高中地球科學/氣候變化

在過去的兩個世紀裡，氣候相對穩定。人們在氣候宜人的地方建造農場和城市，沒有考慮到氣候可能會發生變化。但氣候在整個地球歷史上一直在變化，穩定的氣候並不常見。近年來，地球氣候再次開始變化。這種變化主要是由於人類活動向大氣中排放溫室氣體而導致的變暖。變暖的影響已經開始顯現，隨著氣溫的升高，這些影響將變得更加極端。

課程目標

描述氣候變化如何成為地球歷史的重要組成部分。
討論哪些因素會導致氣候變化，以及哪些因素會因人類活動而加劇。
討論大氣中溫室氣體濃度升高的後果，已經測量的影響以及未來可能發生的影響。

地球歷史上的氣候變化

氣候在整個地球歷史上一直在變化。有時，地球的氣候比今天更熱、更潮溼，但氣候也比今天更冷，當時冰川覆蓋了地球的更多地區。最近的冰河時代發生在更新世時期，即 180 萬年前到 1 萬年前（圖 17.27）。冰川在迴圈中前進和後退，被稱為冰期和間冰期。由於地球上大部分水都被鎖定在冰中，所以海平面比今天低約 125 米（395 英尺）。我們目前處於一個溫暖的間冰期，已經持續了大約 1 萬年。

冰期期間的全球平均氣溫可能僅比地球目前的平均氣溫低 5.5°C（10°F）。間冰期期間的溫度比今天高約 1.1°C（2.0°F）（圖 17.28）。請注意，相當小的溫度變化會對全球氣候產生重大影響。在過去的 90 萬年中，地球的平均氣溫變化小於 5°C。一些科學家認為冰川會再次前進，但不會在幾千年內發生。

自更新世末期以來，全球平均氣溫上升了約 4°C（7°F）。冰川正在消退，海平面正在上升。與地球歷史上大部分時間相比，氣候一直相對溫和且穩定。氣候穩定對人類文明有利。穩定性促進了農業的擴張以及城鎮和城市的建立。雖然氣候正在穩定變暖，但在過去的 1 萬年中，出現了幾次更極端的暖期和冷期。公元 900 年至 1300 年的中古溫暖期允許維京人殖民格陵蘭島，並在不列顛種植葡萄。當氣候在 14 世紀到 19 世紀的小冰期變冷時，維京人被迫離開格陵蘭島，人類不得不將農作物種植在更南的地方。

短期氣候振盪

隨著條件在不同狀態之間振盪（或變化），短期氣候變化很常見（圖 17.29）。其中最大且最重要的變化是厄爾尼諾和拉尼娜條件之間的南方濤動。這種振盪大約每兩到七年驅動全球範圍內的氣候變化。

在正常年份，信風從東向西（向東南亞方向）吹過赤道附近的太平洋，將暖水堆積在西太平洋，並將海平面提高了半米。與此同時，沿著南美洲西海岸，秘魯洋流將冷水向北輸送，來自深海的冷而富含營養的水湧升。當秘魯洋流接近赤道時，它會沿著信風的方向向西穿過太平洋。

當水溫達到約 28°C（82°F）時，信風會減弱或反向，從東向西（向南美洲方向）吹。厄爾尼諾週期開始了（圖 17.30）。暖水被拖回太平洋，加熱中太平洋和南美洲西海岸的海面。由於表面有溫暖的低密度水，南美洲海岸沒有發生上升流。沒有上升流，營養物質稀缺，浮游生物數量下降。由於浮游生物是食物鏈的基礎，魚類無法找到食物，魚類數量也隨之減少。所有以魚類為食的動物，包括鳥類和人類，都受到魚類減少的影響。

厄爾尼諾事件在全球範圍內的氣候發生變化時改變了大氣和海洋的環流模式。一些地區降雨量超過平均水平，包括北美洲和南美洲西海岸；美國南部；以及西歐。南美洲其他地區、西太平洋、非洲南部和北部以及歐洲南部出現乾旱。

厄爾尼諾週期持續一年到兩年，並在中太平洋暖水團再次向東移動時結束。正常的環流模式恢復，但有時它們更快、更強烈。這種模式具有東太平洋異常寒冷的水，被稱為拉尼娜（圖 17.31）。厄爾尼諾事件每三到七年發生一次，但強度各不相同。

其他重要的振盪規模更小，具有區域性而不是全球性影響。北大西洋濤動主要改變歐洲的氣候。地中海也經歷著迴圈，有時乾燥，有時溫暖潮溼。

氣候變化的原因

許多自然過程會導致氣候變化。太陽產生的能量可能發生變化。由於地球繞太陽執行，地球軸傾角和軌道也會發生數千年的變化。數百萬年以來，在板塊構造運動的驅動下，我們大陸的位置發生了變化。隨機的災難性事件，例如大型小行星撞擊，會導致氣候突然劇烈變化。人類活動極大地增加了大氣中的溫室氣體含量，這透過給地球增溫來影響全球氣候。

太陽振動

太陽輻射的能量是可變的。太陽黑子是太陽表面上的磁風暴，以 11 年的週期增減（圖 17.32）。當太陽黑子數量多時，太陽輻射也相對較高。但太陽輻射的全部變化相對於太陽輻射的總量來說非常小，並且氣候變化中沒有已知的 11 年週期。小冰期對應於太陽上沒有太陽黑子的時期。

板塊構造

板塊構造運動會改變氣候。數百萬年來，隨著海洋的開合，洋流可能以不同的方式分配熱量。例如，當所有大陸都合併成一個超級大陸（如盤古大陸）時，幾乎所有地方都會經歷大陸性氣候。當大陸分離時，熱量分佈更均勻。板塊構造運動可能有助於冰河時代的開始。當大陸位於極地附近時，冰可以積累，這可能會增加反照率並降低全球溫度。足夠低的溫度可能會引發全球冰河時代。

板塊構造還會引發火山爆發，向大氣中釋放塵埃和 CO₂。普通的火山爆發，即使是大規模爆發，對天氣的影響也只有短期。1991 年菲律賓皮納圖博火山爆發產生的火山灰使全球氣溫在一年內下降了約 0.5°C (0.9°F)。大規模的流體熔岩爆發可以淹沒地表，釋放出更多的氣體和塵埃，改變氣候多年。這種型別的火山爆發極其罕見；自人類在地球上居住以來，還沒有發生過這種型別的爆發。

小行星撞擊

如果一顆大型小行星撞擊地球，它可能會引發大滅絕。這很可能發生在白堊紀末期，大約 6500 萬年前。一顆直徑 10 公里（6 英里）的小行星撞擊了墨西哥東南部的尤卡坦半島。當時地球上大約 85% 的物種滅絕，包括恐龍。被踢到高空大氣的塵埃聚集在一起，變成岩石，然後落到地面。倖存下來的生物不得不忍受極度寒冷，因為塵埃阻擋了太陽光線多年。光合作用減緩，地球冷卻到許多物種無法忍受的水平。

米蘭科維奇迴圈

最近地球歷史中最極端的氣候是更新世。科學家將一系列冰河時代歸因於地球相對於太陽的位置變化，稱為米蘭科維奇迴圈。

地球圍繞太陽執行時，其相對於太陽的位置會發生規律的變化。

地球的軌道形狀在它圍繞太陽執行時會發生輕微變化。我們的軌道在更圓形和更橢圓形之間變化，週期為 90,000 到 100,000 年。當軌道更橢圓時，冬夏之間的太陽輻射差異更大。
地球在其自轉軸上搖擺。在這個 27,000 年的週期的一個極端，北半球指向太陽，此時地球最接近太陽。夏季比現在熱得多，冬季比現在冷得多。在另一個極端，北半球指向太陽時，它離太陽最遠。

太陽。這導致夏季涼爽，冬季溫暖。

地球的自轉軸傾角在 22.1° 和 24.5° 之間變化。季節是由地球自轉軸的傾斜造成的，現在為 23.5° 角。當傾斜角較小時，夏季和冬季的溫差較小。這個迴圈持續 41,000 年。

當這三種變化繪製出來時，會出現大約 100,000 年的氣候模式。冰河時代與米蘭科維奇迴圈密切相關。由於冰川只能在陸地上形成，因此冰河時代只發生在陸地覆蓋極地地區的時候。因此，米蘭科維奇迴圈也與板塊構造有關。

大氣溫室氣體增加

大氣中的溫室氣體捕獲從地球表面輻射出來的熱量。因此，溫室氣體水平下降會降低平均氣溫。溫室氣體增加會提高氣溫。溫室氣體水平在地球歷史上一直在變化。例如，CO₂ 在地球大氣中的濃度曾低於 200 ppm（百萬分率）和高於 5,000 ppm。但在 650,000 年或更長時間內，無論是在冰川期還是間冰期，CO₂ 都沒有超過 300 ppm。間冰期的 CO₂ 水平高於冰川期（圖 17.33）。

火山爆發、有機物的腐爛或燃燒等自然過程會將溫室氣體排放到大氣中。當植物吸收 CO₂ 時，溫室氣體也會從大氣中去除。當植物死亡並在地球深處變成化石燃料（煤炭、石油、天然氣）時，它們所含的 CO₂ 會與它們一起儲存。將 CO₂ 儲存在地下會將溫室氣體從大氣中去除，降低地球的平均氣溫。

現在，人類活動正在將大量這些儲存的 CO₂ 釋放到大氣中。雖然人類燃燒木材和煤炭來滿足他們的能源需求已有數十萬年，但化石燃料的使用在過去 200 年（自工業革命以來）急劇增加。在過去幾十年中，化石燃料的使用激增，因為人口增長，需要更多汽車、房屋和工業來供電。為了開墾土地用於農業，焚燒雨林會阻止正在生長的樹木從大氣中去除 CO₂，並將儲存在雨林樹木中的所有 CO₂ 釋放出來。隨著需要餵養的人越來越多，雨林的破壞也在增加。

CO₂ 是人類活動影響最重要的溫室氣體。而且，在水蒸氣之後，CO₂ 是最豐富的溫室氣體。但其他溫室氣體也在增加。甲烷來自牲畜養殖、水稻生產和雨林植物的不完全燃燒。氯氟烴 (CFC) 是 20 世紀發明並廣泛使用的合成化學物質。對流層臭氧主要來自汽車尾氣，自 1976 年以來增加了一倍多。所有這些氣體都像 CO₂ 一樣起著溫室氣體的作用。

全球變暖

隨著越來越多的溫室氣體捕獲熱量，全球平均年氣溫正在上升。這被稱為全球變暖。現在大氣中的 CO₂ 比工業革命前 200 年增加了近 40%。自 1958 年在夏威夷莫納羅亞火山首次進行 CO₂ 測量以來，大約 65% 的增長髮生在（圖 17.34）。

美國一直是溫室氣體排放量最大的國家，2004 年佔全球排放量的約 20%（圖 17.35）。中國是第二大排放國（18.4%），其次是歐盟（11.4%）。由於中國經濟快速增長，2008 年初，中國的 CO₂ 排放量可能超過美國。然而，也要記住，美國的人口只有中國的 1/5。因此，美國普通公民產生的溫室氣體遠多於中國普通公民。如果不對 CO₂ 排放速度採取任何措施，到 2030 年，CO₂ 排放量預計將比 2002 年高 63%。

未來幾十年 CO₂ 水平將上升多少尚不清楚。這取決於發展中國家的 CO₂ 排放量增加多少。這也取決於發達國家的技術進步或生活方式變化會增加還是減少排放。如果不對溫室氣體排放採取任何措施，它們以目前的速率繼續增加，到 2050 年，地球表面溫度預計將上升 0.5°C 到 2.0°C（0.9°F 到 3.6°F），到 2100 年將上升 2° 到 4.5°C（3.5° 到 8°F），CO₂ 水平將超過 800 ppm（百萬分率）（圖 17.36）。另一方面，如果很快開始嚴格限制 CO₂ 排放，到 2100 年溫度上升可能不到 1.1°C（2°F）。無論氣溫上升多少，它都不會在全球範圍內均勻分佈。上升 2.8°C（5°F）將導致赤道地區上升 0.6° 到 1.2°C（1° 到 2°F），而極地地區將上升 6.7°C（12°F）。到目前為止，全球變暖對北極的影響大於南極。

**圖 17.36**：各種氣候預測模型顯示到 2100 年氣溫可能會上升多少。

由於全球變暖，地球和生物正在發生變化，這些變化已經可以觀察到。雖然氣溫自更新世結束（10,000 年前）以來一直在上升，但這幾十年的上升速度更快，自 1990 年以來甚至上升得更快。有記錄的八個最熱年份都發生在 1998 年之後，而 14 個最熱年份都發生在 1990 年之後（截至 2007 年）（圖 17.37）。

由於這些高溫，冰川正在融化，冰蓋正在邊緣斷裂（圖 17.38）。多年凍土正在融化，導致曾經被凍結的地區出現沼澤。融化的冰蓋將水注入海洋，因此海平面正在上升（圖 17.39）。此外，水在變暖時會略微膨脹，這種膨脹約佔觀測到的海平面上升變化的四分之一到一半。由於溫暖的空氣可以容納更多水分，因此風暴變得更加強烈。因此，天氣可能會更加惡劣，熱浪和乾旱更多。更多的降雨有時會導致洪水氾濫。

**圖 17.38**：自 1985 年以來，博爾德冰川已經融化了很遠。世界各地其他山地冰川也在融化。

**圖 17.39**：近幾十年來，海平面一直在上升。這裡代表了 23 個具有長期記錄的地質穩定潮汐計站點。

動植物正在感受到氣候變化的影響。冬季變短，因此一些動物正在改變它們的季節性行為：例如，春季遷徙的時間更早。由於地表海洋溫度升高，世界各地的珊瑚礁正在死亡。一些地區的森林也在死亡，因為溫暖的天氣使昆蟲害蟲能夠將它們的活動範圍擴充套件到曾經太冷的地區。隨著地表海洋變暖，浮游植物的生產力下降。一些曾經在農業上邊緣化的地區現在不再適合耕種，因為它們變得太溫暖或太乾燥。

隨著溫室氣體增加，變化將更加極端。海洋將變得略微酸化，這將使帶有碳酸鹽殼的生物（包括珊瑚礁）更難以生長。一項監測太平洋西北部海洋酸度的研究發現，海洋酸度增加的速度是預期的十倍，10% 到 20% 的貝類（貽貝）被耐酸藻類取代。

為了尋求更涼爽的氣溫，植物和動物物種需要向兩極移動 100 到 150 公里（60 到 90 英里）或向上移動 150 米（500 英尺），以應對全球氣溫每升高 1.0°C（8°F）。由於森林物種無法如此迅速地遷移，因此生物多樣性將遭受巨大損失。即使它們能夠遷移，人類開發也會阻礙它們的蔓延，並阻止它們在許多新區域定居。公園和野生動物保護區可能會變成空無一物的保護區。生物學家已經記錄了高海拔物種的滅絕，因為它們無處可去。

積雪減少、冰川縮小和春季提前到來，這些因素都會減少世界某些地區的水資源，包括美國西部和亞洲大部分地區。冰川將繼續融化，海平面預計將在 2100 年上升 18 到 97 釐米（7 到 38 英寸）（圖 17.40）。如此大的上升將逐漸淹沒大約三分之一世界人口居住的沿海地區，迫使數十億人向內陸遷移。

熱浪將更加嚴重，與高溫相關的疾病和死亡人數將增加。乾旱可能會使許多邊緣地區變得無法居住。一些模型預測，美國中西部將變得過於乾旱而無法支援農業，而目前生產我們最佳農產品的地區將移至加拿大。總的來說，如果二氧化碳濃度翻倍，全球約 10% 到 50% 的現有耕地可能變得無法使用。

儘管科學家們並不都同意，但颶風可能會變得更加嚴重，甚至更加頻繁。颶風在發展中國家造成巨大的人員傷亡，在發達國家造成財產損失。熱帶和亞熱帶昆蟲的活動範圍將擴大。這將導致瘧疾、腦炎、黃熱病和登革熱等熱帶疾病的傳播。

您可能會注意到，上面給出的數值預測包含了較大的範圍。例如，海平面預計將在 18 到 97 釐米之間上升——這是一個相當大的範圍。這種不確定性部分是由於科學家無法準確預測地球將如何應對溫室氣體濃度的增加。溫室氣體在未來幾年內積累的速度在一定程度上取決於我們做出的選擇。

課程總結

地球的氣候一直在變化。總的來說，當溫室氣體濃度高時，氣溫就高。
溫室氣體目前正在增加，這是由於人類活動，特別是化石燃料使用造成的。
我們已經看到了這些不斷上升的溫室氣體帶來的影響，例如氣溫升高以及物理和生物系統發生變化。
社會必須選擇減少溫室氣體排放，否則將面臨更加嚴重的後果。

複習問題

為什麼氣候目前正在變暖？
為什麼海平面在間冰期和冰期期間會上升和下降？
格陵蘭島的人類歷史如何與氣候週期相關？
為什麼人類文明直到全新世結束才開始顯著發展？
如果地球歷史上曾經出現過更溫暖的氣候，那麼我們為什麼現在需要擔心全球變暖？
當加州沿海的天氣特別多雨，冬季風暴頻繁時，赤道太平洋在南方濤動方面可能發生了什麼？
1972 年，秘魯鳳尾魚漁場崩潰。根據您對氣候和食物網的瞭解，您能解釋一下這一事件嗎？
發生冰河時代必須具備哪些條件？
人類哪些活動會導致大氣中溫室氣體增加？
為什麼預計未來幾十年二氧化碳排放量會大幅增加？
發達國家在未來幾十年二氧化碳排放量增加中扮演著什麼角色？
為什麼隨著全球氣溫升高，風暴的頻率和強度也會增加？
地球正在經歷一些重要的變化，其中一些變化是已知的，並由衛星監測。描述衛星可以監測的全球變化型別。
如果到本世紀末海平面上升 60 釐米（2 英尺）會發生什麼？哪些地方將受到最嚴重的影響？
可以採取哪些措施來減少溫室氣體排放？

詞彙

小行星: 在太陽系中執行的一塊岩石或冰塊。
厄爾尼諾: 南方濤動的一部分，其中信風減弱或反轉方向，暖水在南美洲附近的海面上積聚。
全球變暖: 由於人類活動導致的全球平均氣溫的整體上升。
拉尼娜: 南方濤動的一部分，其中信風比正常情況更強，南美洲附近的海面水溫較低。
大規模滅絕: 在較短的時間內，地球上 25% 或更多的物種滅絕的現象。
米蘭科維奇迴圈: 地球相對於太陽的位置迴圈變化，影響全球氣候，導致大約 100,000 年的週期。
南方濤動: 太平洋大氣低壓和高壓條件反轉的現象。
太陽黑子: 太陽黑子是太陽上的磁性太陽風暴，會導致太陽輻射略微減少。太陽黑子以 11 年的週期出現和消失。

思考點

幾乎所有氣候科學家都同意，人類活動是導致我們今天看到地球加速變暖的原因。您認為為什麼媒體

仍然在談論這種觀點的爭議，而科學家幾乎完全一致？

如果必須降低溫室氣體排放量才能避免全球變暖的一些更嚴重後果，那麼為什麼人類沒有采取行動降低這些

排放量，而是任其增加？

在減少溫室氣體排放方面，如何才能取得進展？從不同的層面進行思考：個人、當地社群、國家和全球社群。

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