气候系统：与生物圈高度耦合的多层复杂系统 | 集智百科
地球的气候由主要气候系统 Climate system的五个组成部分相互作用产生：大气层（空气）、水圈（水）、冰圈（冰和永久冻土）、岩石圈（地球的上层岩石层）和生物圈（生物）。气候是一种平均的天气，通常以30年为周期，由气候系统中的各种过程（如洋流和风型）共同决定。大气层和海洋中的环流主要由太阳辐射驱动，能够将热量从热带地区输送到从太阳获得能量较少的地区。水循环也将能量转移到整个气候系统中。此外，生命所必需的不同化学元素在不同成分之间不断地循环。
气候系统可能会由于内部的变化和外部的强迫而发生变化。这些外部强迫可能是自然现象，比如太阳强度的变化和火山爆发，也可能是由人类引起的。吸热性温室气体的积累正在导致全球变暖，主要是由人类燃烧的化石燃料排放。人类的活动也会释放起冷却作用的气溶胶，但是它们的净效应远小于温室气体。不同气候系统组成部分的反馈过程可以放大这些变化。
气候系统的五个组成部分在相互作用
气候系统的组成部分
大气层包裹着地球，从地表延伸了数百公里。它主要由惰性氮气（78%）、氧气（21%）和氩气（0.9%）组成。大气中一些微量气体是对气候系统运行最为重要的气体，如水蒸气和二氧化碳，因为它们是温室气体，允许来自太阳的可见光穿透到地球表面，但是阻止地球表面放射出的一些红外线辐射，以平衡太阳辐射。这种现象使地球表面温度上升。这将导致表面温度上升。水循环是水在大气中的运动。水循环不仅决定了降水的模式，而且影响整个气候系统的能量运动。
水圈包含了地球上所有的液态水，其中大部分都在海洋中。海洋覆盖了地球表面的71%，平均深度接近4公里（2.5英里），海洋热量的含量远远大于大气层承载的热量。海水含盐量平均约为3.5%，但在空间上有所不同。微咸水存在于河口和一些湖泊中。大多数淡水都被保存在冰雪中，总量占所有水量的2.5%。
气候系统中固态的水都在冰冻圈中。冰冻圈包括海冰、冰原、永久冻土层和积雪覆盖层。因为北半球比南半球有更多的土地，所以北半球的大部分地区都被雪覆盖了。南北半球有相同数量的海冰。格陵兰岛和南极洲的冰原中含有大量结冰的水，平均高度约为2公里（1.2英里）。这些冰原慢慢地流向它们的边缘。
地壳，特别是山脉和山谷，塑造了全球的风型：广阔的山脉形成了抵御风的屏障，并影响了降雨的地点和数量。靠近开阔海洋的陆地比远离海洋的陆地的气候更为温和。为了模拟气候，土地通常被认为是静态的，因为与构成气候系统的其他元素相比，土地的变化非常缓慢。大陆的位置决定了海洋的几何形状，并因此影响了海洋环流的模式。海洋的位置对于控制全球热量和水分的传递非常重要，因此，对于决定全球气候也非常重要。
最后，生物圈也与气候系统的其他部分相互作用。植被通常比下面的土壤更暗或更浅，所以太阳的热量或多或少会被植被覆盖的地区吸收。植被善于捕获水分，然后水被植被的根吸收。如果没有植被，这些水就会流向最近的河流或其他水体。最后，生物圈也与气候系统的其他部分相互作用。植被通常比下面的土壤更暗或更浅，所以太阳的热量或多或少会被植被覆盖的地区吸收。植被善于捕获水分，然后水被植被的根吸收。如果没有植被，这些水就会流向最近的河流或其他水体。被植物吸收的水会蒸发，从而促进水循环。降水和温度影响着不同植被带的分布。小型浮游植物的生长从海水中吸收的碳几乎和大气中的陆地植物一样多。虽然从技术上讲，人类是生物圈的一部分，但由于人类对地球的巨大影响，它们通常被视为地球气候系统的独立组成部分，即人类圈。
能量、水和元素的流量
地球的大气环流是由赤道和两极之间的能量不平衡驱动的。它还进一步受到地球绕其自身轴线自转的影响。
能量和大气环流
气候系统接收来自太阳的能量，从地核获得的能量要少得多，从月球获得的潮汐能也是如此。地球以两种形式向外层空间释放能量：它直接反射一部分太阳辐射能，并发出红外线辐射，称为黑体辐射。输入和输出能源的平衡，以及能量通过气候系统的过程，决定了地球的能量收支。当输入的总能量大于输出能量时，地球的能量收支为正，气候系统会变暖。如果更多的能源消耗出去，能量收支是负的，地球会变冷。
到达热带地区的能量比到达极地地区的能量多，温差驱动了大气和海洋的全球环流。变暖时空气上升，向极地流动，冷却时再次下沉，返回赤道。由于角动量守恒，地球的自转使空气在北半球向右转移，在南半球向左转移，从而形成了不同的大气单元。季风，风和降水的季节性变化主要发生在热带地区，因为陆地比海洋更容易升温。温差引起陆地和海洋之间的压差，驱动稳定的风。
含盐量较高的海水具有较高的密度，密度差异在海洋环流中起着重要作用。热盐环流将热量从热带地区输送到极地地区。海洋环流进一步被风的相互作用驱动。盐的组分也会影响冰点的温度。垂直运动可以将更冷的水带到表面，这一过程称为上升流，使上面的空气冷却。
水循环
水循环描述了它是如何不断地在地球表面和大气层之间移动的。植物蒸腾，阳光蒸发海洋和其他水体中的水分，留下盐和其他矿物质。蒸发的淡水后来又降回到地表。降水和蒸发量在全球范围内的分布并不均匀，一些地区，如热带地区的降雨量大于蒸发量，而其他地区的蒸发量多于降雨。水的蒸发需要大量的能量，而在凝结过程中会释放出大量的热量。这种潜伏的热量是大气中能量的主要来源。
生物化学循环
碳在气候系统的不同元素之间不断输送:由生物固定，通过海洋和大气输送。
对生命至关重要的化学元素不断地通过气候系统的不同组成部分进行循环。碳循环对气候直接重要，因为它决定了大气中两种重要温室气体的浓度：二氧化碳和甲烷。在碳循环的快速阶段，植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳；这些二氧化碳随后通过生物的呼吸重新释放出来。作为缓慢碳循环的一部分，火山通过脱气释放二氧化碳，从地壳和地幔中释放二氧化碳。由于大气中的二氧化碳使雨水有点酸性，这种雨可以慢慢溶解一些岩石，这个过程被称为风化。以这种方式释放出来的矿物质，被运送到海洋中，被生物利用，它们的遗骸可以形成沉积岩，将碳带回岩石圈。
氮循环描述了活性氮的流动。由于大气中的氮是惰性的，微生物首先必须将其转化为活性氮化合物，这个过程被称为固氮，然后才能被用作生物圈的组成部分。人类活动在碳循环和氮循环中都发挥着重要作用：化石燃料的燃烧已经将碳从岩石圈转移到大气中，而化肥的使用也大大地增加了可用的固定氮的数量。
气候系统内部的变化
气候不断变化，时间尺度从季节到地球的寿命不等。由系统自身的组成部分和动态引起的变化被称为内部气候变化。该系统也可以经历来自系统外部现象的外力（例如，地球轨道的变化）。更长的变化，通常被定义为持续至少30年的变化，被称为气候变化，尽管这个短语通常指当前的全球气候变化。当气候变化时，影响可能会相互作用，以一系列的气候反馈穿过系统的其他部分（如反照率变化），产生许多不同的影响（如海平面上升）
内部变化性
12月正常海面温度与1997年强烈厄尔尼诺现象期间温度的差异。厄尔尼诺现象通常会给墨西哥和美国带来更潮湿的天气。
即使没有外部推动（外部强迫），气候系统的组成部分不断变化。其中的一个例子是，在大气层中北大西洋振荡(NAO)，它作为大气压力跷跷板。葡萄牙亚速尔群岛的压力通常都很高，而冰岛上空的压力通常都较低。压力的差异会产生振荡，这将影响北大西洋地区到欧亚大陆中部的天气模式。例如，格陵兰岛和加拿大的天气在NA性期间是寒冷和干燥的。北大西洋振荡的不同阶段可以持续数十年。
海洋和大气也可以共同作用，自发地产生内部的气候变化，一次可以持续数年到几十年。这种类型变化的例子包括厄尔尼诺-南方振荡、太平洋年代际振荡和大西洋数十年振荡。这些变化不仅可以通过在深海和大气之间重新分配热量来影响全球平均地表温度；而且也可以通过改变云、水蒸气或海冰的分布来影响地球的总能量收支。
由于海洋的质量比大气多数百倍，这些振荡在海洋方面可以在百年时间尺度上产生变化，因此具有非常高的热惯性。例如，热盐环流等海洋过程的改变在世界海洋中重新分配热量中起着关键作用。了解内部变化有助于科学家将最近的气候变化归因于温室气体。
外部气候强迫
在长时间尺度上，气候主要取决于系统中有多少能量和能量的去向。当地球的能量收支发生变化时，气候会随之而来。能量收支的变化被称为强迫，当变化是由气候系统的五个组成部分之外的某种东西引起时，这种变化被称为外部强迫。例如，火山是由于地球内部的深层过程，而这些过程并不被认为是气候系统的一部分。行星外的变化，如太阳的变化和到来的小行星，也是气候系统五个组成部分的“外部”，人类的行动也是如此。
量化和比较气候强迫的主要价值是辐射强迫
入射阳光
太阳是地球主要的输入能量来源，驱动大气环流。来自太阳的能量在较短的时间尺度上发生变化，包括11年的太阳周期和较长的时间尺度。虽然太阳周期太小，不能直接使地球表面变暖和变冷，但它确实直接影响大气层的更高层，即平流层，这可能会对地表附近的大气产生影响。
地球运动的微小变化会导致到达地球表面的阳光的季节性分布以及全球分布的巨大变化，尽管不会影响到全球和年平均阳光。这三种类型的运动学变化分别是地球偏心率的变化、地球自转轴倾斜角度的变化和地球旋转轴的运动。这些因素共同产生了米兰科维奇旋回，它们影响着气候，并且与冰川期和间冰期有着显著的相关性。
温室气体
温室气体通过吸收长波辐射，将热量捕获在大气层的下部。在地球的过去，许多过程导致了温室气体浓度的变化。目前，人类的排放是导致一些温室气体浓度增加的原因，如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。造成温室效应的主要因素是水蒸气（~50%），其中云（~25%）和二氧化碳（~20%）也发挥了重要作用。当二氧化碳等长期存在的温室气体浓度升高，温度上升时，水蒸气的数量也会增加，因此水蒸气和云不会被视为外部强迫，而是反馈。岩石风化是一个从大气中去除碳的非常缓慢的过程。
气溶胶
大气中的液体和固体颗粒，统称为气溶胶，对气候有不同的影响。有些主要是散射阳光，从而使地球降温，而另一些则是吸收阳光，使大气变暖。间接效应包括气溶胶可以作为云的凝结核，刺激云的形成。气溶胶的天然来源包括浪花、矿物尘埃、陨石和火山，但人类活动也会导致火灾或化石燃料燃烧，向大气中释放气溶胶。气溶胶可以抵消部分温室气体排放的变暖效应，但只能在几年或更短的时间内落到表面。
从1979年到2010年的大气温度，由美国宇航局卫星确定，主要火山爆发（埃尔奇肯和皮纳图博）释放的气溶胶。厄尔尼诺现象是海洋变化的个别事件。
虽然火山在技术上讲是岩石圈的一部分，岩石圈本身是气候系统的一部分，但火山活动被定义为一种外部强迫。平均而言，每世纪只有几次火山喷发，通过向平流层喷出数吨的二氧化硫来影响地球的气候超过一年。二氧化硫通过化学方式转化为气溶胶，通过阻挡地球表面的一部分阳光来导致降温。小的喷发对大气的影响很微妙。
土地使用和覆盖物变更
土地覆盖的变化，如水覆盖的变化（例如海平面上升、湖泊干涸和洪水爆发）或森林砍伐，特别是通过人类利用土地，都会影响气候。该区域的反射率可能会发生变化，导致该区域能够捕获的阳光有所减小。此外，植被与水循环相互作用，因此降水也会受到影响。地表火灾向大气中释放温室气体，释放黑碳，使雪变黑，使其更容易融化。
响应和反馈
气候系统的不同要素以不同的方式对外部强迫作出反应。这些组分之间的一个重要区别是它们对强迫的反应速度。大气通常会在几个小时到几周内做出反应，而深海和冰原则需要几个世纪到几千年的时间才能达到一种新的平衡。
组分对外力强迫的初始响应可以通过负反馈抑制，通过正反馈增强。例如，太阳强度的显著降低会迅速导致地球温度的下降，从而使冰雪覆盖面积扩大。额外的冰雪具有更高的反照率或反射率，因此在被整个气候系统吸收之前，会将更多的太阳辐射反射回太空；这反过来会导致地球进一步降温。
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