气候变化与古环境记录

　　全球变化最集中的表现就是天气的变化，这也是社会公众日益关心的问题。据生物学家介绍，人类来到这个世界上就是气候变迁的结果。若地球上的气候一成不变，永远温暖如春、风调雨顺，那么现在统治世界的就很可能是猴子。若照这个逻辑走得极端一些，甚至就根本不会产生生命。而自从人类来到这个世界上，就一直面临着两种挑战：来自人类本身的和来自大自然的。人类正是在这两种挑战的反复较量中发展起来的，这就是人类的文明史。

　　在人类与大自然的较量中，最经常最直接的对手是天气。但在相当长的历史时期中，人类并不知道天气为何会有如此反复无常的变化，因此把苍天认为是主宰人间万物生灵的神，是前生今世因果报应的命运。直到工业革命以后，人们才逐渐认识到天气不过是一种自然现象，相信人类一定能够找到天气变化的精确规律，就像严格的数学推理一样进行准确的气象预报。然而，经两个多世纪的辛苦努力，气象科学却始终裹足不前，仍停留在描述与数据积累的水平。平心而论，气象科学是各国政府投入最多的学科之一，但是直到不久前，公众对天气预报还是抱着将信将疑的态度。在世界不少地区，以现代科学身分自居的气象预报的准确性甚至往往比不上大字不识、却有丰富经验的当地老农。以至于有些终生从事气象科学研究的学者也暗暗怀疑，气象科学究竟算不算得上是一门科学。因为这项工作竟然不需要太多的思考，只要记录数据，然后根据经验公式发表天气预报就行了。

　　一直到本世纪60～70年代，气象学和气候学家才第一次认识到这个行星气候系统的整体特征。这种新的认识实际上是一次观念上的巨大飞跃，科学家们好像是从宇宙太空中俯视这个蔚蓝色星球，来研究它整体的大气扰动与水的循环。只有到了大科学时代，到了人类具备组织全球规模科学合作能力的今天，从整体地球系统角度探索天气变化的规律才成为可能。气象科学从观念到装备全部焕然一新，随着气象卫星、超大型计算机、复杂的非线性多因子数学模型、遍布全球统一行动的台站网络、不间断的数据交换等技术和设备的出现，今天的气象科学可以当之无愧地称为真正的现代科学。

　　地球以每秒30公里的速度，围绕着1.5亿公里以外的太阳奔跑，周期一年；而太阳系又以每秒250～300公里的速度围绕着银河系的中心（银心）奔跑，周期约两亿年。当然还有更大尺度的运动，但由于对地球的作用微乎其微，所以暂时不考虑。所有这些太阳系与银河系的运动都可能对地球的气候施加周期性的影响。从日－地系统的角度来看，控制地球气候变化的首要因素是太阳的直接入射能量（日照率），其次是地球在太阳系中运行轨道的变化，然后是太阳系在银河系中运行轨道的周期。据目前的研究资料，与太阳日照率关系最大的周期性运动有：10万年的地球轨道偏心率变化的米兰科维奇旋回，与地球百万年来冰期涨落的主周期呈现模糊的对应关系，轨道偏心率变化对日照率的全球总影响大约0.1％；4.1万年的旋转轴倾斜变化周期（摆动旋回），只对地球中、高纬度的气候有影响；及1.9～2.2万年的岁差周期（进动旋回），仅在热带地区勉强找到些相应的气候变化迹象。

　　地球系统并不是一个理想的线性体系。在线性体系中，任何初始条件的变化都可以经过准确的传导与转换过程而产生准确的必然结果。而地球系统是一个开放的非线性系统。地球系统的非线性特征是由于构成它的基本组元（大气圈、水圈、岩石圈、生物圈）本身都是非线性的。它的开放性则是由于它无法逃避太阳、地核、人类活动等外部系统的物质、能量及信息的输入与影响。而地球的气候系统又是个非周期系统，即一种不断重复但却从不真正重复的没有定态的系统。对于任何与气候有关的外源扰动，地球系统的内部动力机制都可能有两种反应：一是放大扰动，使系统趋于失稳而发生气候突变，叫做正反馈；一是逐渐减弱外界影响来维持原有平衡，叫做负反馈。而和全球宏观气候变化关系最密切的内部动力机制就是地球的大气对流、大洋环流和生物活动。在太阳作用下，有3个影响气候变化的最关键机制：日－地热辐射平衡、大气对流和大洋环流。

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