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Science：过去气候预示着我们的未来

工业革命以来，人类向大气中排放大量的温室气体，已改变了地球的气候，并推动它走向一个前所未有的温暖状态。尽管这种增温状态在地球 历史 上找不到完全相同的相似型，但过去的气候——“古气候（paleoclimates）”为理解全球变暖提供了重要的科学依据。“研究过去是为了预测将来”，越来越多的科学家试图从古气候变化规律中寻找未来全球变化的趋势。

在漫长的地质 历史 时期，地球经历了多次大幅度的气候变化，如白垩纪中期高温期和晚更新世末次冰盛期等（图1），这些气候变化为未来气候演变的模拟和预测提供了参考信息。过去的气候状态与今天截然不同，但提供了丰富的证据。过去的气候状态可以揭示出大气CO2浓度在一定的范围内（400-2000ppm）变化时地球气候系统是如何运行的（图1）。

图1 距今1亿年以来的气候演化 历史 和未来200年不同情景预测情况（Tierney et al.,2020）

最近，美国亚利桑那大学Jessica Tierney和合作者在Science上刊登综述性论文，系统地总结和评价了古气候研究在科学应对未来气候变化的重要作用，强调了它对现代气候模拟研究和未来气候变化预测的重要性。该论文从以下几个方面评述了古气候研究能够有效评估、修正和完善现有气候模式，减少气候模拟研究的不确定性和认识未来气候变化等方面的价值。

一、古气候对气候敏感度的约束

平衡气候敏感度（Equilibrium climate sensitivity，ECS）已经被广泛采用，并被作为地球气候系统对辐射强迫响应的简单度量标准。其定义为大气CO2加倍增长后，地球系统反馈过程（水汽、云、雪）从几年到几十年内达到平衡后，导致的全球近地表空气温度的变化幅度。由于ECS的高低对环境、经济 社会 影响非常重要(Hope et al.,2015)，因此减小ECS估算误差一直是学术界优先考虑的主题之一。一些新观点认为，ECS变化与气候背景有关，并随其变化——具体来说，在较暖的气候状态下，ECS会增加(Meraner et al.,2013)。研究地质 历史 时期的温暖气候可以为ECS值的波动范围提供参照。

二、冰冻圈稳定性的古气候视角

对未来海平面上升的预测尚有很大的不确定性，主要原因是对冰盖稳定性和临界状态缺乏足够的认识（Bamber et al.,2019）。古气候记录可以为理解过去冰盖变化与海平面上升之间的关系、冰冻圈对气候变暖的敏感性提供证据，从而降低预测的不确定性。在过去的几年里，古气候学界在地质证据和气候建模方面取得了重要进步，在冰盖大小、形状和范围的代用指标的产生和解释方面取得进展（Wise et al., 2017;Rovere et al., 2016;Gulick et al.,2017），将有助于增加我们对温暖气候状态下冰冻圈动力学的理解。

三、古气候揭示的区域和季节性气候变化信息

未来气候变暖将改变降雨和温度的空间模态和季节性变化模式，给人类 社会 带来巨大的影响(Wilby, 2007)。陆地表面的区域性变化(积雪减少、冻土融化、绿化、荒漠化)可能进一步触发生物地球化学循环的反馈作用，从而减弱或放大太阳辐射强迫效应，进而影响气候变化（Arneth et al.,2010）。当前，气候模型在区域降雨未来变化的趋势和幅度上还存在重大分歧(Knutti and Sedláck,2013)。改进对区域气候变化的预测能力，需将气候系统的内部变化(例如，年际-百年振荡)与外部强迫(例如，温室气体或气溶胶)的作用有效分开。在这方面，古气候研究提供的区域和季节性气候变化信息至关重要，因为它们记录了长期、连续的气候变化 历史 ，极大延长了现代气候的器测记录(Deser et al.,2012)。

四、气候突变

气候突变是古气候学最重要的发现之一，即地球气候在相对短暂的时间内出现异常变化，严重偏离了平均气候状态。其特征是温度、降水模式和海洋环流的发生显著改变，并在地质记录中留下明显的气候环境印迹，比如白垩纪中期海洋缺氧事件中无处不在的黑色页岩（Jenkyns,2010）。研究者认为，气候突变记录了地球一度进入异常状态，并恢复至正常状态的信息，具有重要研究意义。此外，发生在大约56Ma前后，由迅速的温室气体释放所引发的古新世-始新世极热事件（PETM）就是古气候记录中最显著的气候突变之一，可为理解人类排放温室气体所引起的全球变暖提供重要参考。

五、架起古气候数据与模型之间的桥梁

气候模型提供了对地球系统温度、风速和降水等直接的模拟结果。但是古气候信息是间接的，主要是通过对气候变化有响应的物理参数（如：磁化率和粒度）、化学参数（如：元素）和/或生物化石（如：有孔虫、孢粉）等代用指标来重建过去气候变化。然而，气候环境代用指标并不是完美的气候记录，有固有的不确定性。尽管可通过转换函数等方法，将古气候定量重建结果与模拟结果进行直接比较，但如果不考虑这些方法的不确定性，就可能导致错误的解释。这种在模型结果和代用指标之间产生的“语言障碍”，造成利用古气候代用指标指示过去气候变化和评估气候模型具有一定的局限性。因此，如何将古气候数据和气候模拟结果有效结合就显得至关重要（图2）。论文作者提出了解决这一问题的三个关键的步骤：（i）选择合适的与指标记录相关的化学示踪方法；（ii）明确代用指标的气候环境意义；以及（iii）整合古气候记录与模型数据的分析方法。

图2 基于古气候指标优化后的末次冰盛期海表面温度、地面温度和降雨情况。图中DSST为末次冰盛期（LGM）与晚全新世海表面温度的差值，DSAT为地表温度的差值，DPrecip为年平均降水量的差值（Tierney et al., 2020）

古全球变化研究表明，远在人类工业活动之前，全球气候就不断发生变化。地球 历史 上气候变化的主要驱动力是自然因素。相对于地球长期的气候演化，工业化以来全球气候的变化是微小的，是漫长地球演化过程中众多气候波动的一小段。未来随着人类排放温室气体逐渐增加，预估地球气候未来变化趋势仍存在着诸多不确定，古气候研究是我们理解未来气候变化的重要基础之一，也是有限的器测气候数据之外，检验气候模型预测结果的唯一途径。古气候学的未来是将地质证据与气候模型研究相结合，以便更准确地评估和预测人类活动对气候变化的影响。

致谢：感谢新生代室郝青振研究员、吴海斌研究员对本文的修改和建议。

主要参考文献

Arneth A, Harrison S P, Zaehle S, et al.Terrestrial biogeochemical feedbacks in the climate system[J]. NatureGeoscience, 2010, 3(8): 525-532.

Bamber J L, Oppenheimer M, Kopp R E, et al. Ice sheet contributionsto future sea-level rise from structured expert judgment[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences, 2019, 116(23): 11195-11200.

Deser C, Phillips A, Bourdette V, et al. Uncertainty in climatechange projections: the role of internal variability[J]. Climate dynamics,2012, 38(3-4): 527-546.

Gulick S P S, Shevenell A E, Montelli A, et al. Initiation andlong-term instability of the East Antarctic Ice Sheet[J]. Nature, 2017,552(7684): 225-229.

Hope C. The $10 trillion value of better information about thetransient climate response[J]. Philosophical Transactions of the Royal SocietyA: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2015, 373(2054): 20140429.

Jenkyns H C. Geochemistry of oceanic anoxic events[J]. Geochemistry,Geophysics, Geosystems, 2010, 11(3).

Knutti R, Sedlácek J. Robustness and uncertainties in the new CMIP5 climate modelprojections[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(4): 369-373.

Meraner K, Mauritsen T, Voigt A. Robust increase in equilibriumclimate sensitivity under global warming[J]. Geophysical Research Letters,2013, 40(22): 5944-5948.

Rovere A, Raymo M E, Vacchi M, et al. The analysis of LastInterglacial (MIS 5e) relative sea-level indicators: Reconstructing sea-levelin a warmer world[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 159: 404-427.

Tierney J,Poulsen C,Montanez I et al. Past climates inform ourfuture[J].Science, 2020, 30(6517).

Wilby R L. A review of climate change impacts on the builtenvironment[J]. Built Environment, 2007, 33(1): 31-45.

Wise M G, Dowdeswell J A, Jakobsson M, et al.Evidence of marine ice-cliff instability in Pine Island Bay from iceberg-keelplough marks[J]. Nature, 2017, 550(7677): 506-510.

问题一：气候变化的诱因有哪些.8，当代气候变化的特点.9，全球气候变化的后果 气候变化的因素：

一 社会经济因素

1.人口剧增因素

2.大气环境污染因素

3.海洋生态环境恶化因素

4.土地遭侵蚀、沙化等破坏因素

5.森林资源锐减因素

6.酸雨危害因素

7.物种加速灭绝因素

8.水污染因素

9.有毒废料污染因素

二 自然因素

1.地球周期性公转轨迹的变动

2.全球正在处于温暖期.

当代气候变化的特点是全球气候变暖

全球气候变化的后果

人体健康 （1）全球变暖直接导致部分地区夏天出现超高温，因为心脏病及引发的各种呼吸系统疾病，每年都会夺去很多人的生命，其中又以新生儿和老人的危险性最大。（2）全球变暖导致臭氧浓度增加，低空中的臭氧是非常危险的污染物，会破坏肺部组织，引发哮喘或其他肺病。（3）全球变暖造成某些传染性疾病的传播。当蚊子叮咬一个带有传染病毒的人时，这种病毒就会跟随血液进入蚊子体内开始繁殖，并通过下一次叮咬进入某个健康人体内完成病毒的传播。在一定温度范围内随着温度的升高，蚊子的繁殖速率和叮咬速率都大大提高，其体内病毒的繁殖和成熟速率也将随之提高。夜晚和冬季温度上升，大大延长扩展了蚊子的生活期和地域，使得靠它传播的疟疾、猩红热、黄疸、脑炎等恶性传染疾病的发病率提高。（4）全球变暖会在不同地区造成不同的自然灾害，直接导致粮食减产，也使当地居民遭受饥饿和营养不良的威胁，同时会加速某些靠水传播的病毒的扩散速率，如脑炎、痢疾、高烧等。气温：全球气温将升高。从现在起到本世纪末，人类将面临史无前例的气温上升。就本世纪而言，较乐观的预测是全球气温将升高1．4摄氏度，最悲观的设想则认为，全球气温将上升近6摄氏度。 海洋：海平面将升高。在本世纪内，海平面将可能升高20厘米至80厘米。原因是气候变暖导致海水膨胀，冰川和海上浮冰层融化（北极浮冰层厚度50年来减薄了40％）。在格陵兰，自1988年以来，冰川融化速度加快，已提高了2倍。

极端现象：将对未来造成损失。近几年来，极端气候现象增多。大多数专家认为，在今后50年内，法国每2年就会出现一次2003年那样的酷热（当年造成1．5万人死亡）。干旱将给农业造成严重影响（气温升高2摄氏度将可能使农业减产30％）。在欧洲南部，降雨量将明显减少。

生物多样性：物种将大量死亡。报道援引法国绿色和平组织负责人雅多的话说，如果气候变暖继续照此速度发展，那么到2050年将会有百万物种消失，即占各种生物种类的40％，而法国本土将会有20％的物种消失。北极熊和北极的其他动物将会像珊瑚礁水域的鱼一样成为主要受害者。德国的一项研究表明，气候变暖将威胁到鱼的生存，因为气候变暖会引起水中氧气减少。

问题二：气温升高 你把眼光放远一点，有地球以来气温的变化是很大的，比如几千年内温度普遍低，到处都是冰川，又几千年内比较温暖，比如北极的格陵兰岛也是青草覆盖。可见地球自身温度变化是很剧烈的。

你感觉到的一年比一年温度高只是很短的时间内的事情，到底是什么原因很难说清楚，有可能是地球自己的一种变化，也可能有人为导致的温室效应作用在里面。

至于气候变化无常，我不知道你多大年纪了，但是如果你去看过去几百年几千年的气候变化的话，说不定会发现以前也如此发生过，所以说现在是否属于异常完全要看你的着眼点是多久。

不过人类活动肯定是对地球气候有影响的，但是影响多大没有定论。

问题三：环境污染与全球气候变化的关系 人们都知道现代社会的环境污染，然而很少人去思考过它的严重程度，以及对我们和后代生活方式、生存环境的影响。最近，《科学》杂志连续4期以「地球的状况」 （State of the Planet）为题发表了多篇这一领域的学术论文；《自然》杂志也在12月4日有数篇这类文章，指出这一问题已迫在眉睫。

在 12月5日《科学》杂志上一篇题为「全球空气质量及污染」（Global Air Quality and Pollution）的文章中，日本科学家Hajime Akimoto研究了环境污染及现代交通工具对大气、农业、生态环境的严重影响。比如，气溶胶（Aerosols） 以及氮氧化物 （Nitrogen Oxide）是一些已知的污染因素。而且，亚洲地区的污染已经超过北美和欧洲。文章作者指出，很显然改善空气质量需要全球各国的努力。

发表在同一期《科学》杂志上题为「当代全球的气候变化」（Modern Global Climate Change」）是报导了美国「海洋及大气管理局」（ National Oceanic and Atmospheric Administration）科学家的研究成果。文章中指出，当代社会的气候变化主要是人类的行为引起的。具体来讲，石油及矿业的开采，能源的利用，土地的不合理使用，都会改变大气的成分。

报导中说，尽管人们对气候变化的研究有所进展，但还存在许多未知因素，比如气候变化的速度会有多快。这些未知因素使得科学家们尚无法预测气候变化对人类带来的后果到底有严重。

大气污染和全球气候变化还在加剧，这也意味著我们正在给人类未来的生存造成越来越大的难度。因此，如何面对和解决这一问题也就成了刻不容缓的事情。

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一、前言

自从有人类以来，为了求生存以及求更好的生存环境，人类不断向大自然争取生存空间，成为影响环境变迁的因素之一。人类居住越久、人口越多的地方，受到的影响也越大。当人口稀少、科技不发达，人类焚烧森林扩张耕地，对大自然的影响是区域性而且缓慢的。随著人口快速增加、科技不断突飞猛进，人类的影响不断加速而且扩大影响范围，假以时日演化成森林缩小、土壤流失、水污染、空气污染、降低生物的多样性、沙漠化,甚至可能导致全球气候变迁。

工业革命以来，人类大量地制造二氧化碳、氧化亚氮、甲烷、氟氯碳化物等温室气体。人类对大自然的影响不再只是局限於地表，而是扩张至大气，而且藉由大气的运动，将影响逐渐布及全球，大幅提高了全球暖化的可能性。科学家也因此惊觉到气候不只变幻莫测，更可能因人类的过度发展而发生更剧烈的变化。1980年代以来，全球平均气温迅速上升，不寻常的天气与气候现象频频发生频率，使得气候变迁突然成为世人瞩目的议题。

本文从科学的角度，讨论温室气体增加可能产生的气候变迁，预测气候变迁所面临的科学问题，以及我们应采取的态度。

二、温室效应

温室效应是一自然现象，自盘古开天以来，就存在於地球。如果地球没有大气，在辐射平衡状态下，地球表面的平均温度约为 -18° C，比目前地表的全球平均气温15° C低了许多。大气的存在使地表气温上升了约33° C，温室效应是造成此一温度差距的主要原因。地球大气中的许多气体几乎不吸收可见光，但专门吸收地球放射出去的辐射。这些气体，允许约50%的太阳辐射穿越大气为地表吸收，但却拦截几乎所有的地表及大气辐射出的能量，减少能量的损失，并且再将之放射出来，使得地表及对流层温度升高。大气......>>

问题四：全球碳循环与全球气候变化有什么联系？ 全球碳循环：指碳素在地球各个圈层之（大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈）间的迁移转化和循环周转的过程。就能量来说，全球碳循环中最重要的二氧化碳的循环，甲烷和一氧化碳是次要的循环。

它的主要过程是：1、生物的同化过程和异化过程，主要是光合作用和呼吸作用；2、大气和海洋之间的二氧化碳；3、碳酸盐的沉定作用；

碳循环途径：1、在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环；2、大气二氧化碳和植物之间的个体水平上的循环；3、大气二氧化碳――植物――动物――微生物之间的食物链水平上的循环；4、此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。

碳循环的意义：1、碳是构成生物有机体的最重要元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题；2、人类活动通过化石燃料大规模使用，从而造成了对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的重要原因。

问题五：为什么说全球变暖与生态系统碳循环关系密切 一、全球变暖是大气中二氧化碳温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高造成的。森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的一个大碳汇，在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿公顷，其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt，森林生态系统地上部的含碳量为483Gt，占了86%。全球陆地生态系统地下部含碳量为1 272Gt，而森林地下部含碳约927Gt，占整个世界土壤含碳量的73%。

二、碳元素在自然界的循环状态，生物圈中的碳循环主要表现在绿色植物从空气中吸收二氧化碳，经光合作用转化为葡萄糖，并放出氧气（O2）。绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后，残体中的碳,通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。

三、全球碳循环是指碳素在地球各个圈层之（大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈）间的迁移转化和循环周转的过程。就能量来说，全球碳循环中最重要的二氧化碳的循环，甲烷和一氧化碳是次要的循环。而生态系统九承担了这个重要任务。

三、生态系统碳循环的主要过程是生物的同化过程和异化过程，主要是光合作用和呼吸作用；发挥大气和海洋之间的二氧化碳；碳酸盐的沉定作用。

四、生态系统碳循环途径，通过光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环；大气二氧化碳和植物之间的个体水平上的循环；大气二氧化碳――植物――动物――微生物之间的食物链水平上的循环；此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。

五、生态系统碳循环的意义，在于碳是构成生物有机体的最重要元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题；人类活动通过化石燃料大规模使用，从而造成了对于碳循环的重大影响，是当代气候变化的重要原因。

问题六：气候变化和治理污染环境两者之间可以等同 人们都知道现代社会的环境污染，然而很少人去思考过它的严重程度，以及对我们和后代生活方式、生存环境的影响。最近，《科学》杂志连续4期以「地球的状况」 （State of the Planet）为题发表了多篇这一领域的学术论文；《自然》杂志也在12月4日有数篇这类文章，指出这一问题已迫在眉睫。

在 12月5日《科学》杂志上一篇题为「全球空气质量及污染」（Global Air Quality and Pollution）的文章中，日本科学家Hajime Akimoto研究了环境污染及现代交通工具对大气、农业、生态环境的严重影响。比如，气溶胶（Aerosols） 以及氮氧化物 （Nitrogen Oxide）是一些已知的污染因素。而且，亚洲地区的污染已经超过北美和欧洲。文章作者指出，很显然改善空气质量需要全球各国的努力。

发表在同一期《科学》杂志上题为「当代全球的气候变化」（Modern Global Climate Change」）是报导了美国「海洋及大气管理局」（ National Oceanic and Atmospheric Administration）科学家的研究成果。文章中指出，当代社会的气候变化主要是人类的行为引起的。具体来讲，石油及矿业的开采，能源的利用，土地的不合理使用，都会改变大气的成分。

报导中说，尽管人们对气候变化的研究有所进展，但还存在许多未知因素，比如气候变化的速度会有多快。这些未知因素使得科学家们尚无法预测气候变化对人类带来的后果到底有严重。

大气污染和全球气候变化还在加剧，这也意味著我们正在给人类未来的生存造成越来越大的难度。因此，如何面对和解决这一问题也就成了刻不容缓的事情。

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一、前言

自从有人类以来，为了求生存以及求更好的生存环境，人类不断向大自然争取生存空间，成为影响环境变迁的因素之一。人类居住越久、人口越多的地方，受到的影响也越大。当人口稀少、科技不发达，人类焚烧森林扩张耕地，对大自然的影响是区域性而且缓慢的。随著人口快速增加、科技不断突飞猛进，人类的影响不断加速而且扩大影响范围，假以时日演化成森林缩小、土壤流失、水污染、空气污染、降低生物的多样性、沙漠化,甚至可能导致全球气候变迁。

工业革命以来，人类大量地制造二氧化碳、氧化亚氮、甲烷、氟氯碳化物等温室气体。人类对大自然的影响不再只是局限於地表，而是扩张至大气，而且藉由大气的运动，将影响逐渐布及全球，大幅提高了全球暖化的可能性。科学家也因此惊觉到气候不只变幻莫测，更可能因人类的过度发展而发生更剧烈的变化。1980年代以来，全球平均气温迅速上升，不寻常的天气与气候现象频频发生频率，使得气候变迁突然成为世人瞩目的议题。

本文从科学的角度，讨论温室气体增加可能产生的气候变迁，预测气候变迁所面临的科学问题，以及我们应采取的态度。

二、温室效应

温室效应是一自然现象，自盘古开天以来，就存在於地球。如果地球没有大气，在辐射平衡状态下，地球表面的平均温度约为 -18° C，比目前地表的全球平均气温15° C低了许多。大气的存在使地表气温上升了约33° C，温室效应是造成此一温度差距的主要原因。地球大气中的许多气体几乎不吸收可见光，但专门吸收地球放射出去的辐射。这些气体，允许约50%的太阳辐射穿越大气为地表吸收，但却拦截几乎所有的地表及大气辐射出的能量，减少能量的损失，并且再将之放射出来，使得地表及对流层温度升高。大气放......>>

问题七：答案及详细过程 3.

原式=lgb/lga+lga/lgb

=(lg2b+lg2a)/(lga+lgb)

韦达定理得

lga+lgb=1

lga*lgb=-2代入得

原式=（1+4）/-2=-5/2

4.log2(ab)=log2(a）+log2(b)

因为a>0,b>0

所以log2(a）>0,log2(b)>0

log2(a）+log2(b)≥2根号log2alog2b=16

最小值16

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