【專欄】氣候變遷與地球系統

氣候總是不斷變化

氣候變化、地球氣候的週期性變化是大氣變化以及大氣與地球系統內各種其他地質、化學、生物和地理因素相互作用的結果。

大氣是一種動態流體，它持續運動。其物理性質及其運動速率和方向都受到多種因素的影響，包括太陽輻射、大陸的地理位置、洋流、山脈的位置和方向、大氣化學、和生長在陸地上的植被。所有這些因素都會隨時間而變化。一些因素，如海洋中的熱量分佈、大氣化學和地表植被，在很短的時間、規模（尺度）上發生變化。其他，如大陸的位置和山脈的位置和高度，會隨著很長的時間、規模而改變。因此，氣候，由於大氣的物理屬性和運動，在每一個可以想像的時間、規模變化。

氣候通常被鬆散地定義為特定地點的平均天氣，包括溫度、降水、濕度和風級等特徵。更具體的定義將說明氣候是這些特徵在一定較長時期內的平均狀態和可變性。這兩個定義都承認，由於大氣不穩定，天氣總是在變化。隨著天氣每天的變化，氣候也各不相同，從每天的晝夜週期到數億年的地質時間。從非常真實的意義上說，氣候變化是一種多餘的表達方式：氣候總是在變化，沒有兩年是完全一樣的，也不是任何二十年，任何兩個世紀，或任何兩千年會一樣。

大氣受地球其他特徵的影響和聯繫，包括海洋、冰層（冰川和海冰）、陸地表面和植被。它們共同構成一個綜合的地球系統，所有元件以通常複雜的方式相互影響。例如，氣候影響地球表面植被的分佈（例如，乾旱地區存在沙漠，潮濕地區的森林存在），但植被反過來通過將輻射能量反射回大氣，轉移影響氣候水（和潛熱）從土壤到大氣，並影響空氣在陸地上的水準運動。

地球科學家和大氣科學家仍在尋求對地球系統各組成部分之間的複雜回饋和相互作用的充分理解。發展一種稱為地球系統科學的跨學科科學，促進了這一努力。地球系統科學由廣泛的學科組成，包括氣候學（大氣研究）、地質學（研究地球表面和地下過程）、生態學（研究地球生物如何彼此及其環境學、海洋學（地球海洋研究）、冰川學（研究地球的冰品質），甚至社會科學（研究人類在社會和文化方面的行為）。

地球系統科學的定義和特點

地球是一個物質與能量不斷相互作用下的一個非常複雜的非線性系統，它可以被劃分為幾個基本的圈層，各圈層之間彼此交錯相互影響，圈層之間及內部隨時間的相互作用構成了地球的演化。

地球系統的構成

地球系統指由大氣圈、水圈（含冰凍圈）、地圈（含地殼、地幔和地核）、土壤圈和生物圈（包括人類）組成的有機整體。地球系統科學主要研究各圈層的物質組成、結構分布、各圈層內部及之間一系列相互作用過程和形成演變規律，以及與人類活動相關的全球變化，為人類認知地球和綠色可持續發展提供科學支撐，以應對全球環境變化所帶來的挑戰。

地球系統是由大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈與生物圈組成的整合系統，又稱為地球體系。 傳統觀念將這四大圈當成是互相獨立的系統。 地球系統的新觀念，則是認為這四大圈交互影響，塑造了地球環境，也不斷在改變地球環境。地球系統科學是對地球系統的研究，其重點是觀察、理解和預測全球環境變化，這包括土地、大氣、水、冰、生物圈、社會、技術和經濟之間的複雜相互作用。

要全面瞭解地球系統，就需要瞭解系統及其組成部分是如何隨時間變化的。對這一理解的追求導致了地球系統歷史的發展，這是一門跨學科的科學，它不僅包括地球系統科學家的貢獻，還包括古生物學家（研究過去地質時期的生活），古氣候學家（研究過去氣候）、古生態學家（研究過去的環境和生態系統）、古海洋學家（研究海洋史）和其他與地球歷史有關的科學家。由於地球系統的不同組成部分以不同的速率變化，並且在不同的時間、規模上相關，因此地球系統歷史是一門多樣化而複雜的科學。地球系統歷史的學生，關心記錄所發生的事情，還把過去看作是一系列實驗，其中太陽輻射、洋流、大陸結構、大氣化學和其他重要特徵各不相同。這些實驗提供了，了解地球系統各組成部分的相對影響和相互作用的機會。對地球系統歷史的研究，也指明瞭系統過去經歷的全部狀態，以及系統將來能夠經歷的狀態。

地球系統的能量來源

地球系統的演化主要受內動力地質作用和外動力地質作用的共同驅動，其主要有兩個能量輸入體系。一個是太陽在核聚變過程中向太陽系釋放的太陽輻射能量，直接影響著地球氣候變化、生物光合作用和岩石風化剝蝕等地球表層系統過程，是外動力地質作用最主要的能量供給；另外一個是地球內部放射性物質衰變、物質向地球深部遷移釋放的重力勢能和礦物結晶等釋放的熱量，對大陸漂移、海底擴張、板塊運動、岩漿活動、地震作用、變質作用和構造運動等過程產生影響，是內動力地質作用最主要的能量供給。地球的能量供給和圈層相互作用。

毫無疑問，人們總是意識到氣候變化的時間、規模相對較短的季節、年和幾十年。聖經經文和其他早期檔案提到乾旱、洪水、嚴寒時期和其他氣候事件。然而，直到18世紀末和19世紀初，人們才充分認識到氣候變化的性質和規模，當時人們普遍認識到古代深層的地球。

19 世紀和 20 世紀初的地質學家和古生物學家發現了在更新世時代（Pleistocene Epoch）之前（即大約 260 萬年前）發生大規模氣候變化的證據。自20世紀後期以來，測年岩石的先進技術以及地球化學技術和其他分析工具的發展，徹底改變了對早期地球系統歷史的認識。

天文學家米盧廷·米蘭科維奇（Milutin Milankovitch）提出，導致冰川週期的機制是由偏心的迴圈變化以及其他兩個軌道參數驅動的：前視（地球自轉軸方向焦點的變化）和軸向傾斜（地球軸相對於繞太陽軌道平面的傾角變化）。軌道變化現在被認為是一個重要的要素。

進入21世紀，地球科學發展到「地球系統」的新階段，強調地球岩石圈、水圈、大氣圈和生物圈之間的相互作用，進而從整體地球系統的視野，對地球各圈層的相互作用過程和機理進行研究。當前更多的對地觀測體系(衛星、地表台站等)，更細的時空解析度以及更強的數據處理(超級電腦)，正逐漸促進人類對地球的科學認知，增強人類適應全球環境變化的能力，並可持續發展！

地球系統的時空特徵

地球作為一個由多時、空、規模過程構成的複雜大系統，在空間上表現為多圈層體系。地球各圈層（岩石圈、土壤圈、大氣圈、水圈、生物圈）、各過程（生物過程、物理過程、化學過程）、各要素（如：山水林田湖草海）之間相互作用、相互聯繫、連鎖響應。

地球演化的不同階段，地質作用特徵也不相同。在地球形成之初，由於小星體加積，星體之間的引力勢能及其動能由於碰撞轉化為熱能，再加上放射性物質含量高，衰變速率快，產生了大量的熱能。內動力地質作用十分發育，表層地球被岩漿海所覆蓋，逐漸分異出地殼，地幔和地核。相比較而言太陽的較為昏暗，外動力地質作用較弱。現今地球在板塊構造體制下，內動力地質作用依然很活躍，同時太陽光度增強，外動力地質作用也非常活躍。同時地球系統的物理、化學及生物過程在空間上又可以分為許多子過程，各個過程彼此交錯，相互影響。