第三章全球变化研究的理论与方法

1、耗散结构理论：主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对 自组织系统的影响等问题。建立在与环境发生物质、能量交换关系基础上的结 构即为耗散结构，如城市、生命等。远离平衡态、系统的开放性、系统内不同 要素间存在非线性机制是耗散结构出现的三个条件。远离平衡态，指系统内部 各个区域的物质和能量分布是极不平衡的，差距很大。
3、突变论则建立在稳定性理论的基础上，认为突变过程是由 一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，表现在数学 上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。突变论 认为，即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会 产生不同的结果，即可能达到若干不同的新稳态，每个状态都呈 现出一定的概率。
六、生物地球化学循环原理
又称生物地球化学旋回。在地球 表层生物圈中，生物有机体经由生命 活动，从其生存环境的介质中吸取元 素及其化合物(常称矿物质)，通过生 物化学作用转化为生命物质，同时排 泄部分物质返回环境，并在其死亡之 后又被分解成为元素或化合物(亦称 矿物质)返回环境介质中。这一个循 环往复的过程，称为生物地球化学循 环。生物地球化学循环还包括从一种 生物体(初级生产者)到另一种生物体 (消耗者)的转移或食物链的传递及效 应。
第一节 全球变化的一般理论基础
一、系统耦合原理
陆地系统、海洋系统、大气系统
二、自组织与生物放大作用
全球生命系统是一个自组织系统，是一个能够自我适应和自 我调节的体系
许多重金属元素、人工合成的化学物质通过生态系统中的食 物链富集，且具有全球性
自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。 它的研究对象主要是复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展 机制问题，即在一定条件下，系统是如何自动地由无序走向有序，由低级有 序走向高级有序的。它主要有三个部分组成：耗散结构理论（Dissipative Structure）、协同学（Synergertios）、 突变论（Calastrophe Theory）。
第三章 全球变化研究的理论与方法
教学目的
弄清全球变化研究的一般理论及其在理论方面的借鉴； 掌握全球变化研究的采用方法及其在主要研究中应用情况； 熟悉全球变化研究的最新研究方法及其在研究方法上的创新 弄清遥感(RS)在的基本原理； 熟悉RS在痕量气体监测、LUCC等研究中的应用情况及其所 取得研究结果； 了解数值模拟方法的要求及其基本原理； 掌握数值模拟在气候模拟、碳循环模拟与气候变化评价方面 的应用与模型。
三是寄生性食物链，是以大动物为基础，小动物寄生到大动物 上形成的食物链。如哺乳类-跳蚤-原生动物-细菌-过滤性病毒。
四是腐生性食物链，指的是以腐烂的动植物尸体为基础，然后 被微生物所利用。
生物放大作用就是通过食物链完成的。总的说来，初级生产者 所产生和固定的能量、物质，通过一系列取食和被食的关系而在 生态系统中传递，便可形成生物富集或生物放大。
生物放大
在生态环境中，由于食物链的关系，一些物质如金属元素或 有机物质，可 以在不同的生物体内经吸收后逐级传递，不断积聚 浓缩；或者某些物质在环境中的起始浓度不很高，通过食物链的 逐级传递，使浓度逐步提高，最后形成了生物富集或生物放大作 用。
例如，海水中汞的浓度为0.0001mg/L时，浮游生物体内含汞 量可达001-0.002mg/L，小鱼体内可达0.2-0.5mg/L，而大鱼体内可 达1-5 mg/L，大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。生物放大作 用可使环境中低浓度的物质，在最后一级体内的含量提高几十倍 甚至成千上万倍，因而可能对人和环境造成较大的危害。
2、协同学主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为系 统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各序参量之间 的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接根源。涨落是由于系 统要素的独立运动或在局部产生的各种协同运动以及环境因素的 随机干扰，系统的实际状态值总会偏离平均值，这种偏离波动大 小的幅度就叫涨落。当系统处在由一种稳态向另一种稳态跃迁时， 系统要素间的独立运动和协同运动进入均势阶段时，任一微小的 涨落都会迅速被放大为波及整个系统的巨涨落，推动系统进入有 序状态。
三、连锁反应与量变引起质变原理
地球上某一物种的灭绝或敏感性充分的变化将引起一系列的 连锁反应
地球上某一成分在某一阈值或数量以内，起作用较小，而超 过一定的阈值，其群体或作用凸现
四、多样性源自文库理
地球上的生物是丰富多彩的，丰富的生物多样性构成了稳定 的生态系统，是进化的结果，是稳定地球环境的基础
地壳
五、温室效应原理
生物放大作用是通过食物链完成的，而食物链可以分为几种形 态。在生态系统中，根据生物间的食物关系，可将食物链分为四 类。
一是捕食性食物链，它是以植物为基础，后者捕食前者。如青 草-野兔-狐狸-狼-虎。
二是碎食性食物链，指的是以碎食物为基础形成的食物链。如 树叶碎片及小藻类-虾（蟹）-鱼-食鱼的鸟类。
地球大气的这种保温作用，很类似于种植花卉的暖房顶上的 玻璃(因此温室效应也称暖房效应或花房效应)。因为玻璃也有透 过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射的保温功能
二氧化碳能够透射太阳短波辐射，使它达到地表增温，但对 于地面长波辐射却善于吸收，特别是对波长在13-17μm波谱范围 内有强烈的吸收能力. 使得地面辐射能够大量截留在大气二氧化 碳层内，不逸入宇宙空间.
全球的地面平均温度约为15℃。可是，如果没有大气，地球 的地面平均温度应为－18℃。这33℃大体就是因为地球有大气， 像一条被子一样，造成大气温室效应之故
世界上，宇宙中任何物体都辐射电磁波，物体温度越高，辐 射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃，它发射的电磁波 长很短，称为太阳短波辐射(其中包括从红到紫色的可见光)。地 面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也时时刻刻向外辐射电磁 波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面 长波辐射。
短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的：大气 对太阳短波辐射几乎是透明的，却强烈吸收地面长波辐射。大气 在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的长波 辐射(因为大气温度比地面更低)。其中向下到达地面的部分称为 逆辐射。地面接受到逆辐射后就会升温，或者说大气对地面起到 了保温作用。这就是大气温室效应的原理。