全球变化的时间尺度
2006-02-23 00:39阅读：
从时间的尺度看，全球变化可以划分为5个特征时间尺度（陈效逑，2001），从大到小分别为：
（一）几百万年至几十亿年
这一时间尺度的事件发生在地质历史时期内，它们受地球行星演化规律与进程的控制。从人类认识的角度看，属于不可逆过程中的事件。根据地质学和地球物理学的研究，地球大约经历了45亿年的历史，其间，固体地球的形成完成于地球诞生后的1亿年之内。此后，岩石圈板块的运动导致地球上沧海桑田的演变，陆地上的造山运动和造陆运动形成山脉、高原等大的地形单元，大气圈和水圈的形成与演变，以及生命的起源和原始人类的出现等都属于这一特征时间尺度的事件。
（二）几千年至几十万年
这一时间尺度的事件发生在距今最近的一个地质时期——第四纪的晚期和人类历史时期内，主要受到地球轨道参数如偏心率、黄赤交角和岁差等变化的影响。
由于地球轨道参数的变化可以改变整个地表系统或某个纬度带接受的太阳辐射量及其季节分配状况，并且具有几万年的周期，从而使得太阳辐射驱动下，在大气—海洋—陆地界面上发生的事件及其过程也具有准周期性变化的特点，属于可逆过程中的事件。典型事件包括第四纪冰期—间冰期的交替，以及海平面的升降，伴随着冷暖、干湿变化的大气成分，如尘埃含量的变化；古土壤层的发育；生物种的分布、迁移和灭绝，以及人类文明的诞生与发展，如北京猿人出现于0.5MaB.P.、丁村文化出现于0.12MaB.P.、仰韶文化出现于7～5kaB.P.。
(三)几年至几百年
这一时间尺度的事件发生在年际、年代际到世纪际，主要驱动因子包括太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺—南方涛动等自然因子和大气温室效应的增强等人为因子。
研究表明，太阳活动具有大致
11a和80a～90a的周期，火山尘埃指数的变化具有大致70a的周期，赤道平流层纬向风具有准两年的振荡，厄尔尼诺—南方涛动具有3a～7a的短周期和大约70a的长周期，而近百年来地球大气中温室气体CO2含量的变化则呈现出逐渐上升的趋势。因此，受这些因子影响发生的事件多具有周期性、趋势性和突变性的综合特点。典型事件包括全球气温的趋势性上升，气温、海温、降水量、径流量、地表侵蚀、植物物候期及生长季节等的准周期性波动和突变，以及植物种群结构的变化和植被带的可能移动。
（四）几天至几个季度
这一时间尺度的事件发生在数天到一年之内，其本质特征是季节的更替，主要驱动因子是太阳辐射量输入的年循环。与地表系统中较长时间尺度的变化相比，季节变化属于一种规则的韵律波动或周期性变化，它构成了地表能量流、物质流和信息流等以年为周期变化的时间背景，并且与人类的物质生产(农、林、牧、渔业)和精神文化生活(旅游、节庆、娱乐、着装等)的关系特别密切。季节性发生的典型事件包括有易于被人们感受到的大气环流的季节振荡，气温、降水和地表径流的季节波动，植物群落季相和农事季节的更替，候鸟的迁飞，昆虫的活动，以及不易于被人们感受到的土壤-植物-大气之间生物地球化学循环的年际变化。
（五）几秒至几小时
这一时间尺度的事件发生在数秒到一天之内，其中日变化是它的本质特征，其周期性十分规则，而其他更短时间尺度的事件大多是日变化的一种瞬时表现。太阳辐射量输入的日周期是构成这种变化的主要驱动因子。典型的事件包括气候要素如气温、湿度、气压的日变化；历时几分钟到几小时的天气现象如雷雨、冰雹、大风等；树木和土体在几小时内完成的温度变化；地表面、植物冠层与大气界面上通过分子扩散、传导和湍流时时刻刻进行着的物质、能量传递等。
除此之外，尽管地震和火山爆发积累能量的过程需要几十年至数百年时间，但其运动过程仅为几秒钟、几分钟至数天，从表象上可以列入(四)和(五)之中（陈效逑，2001）。
上述几百万年至几十亿年及几千年至几十万年这两种称长时间尺度，主要是地质学、地球物理学和地球化学研究的时间尺度；几天至几个季度和几秒至几小时这两种主要是大气科学、海洋科学和生物科学研究的尺度；几年至几百年则是全球变化研究最感兴趣的、最复杂的变化尺度。
具有长时间尺度的过程或是发生在固体地球内相当深的地方，或是发生在它表面的薄层内。由于直接观测难以接近这些区域，因此，对它们的了解大都是根据间接测量推断出来的，即根据目前在地面观测到的以及在高压高温条件下实验室的模拟进行类推得到的。然而，长时间尺度本身意味着，该领域内的那些概念通常不以现有的观测和实验为基础，而是通过对久远事件的解释而得以发展的。对具有这种时间尺度的过程进行预测通常是不可靠的。但地震和火山爆发的预报例外（这些现象具有短期效应，但它们是长期过程的结果）。
地核和地幔进程以及板块构造过程都是由地球系统的内能（放射性热和原生热）驱动的。这些过程与由太阳能所驱动的那些过程有关，在固体地球情况下，这些过程包括侵蚀及沉积物的输送和沉积。内部和外部驱动过程之间的相互作用首先是通过地形的形成和剥蚀来表现的。
生命本身对固体地球产生了重要的影响：它影响着大气中的氧气平衡进而又影响地表沉积物的化学过程；它还影响风化作用的速度以及海洋和海洋沉积物的化学过程。另一方面，长时间尺度的过程还会影响生物圈。完全有可能出现地质记录中所暗示的那种情况，即正常的演变受到灾变事件的突然影响，例如，受到巨大流星的冲击而导致一些脆弱物种在较大范围内的消失。当然，火山爆发（或火山活动期）引起这种消失也是完全有可能的。研究地质记录中的这类事件可为当今的气候模式提供关于边界条件的基本资料。
在长时间尺度范围内，固体地球变化的那些不可抗拒的过程主宰着所有其他过程，各种早期地球过程，从来自微星体的最初始积聚到生命的起源，发生在距今几十亿年以前并决定了地球系统的长期演变阶段。在这些早期事件以后，地球的历史便由下述三类主要过程所决定：
（1）地核和地幔过程。它们主导着地球的主要磁场，几乎涉及地球的所有质量和动能。
（2）板块构造过程。其作用一般在于通过地壳的形成和破坏以及大陆的形成而产生地表地貌。
（3）太阳驱动过程。其作用一般在于使高于或低于水平面的地形起伏剥蚀夷平，并使物理气候系统和生物地球化学循环系统趋于多样化。
地球的长期演变还会受到陨石和彗星撞击的影响，同时也会受到由于地球轨道参数变化引起的日射周期性变化的影响。
传统上，主要的注意力总集中于通过地质和化石记录判定重要地球事件的时间上，事实上，对长时间尺度过程的研究也能得出地球上过去气候变化的有关细节。
几十年至几百年的时间尺度内自然变化对人类有着重大的影响，且人类活动对全球过程的影响也最显著。在这一时段内，运行着两大类过程：
（1）物理气候系统。它包括大气物理学和大气动力学，海洋动力学以及地球表面湿度和能量平衡等各个子系统。
（2）生物地球化学循环，它包括海洋生物地球化学，地球生态系统以及对流层化学等各个子系统。
平流层（或中层大气）子系统介于这两类过程之间。此外上述两类过程通过到处都有的以液态水、水蒸汽和冰的形式而存在的水而密切联系着。
