龙面临饥荒,植食性恐龙的死亡使得以它们为食的恐龙也面临饥荒。同时由于土壤pH值的下降,导致大量恐龙蛋结构被破坏,恐龙蛋皮的变化又极易导致细菌侵入而发生病变,使得大批小恐龙无法孵化。于是在这样的多重打击下,恐龙终于要走到尽头了。但是可以吃腐肉的动物,以及生活在淡水河流边的中小型的食腐动物,还可以坚持下来。因此鳄鱼以及小型蜥蜴算是逃脱厄运。这场劫难也加速了植物的进化,裸子植物开始走向衰落。取而代之的则是有果实包裹种子的被子植物。当然在这场劫难发生的同时,一些物种却得到了好处,例如:光合细菌等厌氧细菌和微生物。由于大气中的硫化物与氮氧化物随酸雨降落至海洋和地面,加上大量死亡动物的遗骸,使得海洋富营养化。同时,地球依然处于高温下,于是光合细菌大量滋生。结果,海洋中的硫化物和氮氧化物不断被细菌降解,同时地球渐渐进入平静期,大气中的酸性气体和温室气体不再大量增加。于是海水pH值开始渐渐升高,同时大气中的二氧化碳,开始渐渐被吸收和沉积。而甲烷这类较轻的温室气体,也渐渐逃逸出大气层。这样一来,温室气体开始负增长,于是温室效应减弱,地球又开始降温了。于是在白垩纪末期至古近纪到来时,地球温度不断降低,而随着大气环境的好转,被子植物的兴盛,二氧化碳随着海洋微生物和地球植物的共同作用,开始急剧下降,同时地质活动平缓,地球进入寒冷期。并且随着第四纪的到来,寒冷期发展到了顶点。可以这样概括一下,以爬行动物大灭绝为代表的白垩纪末物种大灭绝事件,实际上是以温室气体带来的高温与地质活动带来的酸性气体共同作用为主要诱因。当然,这其中还有很多其他的因素,就不再赘述了。
         
五、总结。
         
温室气体对于地球来说,其重要性不言而喻。没有温室气体,也许就没有生命的诞生。温室气体已然成为地球的温度调节器,并且随着地质运动与生命活动有着明显的高低规律。但是,任何事物都必须要有其量度,否则一旦某种平衡被打破,那么势必造成巨大的灾难。宇宙赋予我们以生命,因此我们必须遵循宇宙的发展规律。另外还有一点,为什么地球会有周期性的大规模周期活动呢?我个人也有着自己的观点,关于这一点,我将会在另外一篇文章中阐述。(本文仅代表个人观点,由于个人知识有限,希望大家能多多指点,谢谢。)
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发表于 2010-1-9 22:21 | 显示全部楼层
粗略看了一下,也编辑了一下,去掉了一些口头禅如“那么”、“因此”,然后发现这是一篇不错的文章,逻辑和推理还是比较合理的。先加分鼓励,然后再看看是否推荐。
发表于 2010-1-11 07:57 | 显示全部楼层
能够看到MARS的这篇文章实在是可喜,LZ从海水、大气这两个角度深入分析和阐述了其对于人类活动甚至地球上生物活动的影响。而且大多数的文字都是作者自己原创的,观点也是自己的,这点非常不容易。

LZ的基本思想是:冰川融化导致海水量增大,从而海水盐度减少,以至于引起一系列的连锁效应——例如温盐环流活动减弱等等。这一点对于探索来说无可厚非,的确有出现这种情况的可能。

不过这边我需要补充的是:LZ可能忽略了海水本身的蒸发效应。千万不要小看这蒸发效应,释放到大气中的潜热是相当巨大的,可以成为大气中非常重要的热源来源之一。具体请看:海-地-气的长波辐射和热能耦合。因此海水在冰川补充的同时,还会蒸发,蒸发可以引起大气活动的改变,大气活动的改变会反过来影响到冰川融化的速度这些方面,这是一个长的时间周期。当然,如果短时间尺度内补充量大于蒸发量的话,海平面就会上升,这对于人类活动的确是一大威胁。

温盐环流是指海水在空间上存在着的温度和盐度的差异,使海水密度发生变化,进而导致的深层海水的缓慢运动。


第二,对于海水总体来说,低纬度盐度总是大于高纬度地区,因为蒸发量的关系。如果在冰川补充量大于蒸发量的时候,无论低纬度还是高纬度,总体盐度的确是呈下降趋势,但是盐度的差异会不会变小,这个其实未必。因为冰川基本都在高纬度地区,因此融化了以后首先稀释的是高纬度地区的盐度。所以即使按照LZ的观点来说,温盐环流也未必会减弱。

举一个例子:世界上盐度最大的海:红海;盐度最小的海:波罗的海。

第三,海洋的洋流中,漂流和涌升流占了绝大部分,而密度流占的比重最小。高纬度深层次海水对流其实主要是以涌升流的形式来体现,而涌升流的基本策动源是漂流导致海水受到挤压和分散所致,因此涌升流也成为补偿流——深层次的海水翻涌上来补偿原来的海水位置,由于深层次海水温度比浅表层要低,因此正常情况下太平洋东部海域海温比西部低的原理就是这样形成的,秘鲁寒流是世界上最大的涌升流。

就拿现在大气经向活动强烈来说,其实是海陆温度差异加剧,或者说是海温太高,潜热释放到大气中过多了,热力场极端导致的一种必然现象。
时间有限,暂时先分析这些:y4
PS:如果详细分析这篇文章,内容长度恐怕不止这篇文章:y7

相关内容:[理论科普] 海气能量收支和耦合

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 楼主| 发表于 2010-1-11 22:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 Mars 于 2010-1-11 22:44 编辑

首先感谢LI的编辑,然后感谢TOM的回复。多少人看了之后都没反应,也不知道是什么意思。
我谈一下自己的看法,T版说法很好,蒸发量确实是我没有谈到的,但是正因为蒸发量的确在侏罗纪是要考虑的因素,因此,侏罗纪还是存在温盐环流的。但是到了白垩纪中后期,由于温室效应的存在,尤其是当时的陆地分布(这一点一直是遗憾,因为没有确切的资料),很可能白垩纪晚期的海陆分布导致高纬度蒸发量与低纬度蒸发量相差无几。因为我们要考虑盐度的话不仅要考虑蒸发量,还要考虑降水量。虽然没有确切证据,但是我还是坚持认为,白垩纪晚期低纬度的蒸发量虽然大,但是降水量也比高纬度大的多,因此,高低纬度的盐度实际上不差太多,因此温盐环流消失。温盐环流的消失是可以证明的,但是到目前为止还没有确切的证据表明为什么当时没有温盐环流。而根据现在的海陆关系来看,红海的降水量远小于其蒸发量,因此盐度大,而波罗的海正好相反,因此盐度小。而在白垩纪末期当时来看,虽然没有更为有利的证据,但是我一直相信当时的古大陆大部分面积是在高纬度地区,因此导致高纬度地区的蒸发量大,而降水量小,因此高低纬度之间的盐度差比较小。

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发表于 2010-1-12 12:34 | 显示全部楼层
一早看到这帖,这几天较忙,有点时间也花在后台,没时间看。
  
楼主系统的从内部因子这一块论述了碳循环、生物与气候的关系,知识面之广、水平之高非一般气象爱好者可以达到,我认为我自己都未必能写出这样系统又通俗可读的文章。
  
个人推荐精华3,同时推荐楼主为资深会员。
发表于 2010-1-12 16:23 | 显示全部楼层
5# 将臣
早在去年的时候为了是否合格资深我曾观察LZ一段时间,确实发现在气候和地理领域博学多才,以前也写过几篇类似的文章。其中有一段时间我还想请他担任天文地理版主。不过经多次交流以后,LZ自己多次提出实在繁忙,在线时间很少,因此谢绝了我的邀请。
PS:今天晚上将同时发此精华推荐帖和资深会员投票专帖h:05
发表于 2010-1-12 19:31 | 显示全部楼层
有个问题,海洋藻类产氧固碳的能力强还是陆生植物强?
发表于 2010-1-13 14:42 | 显示全部楼层

这个问题相当复杂,我无法回答,请其他网友回答。不仅是产氧藻类,还涉及不产氧藻类。
  
steal是海洋或养殖专业的?
发表于 2010-1-13 15:27 | 显示全部楼层
这个问题相当复杂,我无法回答,请其他网友回答。不仅是产氧藻类,还涉及不产氧藻类。
  
steal是海洋或养殖专业的?
将臣 发表于 2010-1-13 14:42

不是相关专业的……不过有点兴趣而已,现在工作比较忙,也没有时间去学习。

现在人类使用化石燃料造成大气二氧化碳浓度大增,一部分来自煤炭,基本上被认为自陆生植物,另一部分来自石油,主流的观点是藻类或其他微生物、生物遗骸。
反过去推导,海洋的固碳能力应该是相当强的。但是一直没有阅读到过相关的讨论,所以有此一问。
 楼主| 发表于 2010-1-13 21:06 | 显示全部楼层
本帖最后由 Mars 于 2010-1-13 21:13 编辑
有个问题,海洋藻类产氧固碳的能力强还是陆生植物强?


个人认为这个问题应该是一样的。
因为说到固炭,那么主要手段是光合作用。实际上,就目前而言,能够进行光合作用的主要是陆生植物、藻类和部分细菌。那么光合作用实际上分为两类,一类是光合不放氧,主要是光合细菌的固炭方式。另一类是光合放氧,主要是含叶绿素的植物。首先说一下光合不放氧的光合细菌。光合细菌进行光合作用的主体是细菌叶绿素。而氢原子来源不是水而是硫化氢、氨等或者是有机物。在缺氧、有光的环境下同化二氧化碳,同时生成游离氢。此光合作用的原理比较复杂,因为不同的光合细菌又具有产氢、固氮、分解有机物等不同的反应。并且他们的供氧体和供氢体都不同,因此,固炭能力不好做比较。那么另一类光合作用,就是我们经常接触到的利用叶绿体进行的光合放氧过程。这一类比较简单。他们的反应原理是一样的,因此单位固炭能力也应该是一样的,所不同的是某些植物还含有其他的光和色素,比如类胡萝卜素、叶黄素等,这些实际上并不参与光合作用,而只是辅助收集更多不同波长的光子。因此不论什么颜色的植物或是藻类其根本还是要通过叶绿体进行光合放氧的过程,所以,应该说他们的固炭能力是一样的。
结论:1、光合放氧的光合作用原理一样,因此固炭能力一样。
2、光合细菌的光合作用不尽相同,不易比较,因此固炭能力不一样。

PS,如果说石油的储量大于煤炭的话,个人认为可能是因为:1、海洋光合作用的生物更早出现,因此历史更长。2、海洋面积远大于陆地面积,因此海洋固炭生物的基数可能远大于陆地的。所以不能仅凭石油和煤炭就能反推海洋生物的固炭能力更大。我觉得如果比较的话最好以单位面积上做比较。个人观点,仅供参考。

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