44.5: 气候和全球气候变化的影响
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培养技能
- 定义全球气候变化
- 总结工业革命对全球大气二氧化碳浓度的影响
- 描述影响全球长期气候的三个自然因素
- 列出两种或更多温室气体并描述它们在温室效应中的作用
所有生物群落都普遍受到气候等全球条件的影响，这些条件最终决定了每个生物群落的环境。 研究气候的科学家注意到了一系列显著的变化，这些变化在过去的六十年中逐渐变得越来越明显。 全球气候变化这个术语用来描述全球天气模式的改变，包括全球温度升高，这主要是由于大气中二氧化碳含量的上升造成的。
气候和天气
关于全球气候变化的一个常见误解是，在特定地区发生的特定天气事件（例如，印第安纳州中部6月非常凉爽的一周）是全球气候变化的证据。 但是，六月的寒冷一周是与天气有关的事件，而不是与气候有关的事件。 这些误解通常是由于对气候和天气这两个术语的混淆而产生的。
气候是指特定区域长期、可预测的大气条件。 生物群落的气候的特点是温度和年降雨量范围一致。 气候无法解决生物群落中某一天的降雨量或某一天出现的低于平均水平的温度。 相比之下，天气是指短时间内的大气状况。 天气预报通常以 48 小时为周期进行。 可以提供长期天气预报，但可能不可靠。
为了更好地了解气候和天气之间的区别，假设您正在计划在威斯康星州北部举办户外活动。 当你计划在夏季而不是冬季举办活动时，你会考虑气候，因为你早就知道，在威斯康星州，五月至八月的任何一个星期六都比一月份的任何一个星期六都更适合在威斯康星州举办户外活动。 但是，您无法确定活动应在哪一天举行，因为很难准确预测特定日期的天气。 气候可以被视为 “一般” 天气。
全球气候变化
可以通过接近三个研究领域来理解气候变化：
- 当前和过去的全球气候变化
- 过去和现在的全球气候变化的原因
- 气候变化的古代和当前结果
在阅读有关全球气候变化的媒体报道时，将气候变化的这三个不同方面明确区分开会很有帮助。 有关全球气候变化的报告和讨论通常会将显示地球气候正在变化的数据与推动气候变化的因素混为一谈。
全球气候变化的证据
由于科学家无法回到过去，直接测量气候变量，例如平均温度和降水量，因此他们必须间接测量温度。 为此，科学家们依靠地球过去气候的历史证据。
南极冰芯是此类证据的关键例子。 这些冰芯是通过钻探获得的极地冰样本，这些样本可以到达冰盖或高山冰川数千米。 观察冰芯就像在时空中倒退；样本越深，时间段越早。 被困在冰层中的是气泡和其他可以揭示温度和二氧化碳数据的生物证据。 已经收集和分析了南极冰芯，以间接估计过去 400,000 年来地球的温度（图\(\PageIndex{1}\) a）。 此图表上的 0 °C 是指长期平均值。 大于 0 °C 的温度超过地球的长期平均温度。 相反，低于0°C的温度低于地球的平均温度。 该图显示存在温度升高和降低的周期性周期。
在1800年代后期之前，地球已经降温了多达9°C，升温了大约3°C。 请注意，图\(\PageIndex{1}\) b中的图表显示大气中二氧化碳的浓度也周期性上升和下降；请注意二氧化碳浓度与温度之间的关系。 图\(\PageIndex{1}\) b显示，按体积计算，大气中的二氧化碳含量历来在百万分之180至300（ppm）之间循环。
图\(\PageIndex{1}\) a 没有显示过去 2,000 年的详细情况，无法将过去 400,000 年中地球温度的变化与最近发生的温度变化进行比较。 在过去的2000年中，发生了两次重大的温度异常或不规则现象。 它们是中世纪气候异常（或中世纪温暖时期）和小冰河时代。 第三个温度异常与工业时代一致。 中世纪气候异常发生在公元900至1300年之间。 在这段时间内，许多气候科学家认为，世界许多地方的天气条件略为温暖；高于平均水平的温度变化在比正常水平高出0.10°C至0.20°C之间。 尽管0.10 °C看起来不够大，不足以产生任何明显的变化，但它确实释放了冰海。 由于这种变暖，维京人得以殖民格陵兰岛。
小冰河时代是一个寒冷的时期，发生在公元1550年至公元1850年之间。 在此期间，在北美、欧洲以及可能的地球其他地区观察到略低于1°C的轻微降温。 全球温度的这种1°C的变化似乎是温度的微小偏差（正如在中世纪气候异常期间观察到的那样）；但是，它也导致了明显的变化。 历史记载揭示了冬季异常严酷的时期，积雪和霜冻很多。
始于1750年左右的工业革命的特点是人类社会的大部分发生了变化。 农业的进步增加了粮食供应，从而提高了欧洲和美国人民的生活水平。 发明了新技术，提供了就业机会和更便宜的商品。 这些新技术使用化石燃料，尤其是煤炭提供动力。 始于十九世纪初的工业革命迎来了工业时代的开始。 当化石燃料被燃烧时，会释放出二氧化碳。 随着工业时代的开始，大气中的二氧化碳开始上升（图\(\PageIndex{2}\)）。
当前和过去的全球气候变化的驱动因素
由于无法回到过去，直接观测和测量气候，科学家们使用间接证据来确定可能导致气候变化的驱动因素或因素。 间接证据包括使用冰芯、钻孔（钻入地下的狭窄竖井）、树木年轮、冰川长度、花粉残留物和海洋沉积物收集的数据。 数据显示，温度变化的时间与气候变化的驱动因素之间存在相关性：在工业时代（1780年之前）之前，有三个气候变化的驱动因素与人类活动或大气气体无关。 其中第一个是米兰科维奇周期。 米兰科维奇周期描述了地球轨道的微小变化对地球气候的影响。 米兰科维奇周期的长度在19,000至10万年之间。 换句话说，人们可以预计，至少每19,000年就会看到与地球轨道变化有关的地球气候发生一些可预见的变化。
太阳强度的变化是造成气候变化的第二个自然因素。 太阳强度是太阳在给定时间内发出的太阳能量或能量。 太阳强度和温度之间有直接关系。 随着太阳强度的增加（或降低），地球温度相应增加（或降低）。 有人提出，太阳强度的变化是小冰河时代的几种可能解释之一。
最后，火山喷发是气候变化的第三个自然驱动因素。 火山喷发可能持续数天，但火山喷发期间释放的固体和气体可以在几年内影响气候，从而导致短期气候变化。 火山喷发释放的气体和固体可以包括二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、硫化氢、氢气和一氧化碳。 一般来说，火山喷发会使气候降温。 这发生在1783年，当时冰岛的火山爆发并导致大量硫氧化物的释放。 这导致了雾霾效应冷却，这是一种全球现象，发生在灰尘、灰尘或其他悬浮颗粒阻挡阳光并由此引发全球温度降低；雾霾效应冷却通常持续一年或多年。 在欧洲和北美，雾霾效应降温使冬季平均气温创下1783年和1784年有记录以来的最低水平。
温室气体可能是气候的最重要驱动因素。 当来自太阳的热能撞击地球时，被称为温室气体的气体会将热量捕获在大气中，温室的玻璃板也会阻止热量逸出。 影响地球的温室气体包括二氧化碳、甲烷、水蒸气、一氧化二氮和臭氧。 来自太阳的辐射中大约有一半通过大气中的这些气体撞击地球。 这种辐射被转化为地球表面的热辐射，然后其中一部分能量被重新辐射回大气层。 但是，温室气体将大部分热能反射回地球表面。 大气中的温室气体越多，反射回地球表面的热能就越多。 温室气体吸收和释放辐射，是温室效应的重要因素：二氧化碳和大气中的其他温室气体导致地球变暖。
证据支持大气中二氧化碳浓度与温度之间的关系：随着二氧化碳的升高，全球温度上升。 自1950年以来，大气中二氧化碳的浓度已从大约280 ppm增加到2006年的382 ppm。 2011 年，大气中的二氧化碳浓度为 392 ppm。 但是，如果水蒸气不产生剧烈的温室变暖效应，那么目前的生命形式将无法居住这个星球。
科学家研究数据中的模式，并试图解释与这些模式的差异或偏差。 大气中的二氧化碳数据揭示了二氧化碳增加和减少的历史模式，在最低180 ppm和最高300 ppm之间循环。 科学家得出的结论是，大气中的二氧化碳含量从低的最低浓度增加到更高的最大浓度花了大约50,000年的时间。 但是，从最近开始，大气中的二氧化碳浓度已超过300 ppm的历史最高水平。 当前大气中二氧化碳的增加发生得非常快，只需要数百年而不是数千年。 变化率和二氧化碳增加量之间存在这种差异的原因是什么？ 在比较历史数据和当前数据时，必须认识到的一个关键因素是现代人类社会的存在；没有其他气候变化的驱动因素导致大气中的二氧化碳含量以这种速度或如此严重的变化。
人类活动以多种方式将二氧化碳和甲烷（两种最重要的温室气体）释放到大气中。 释放二氧化碳的主要机制是燃烧化石燃料，例如汽油、煤炭和天然气（图\(\PageIndex{3}\)）。 砍伐森林、水泥制造、畜牧业、清理土地和焚烧森林是释放二氧化碳的其他人类活动。 甲烷（CH 4）是在厌氧条件下细菌分解有机物时产生的。 当有机物被困在水下（例如稻田里）或食草动物的肠道中时，就会发生厌氧状况。 甲烷也可以从天然气田和垃圾填埋场发生的分解中释放出来。 甲烷的另一个来源是包合物的融化。 Clathrates 是在海底发现的冰块和甲烷。 当水变暖时，这些冰块融化并释放出甲烷。 随着海洋水温的升高，包合物的融化速度正在加快，释放出更多的甲烷。 这导致大气中的甲烷含量增加，从而进一步加速了全球变暖的速度。 这是正反馈回路的一个例子，它导致了全球气温的快速上升。
记录在案的气候变化的结果：过去和现在
科学家们有地质证据证明了很久以前气候变化的后果。 冰川退缩和极地冰融化等现代现象导致海平面持续上升。 同时，气候的变化会对生物产生负面影响。
地质气候变化
在地质历史上，全球变暖与至少一次全球范围的灭绝事件有关。 二叠纪灭绝事件发生在大约2.51亿年前，即被称为二叠纪时期的大约5000万年的地质时间跨度即将结束。 这个地质时期是地球地质史上三个最温暖的时期之一。 科学家估计，大约70％的陆生动植物物种和84％的海洋物种已经灭绝，在二叠纪快要结束时永久消失。 适应潮湿和温暖气候条件的生物，例如热带湿林中的年降雨量为300—400厘米（118—157英寸）和20°C—30°C（68°F—86°F），可能无法在二叠纪的气候变化中幸存下来。
链接到学习
观看这段 NASA 视频，了解全球变暖对植物生长的混合影响。 尽管科学家发现20世纪80年代和1990年代的气温升高导致了植物生产力的提高，但此后这种优势被更频繁的干旱所抵消。
当前的气候变化
发生了许多全球性事件，这些事件可能归因于我们一生中的气候变化。 蒙大拿州冰川国家公园的许多冰川正在退缩，这种现象被称为冰川衰退。 1850 年，该地区约有 150 座冰川。 但是，到2010年，该公园只有大约24座面积超过25英亩的冰川。 其中一个冰川是古尔德山的格林内尔冰川（图\(\PageIndex{4}\)）。 在 1966 年至 2005 年之间，格林内尔冰川的面积缩小了 40%。 同样，格陵兰岛和南极的冰盖质量正在减少：格陵兰岛在2002年至2006年期间每年损失150—250千米的冰。 此外，北极海冰的大小和厚度正在减小。
这种冰的流失导致了全球海平面的上升。 平均而言，海面以每年1.8毫米的速度上升。 但是，在1993年至2010年之间，海平面每年上升的速度在2.9至3.4毫米之间。 多种因素会影响海洋中的水量，包括水的温度（水的密度与其温度有关）以及河流、湖泊、冰川、极地冰盖和海冰中的水量。 随着冰川和极地冰盖的融化，有很大一部分以前被冻结的液态水。
除了一些非生物条件因气候变化而发生变化外，许多生物也受到温度变化的影响。 温度和降水在确定动植物的地理分布和物候方面起着关键作用。 （物候学是研究气候条件对周期性生命周期事件（例如植物开花或鸟类迁徙）时间的影响。） 研究人员表明，英国有385种植物物种的开花时间比过去40年前记录的要早4.5天。 此外，昆虫授粉物种比风授粉物种更有可能更早开花。 如果昆虫传粉者早点出现，开花日期变化的影响就会减轻。 这种植物和传粉媒介的时间不匹配可能会对生态系统造成有害影响，因为昆虫授粉的植物必须在其传粉媒介存在时开花，才能持续生存。
摘要
地球经历了温度升高和下降的周期性循环。 在过去的2000年中，中世纪气候异常是一个温暖的时期，而小冰河时代则异常凉爽。 这两种不规则现象都可以用气候变化的自然原因来解释，尽管温度变化很小，但它们产生了重大影响。 气候变化的自然驱动因素包括米兰科维奇周期、太阳活动的变化和火山喷发。 但是，所有这些因素都不会导致全球气温的迅速升高或二氧化碳的持续增加。 化石燃料的燃烧是温室气体的重要来源，在温室效应中起着重要作用。 很久以前，全球变暖导致了二叠纪灭绝：化石记录中有记载的大规模灭绝事件。 目前，现代气候变化与冰川和极地冰盖融化加剧有关，导致海平面逐渐上升。 当开花或授粉等季节性事件的时间受到全球变暖的影响时，动植物也可能受到全球气候变化的影响。
词汇表
- 包合物
- 在海底发现的冰块和甲烷
- 气候
- 特定区域存在长期、可预测的大气状况
- 全球气候变化
- 全球天气模式的改变，包括全球温度升高，这主要是由于大气中二氧化碳含量的上升
- 温室效应
- 大气中的二氧化碳和其他温室气体导致地球变暖
- 温室气体
- 二氧化碳和甲烷等大气气体吸收和释放辐射，从而将热量捕获到地球大气中
- 雾霾效应冷却
- 火山喷发产生的气体和固体对全球气候的影响
- 米兰科维奇周期
- 可能影响气候的地球轨道的周期性变化
- 太阳强度
- 太阳在给定时间内发出的太阳能量
- 天气
- 短时间内的大气状况