全球变化与地球系统科学
地球系统-圈层的相互作用

一、地球系统的基本概念

　　地球系统（Earth system）是指由地核、地幔、岩石圈、大气圈、水圈、冰雪圈和生物圈（含人类圈）组成的行星地球统一体，它是由一系列圈层之间相互作用过程联系起来的复杂的非线性多重耦合系统。地球各圈层之间的相互作用包括物理、化学和生物三大基本过程，以及人与地球的相互作用过程。导致地球各圈层间物质循环的主要驱动力包括地球内部能量、太阳能和当前不可忽视的人类作用。地球系统科学是为了解释地球动力、地球演变和全球变化，对组成地球系统各组成部分、各圈层相互作用机制进行综合研究的一门科学。其目标是了解地球系统的过去、现今及预测未来的行为。

　　在地球系统各子系统中，若取大气圈的热容量为1，则水圈的热容量是大气圈的103倍，而整个地球系统的质量和热容量有99 %以上集中在“地圈”中。水圈、大气圈、生物圈总共加起来亦不足整个地球系统质量和热容量的1 %。任何地球的变化都在不同时间尺度上地球系统各圈层之间相互作用过程中体现出来。

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表16-1 　地球系统中各圈层的基本参数（据王家映，1988）
 

　　人类已成为不可忽视的影响地球系统过程的重要营力。目前地球主要的子系统为全球生态系统（生物圈为主体）、固体地球系统（岩石圈为主体）、物理气候系统（大气圈和水圈为主），而人类生态系统在其中也起到越来越重要的作用。以上三个子系统通过彼此关联的循环系统（水循环、生物地球化学循环和岩石圈循环）将它们有机的联系在一起，成为一个整体。

　　当前面临的一个主要的挑战是，要维持生物圈和人类将继续繁荣下去，必须提高未来自然与人类活动所引起的全球变化的预测能力。研究目的是：①了解地球系统所涉及的过程，特别注意地球系统组成部分之间的联系和相互作用；②维持充足的自然资源供给；③减轻地质灾害；④调节全球和环境变化并使之降到最小，并加深在全球尺度上对整个地球系统的科学理解。

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图16-1 地球系统中的主要的子系统关联性及其驱动力

二、地球系统研究的时空尺度

　　地球系统研究的空间范围可以从地心到地球外层空间，平面上从局地到全球范围。时间尺度（time scale）可以用几百万年至几十亿年、几千年至几十万年、几年至几百年、几天至几个季度、几秒至几个小时等五个不同的时段来定义。上述时段中的前两个具有较长时间尺度所包括的科学内容属于传统地质学、地球物理学和地球化学的研究领域；而后三个时间尺度的研究内容主要涉及大气科学、生命科学和海洋科学等。

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 图16-2 地球系统过程：特征空间尺度和特征时间尺度（据美国NOAA，1992）

　　固体地球的形成、岩石圈板块运动、造山运动、大气圈形成等过程属于百万年以上时间尺度的事件；第四纪冰期与间冰期交替和海平面升降等周期性变化属于中等尺度的事件；而生物过程在所有时间尺度内发生，包括地球生命演化历史至现代生物的生命周期，但发生在中间时段的过程对于人类社会的利害关系和人类行为的未来规划尤为重要。因此，地球系统研究的任务是阐明那些共同产生中等时间尺度的行星变化，及其相关现象与过程和相互作用，并探讨地球动力学系统的运行机制。

三、地球系统各部分的相互作用

1. 海洋－大气相互作用

　　海洋与大气之间通过一定的物理过程发生相互作用，组成一个复杂的耦合系统。海洋对大气的主要作用在于给大气热量及水汽，为大气运动提供能源。大气主要通过向下的动量输送（风应力），产生风生洋流和海水的上下翻涌运动，两者在环流的形成、分布和变化上共同影响着全球的气候。

　　海洋占地球表面积的70.8％，海洋的比热（4186.8J/kgK）约为空气比热（718J/kgK）的6倍，全球10m 深的海洋水的总质量就相当于整个大气圈的质量。如前所述，到达地表的太阳辐射能约有80％为海洋所吸收，且将其中85％左右的热能储存在大洋表层（约自表面至100m 深处），这部分能量再以长波辐射、蒸发潜热和湍流显热等方式输送给大气。海洋还通过蒸发作用，向大气提供大约86％的水汽来源。海洋是大气环流运转的能量和水汽供应的最主要源地和储存库。

　　由于分子之间相互作用力的差别，海水的运动速度（1000 km尺度水平运动速度为10-2 米/秒量级）比大气（10-1 - 100米/秒量级）要慢得多。因此，快速的大气运动驱动缓慢的海洋运动。由于海洋的密度、体积、慢速和稳定的垂直结构，只有强大而持久的大气运动过程才能驱动海洋运动过程。通过这种驱动关系（滤波），大气的快变过程转变成海洋的慢变过程。而海洋的慢变过程持久地积累大气过程的异常，并逐渐表现为海洋过程的异常，特别是SST异常，并把这些异常施加给大气以致整个气候，由此对之后的大气过程发挥调节作用。

　　海洋是全球最大的水汽源地。海洋和大气之间的气体和其它物质交换中，除了水汽循环外，碳循环是大气CO₂的主要控制因子。人类活动产生的CO₂有近一半被海洋吸收。中高纬度地区海洋从大气中吸收CO₂，南北纬15度之间海洋向大气释放CO₂。

　　大洋环流既影响海洋热含量的分布，也影响到海洋向大气的热量输送过程。低纬度海洋获得了较多的太阳辐射能，通过大洋环流可将其中一部分输送到中高纬度海洋，然后再提供给大气。因此，海洋向大气提供热量一般更具有全球尺度特征。

　　海洋热状况改变对大气环流及气候的影响有几个关键的重要海区，如厄尔尼诺发生的赤道东太平洋海区，海温最高的赤道西太平洋“暖池”区，东北太平洋海区及北大西洋海区等。

2. 陆地－大气相互作用

　　陆面与大气及其他圈层之间进行着各种时空尺度的相互作用，在大气与陆地的交界面上，由于大气环流的驱动及太阳辐射强迫，界面的上、下两部分不断地发生动量、热量和物质成分（水汽及CO₂等）的交换过程。界面的上部为气边界层，下部则包括岩石圈、土壤圈、生物圈和冰雪圈（有时还包括小部分的水圈）的陆地下垫面。大气近地面与陆地下垫面相互作用的过程称为陆面过程耦合。多种物质成分和能量的交换和辐射传输对于大气环流及气候状况产生极大的影响，在某些局部或某个时段内甚至还起着关键性的作用。作为CO₂循环，陆地岩石的风化作用、地表生态系统（植被为主）的能量交换等都是陆地-大气相互作用的重要部分。

　　陆地生态系统地球化学循环和水循环是陆地表层物质能量循环的核心，也是地圈-生物圈-大气圈相互作用的纽带。它们在不同时空尺度上相互作用均受到环境因子、气候因子和人类活动因子的影响。从生物学观点看，陆地生态系统是物质和能量的活性源或汇，而且能通过复杂的湍流交换过程改变其周围的微气象条件。因此，植被的这种特性成为陆面和大气之间物质(水汽、CO₂)和能量交换的焦点。

　　二氧化碳对大气物理状态和陆地植物的生长有着显著的影响。陆地植物吸收大气CO₂，进行着光合作用，通过光合作用来制造养分，以维持植物的发育与生长。全球植被每年从空气中吸收的CO₂高达几百亿吨。动物的生命活动或有机体的腐烂是吸收氧气、放出二氧化碳的过程。而植物的生命过程则吸收二氧化碳和放出氧气。两者之间以及两者与岩石圈、大气圈、水圈之间形成某种平衡。陆地植被依赖于大气而生存，在生存过程中又不断地改变或调节大气的组成。反过来，大气组成的变化又影响到植被的生长与发育。

3. 气候－生态系统相互作用

　　气候系统与生态系统之间存在着十分密切的关系。如大气中二氧化碳、甲烷等温室气体增加时气候变暖，导致植物的光合作用加强，其结果使生态系统从大气吸收的二氧化碳的数量增加，从而平衡大气二氧化碳的浓度，降低温室效应，使气候变暖幅度减小甚至变冷。这是生态系统对气候变化或对温室效应的负反馈作用。据研究，工业革命以来，由于化石燃料的大量利用和人类活动的加强，已经释放出大约7.5 Gt的碳，其中一半左右留在大气中，使大气二氧化碳浓度增加了25%。另外一半则被生物和海洋所吸收。海洋对大气二氧化碳的吸收，一是海水的溶解，二是海洋生物的吸收。因此，生态系统在减轻温室效应方面的作用是不可忽视的。相反，如果大气二氧化碳浓度降低，会引起气候变冷，并导致植物的光合作用强度减弱，其结果又会使植物从大气吸收的二氧化碳的数量减少，从而抑制大气二氧化碳浓度进一步减低的速度和气候变冷的幅度，甚至使气候回暖。

　　随着气候的冷暖变化，地球表面的生态系统也将发生相应的变化。当气候变冷，大陆上冰川、冻土面积扩大，而植被覆盖度减小，生物量也减少。这样势必导致光合作用吸收的二氧化碳数量减少，因而使大气二氧化碳浓度升高，从而对气候变冷起到抑制作用。反之，当气候变暖，大陆上冰川、冻土面积缩小，而植被覆盖面积增大，生物量也将增多。这样势必导致光合作用吸收的二氧化碳数量增多，因而使得大气二氧化碳浓度降低，从而对气候变暖起到抑制作用，甚至出现变冷的趋势。

　　目前，生态系统受各种自然或人为因素的干扰，当这些干扰超过一定的限度，即系统的本身的适应能力，必然会在某些方面表现出不可逆转的损伤或退化。其表现形式包括系统退化，生产力下降，生物多样性减少，对环境和气候的调节能力下降等诸多方面。

4. 海洋－陆地相互作用

　　海洋与陆地的相互作用和它们之间的物质与能量交换有两种主要途径：大气圈的间接作用与水体和岩石圈物质的直接接触作用。世界大洋对大陆自然界的作用首先是通过大气圈，即大气环流来实现的。海洋与大陆之间机械能交换依赖于大气，当大气从海岸向陆地输送热量（尤其是以蒸发潜热的形式），就会将水分重新分配。同时，陆地接受的海洋所输送的水分以河流等形式返回到海洋。因此，海洋与大陆之间的水分交换是相互的。

　　海岸带海陆相互作用（LOICZ）是国际地圈-生物圈计划的核心项目，其重点是研究陆地、海洋和大气交汇和相互作用的区域。在区域和全球尺度上研究陆地、大气、海洋界面的动力学相互作用特征，它们的相互作用对全球循环的影响，以及如何影响海岸带环境的变化。

　　海岸带包括从陆地沿海平原到大陆架边缘的地带，河口地区和大陆架是其主要组成部分。海岸带占地球表面的8％，生物产量达23％，整个海洋捕捞量的90％。海岸带对一些重要化学元素（如碳、氮、硫、磷等）的地球生物化学循环有重要贡献。河口地区和沿海地带沉积了大量的有机碳化合物，是碳循环中的一个重要的汇，但其氧化可成为CO₂的重要来源。

5. 人与地的关系

　　人地关系是指人类社会和人类活动与地球环境之间的相互关系。人地系统的演化取决于人类及其周围环境的质和量的对比关系。当前的人地系统关系主要表现在全球尺度、国家尺度和局部地域三个不同尺度上。

　　人地关系包括人对自然的依赖性和人类的能动地位，人与自然的关系随着人类社会的发展而发生变化。地球系统科学强调的人地关系是指人与自然的相互作用及所应采取的对策。由于地球的整体性和地球各圈层的相互作用，许多全球环境问题成为世界各国和社会公众关切的热点。人地关系研究的重要前沿领域包括全球环境变化及其区域响应、区域可持续发展及人地关系机理、社会生态与环境伦理研究与体系构建等。

　　人地关系问题是随着人类的产生而出现，并随人类社会的发展而不断向广度和深度进化。人地关系具有多重性、异地相关性、异时相关性，人地系统还具有的整体性、结构性、层次性等特性。人类对某一地区施加影响，会对其他地区产生作用，而今天的措施又将对未来产生影响，这充分说明了人地关系的时空特性（王长征等，2004）。