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地球气候变化：影响因素及趋势

地球气候变化:影响因素及趋势

叶懋冬

人类一直来都非常关心地球上的气候变化.尤其是近二十年来,关于

二氧化碳的排放引发地球温室效应而变暖的言论成为气候变化问题的

注意中心,是多数人关注的重点.

但是,把地球气候的变化仅仅归咎于碳排放,不免有失于片面.甚至碳

排放也许不是影响气候的主要因素,如果我们考虑未来几百年的气候变

化趋势的话.

实际上,很多因素影响地球气候的变化及其变化趋势,包括人类自身

的活动.对于这些影响因素,不同的视角会有不同的看法,会得到不同的结

果.就我们来讲,希望能够从一种全面的,能看到本质性问题的角度来研究

地球气候的变化,由此能分出一些独立的影响因素,从而也能推测其发展

趋势.本文就准备在这方面提出一种新的思路.当然,要对这样的想法作出

深入的定量分析及预测,还需要大量的观测数据,这不是一个小问题.

就地球气候而言,其相关的影响范围为地球的大气圈,水圈,岩石圈和

生物圈,其中岩石圈中与气候相关的仅仅是地面浅表的部分.我们把前三

圈及岩石圈的相关部分通称为地球的表面层.

影响地球气候变化的最本质的原因是表面层内的能量变化.表面层

的能量维持着它本身的温度,致使大气圈和水圈之间的水气交换,驱动大

气气流和海洋洋流的流动.这个能量的大小直接影响到上述各种运动变

化的状态和强度.

我们把地球表面层作为一个系统,探讨其中的能量进出情形.以一年

为周期,地球表面层内的能量变化可以用下列关系式表出:

trsoutatmbioinsunresEEEEEEE--+++=

其中

resE为表面层内的能量剩余值;

sunE为太阳辐射到地球表面层的能量;

inE为地球内部传递到表面层的能量,如地震火山爆发等,在现阶段,

这部分能量相对微小,可以不计;

bioE为石油煤等生物化石燃料以及(非当年的)树木等生物燃料燃

烧后所释放的能量;atmE为人类利用核能所释放的能量;

outE为地球向外太空所释放的能量,这部分的能量主要是通过辐

射散发的;

trsE为太阳的辐射能及其它能量经直接或间接转化后成为可以较

长时间储存的能量,如树木等生物体,以及人类利用电能等经化学变化转

化成一些高能量的化学物质.

(这里,我们不考虑在一段长时间内不变的一些其它的影响因素,如

月球的潮汐力所引起的能量变化.)

一般,上述式子右边的四个输入量中,起决定性作用的因素是太阳的

辐射能sunE,它的数值远大于其它三个量.而在后两个输出量中,地球向

外太空散发的能量outE的变化是一个值得注意的量,近年来为众多人

们所议论的”碳排放”就影响它的变化.另一个输出量trsE在现在还是

一个很难估计的量,但我们可以认为在一段不长的时间内(例如,几十年),

它基本保持不变,是一个常数.

地球表面层的年剩余能量resE决定地球气候的变化趋势.这些能

量的大部分(或者说,某一大致固定的比例)最终以热量的形式影响地球

表面层.

一般而言,在一段不长的时间内,剩余能量resE在一个平均值附近

波动.这个平均能量值用于维持表面层的温度,以及大气圈水圈的流动等.

但具体到每一年,剩余能量与平均值的差就反映了地球气候的变化.很明

显,当剩余能量多的时候,地球表面层变暖;当剩余能量少的时候,地球表

面层变冷.剩余能量越多,给予大气圈水圈的驱动力也就越大,地球上灾

害性天气的频度和破坏力就越高.

根据上述的地球表面层能量关系式,我们可以研究关系式右边的六

个能量因素的变化来推测地球气候的变化趋势.

太阳到地球表面的辐射能sunE可以看成是常量.当然,它也有一些

微小的周期性的波动,对这些微小波动的定量的测试和估算是一项更细

致的工作.

从地球内部因地震火山等释放到表面层的能量inE相对比较小,可

以不计.

人类的活动所消耗的能量bioE和atmE将是