第六章全球变化及其对生物的影响讲课教案

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1、第六章全球变化及其对生物的影响 第一节全球变化及其研究进展 一 概念指由大气圈 水圈 生物圈和岩石圈组成的地球环境系统发生了异常变化 对人类和生物的生存产生不良影响的环境变迁 地球生态系统正逼近9大极限 根据对地球系统的科学认识 研究小组确定了9个对人类生存至关重要的 地球生命支持系统 并对目前人类的消耗水平和系统的 临界点 进行了量化和评估 研究人员警告称 一旦9个临界点全部或者大部分被突破 人类生存环境将面临 不可逆转的变化 此后的地球将不再像今天这样的 和蔼可亲 1 海洋酸化 海洋酸化严重威胁到珊瑚礁的生存指标 全球文石 也称霰石 是一种亚稳态的碳酸钙 饱和度比率临界点 2 75 1工业

2、化前水平 3 44 1当前值 2 9 1评估 本世纪中叶将有部分海洋超出警戒线 全球海洋浅层海水的pH值已由8 16下降到了8 05 2 臭氧浓度 臭氧层变薄与气候变化间可能也存在着某种关联指标 平流层臭氧浓度临界点 276个多布森单位当前值 283个多布森单位评估 安全但亟待改善 3 淡水消耗量 淡水资源匮乏已成为全球性问题标准 淡水年消耗量临界点 4000立方公里当前值 2600立方公里评估 本世纪中叶将达极限 4 生物多样性 生态多样性遭到巨大破坏指标 百万物种年灭绝数量临界点 10当前值 100评估 严重超标2009年底 国际自然保护联盟的报告显示 其评估的44838个物种中 有169

3、28种达到了濒临灭绝的状态 其中包括八分之一的鸟类 五分之一的哺乳动物 四分之一的珊瑚和三分之一的两栖类动物 5 氮磷循环 指标1 大气年固氮量临界点 350万吨当前值 1210万吨评估 严重超标指标2 海洋中所检测到的年均磷流失量临界点 1100万吨当前值 90万吨诊断 尚未超过 6 土地使用率 指标 用于耕种的非冻土比例临界点 15 当前值 12 评估 本世纪中叶将达极限 7 二氧化碳浓度 二氧化碳浓度已超过临界点指标 大气中二氧化碳浓度临界点 350ppm 百万分比浓度 工业化前水平 280ppm当前值 387ppm评估 超出极限 8 气溶胶浓度 指标 尚无临界点 未知因为来源不同 形成

4、过程不同 对环境的影响也很难准确评估 例如 主体成分为硫酸盐的气溶胶会具有反射太阳辐射的作用 从而产生制冷效应 主体成分为烟尘的气溶胶则会吸收太阳辐射 导致温室效应 因此 就全球范围而言 这些微粒的综合作用目前还无法判断 也无法给出临界点 9 化学污染 人为排放和化学污染是人体健康的 杀手 指标 尚无临界点 未知 第二节温室效应及其对生物的影响 一 概念green houseeffect 1 自然温室效应 大气层中的二氧化碳等气体物质的大量聚集 可以吸收近地表的太阳长波辐射 并将其反射回地表 从而使地表增温的现象 2 人为温室效应 由于化石燃料燃烧 森林砍伐和工业活动等人类活动改变了大气成分

5、破坏了自然温室效应的热平衡 导致全球气候急剧变暖 从而成为一个全球环境问题 称人为温室效应 二形成 1 机理 大气层能透过太阳辐射的短波光 能反射和吸收从地面反射的长波光 阻挡地面的热量向宇宙扩散 从而使地表增温的现象 全球变暖问题 主要指人为活动造成的温室气体增加 温室效应增强带来的气候变化 人类活动对气候变暖的影响主要表现为由于工业生产需要的化石燃料使用量大增 人口激增城市化发展等引起人为排放的二氧化碳等温室气体不断增加 热带森林和温带植被破坏严重 光合作用吸收二氧化碳的能力减弱 温室气体 大气层中的有些微量气体 可以让太阳短波辐射自由通过 同时吸收地面发出的长波辐射 当它们在大气中的浓度

6、增加时 就会加剧温室效应 引起地球表面和大气层下沿温度升高 这些气体叫做温室气体 2 温室气体的种类1 二氧化碳 由于大量使用煤 石油 天然气等石化燃料 全球的二氧化碳正以每年约六十亿吨的量增加 是造成温室效应的主要气体 对全球温暖化的贡献率达60 近千年来大气CO2浓度的变化 2 甲烷 CH4 有机物发酵及物质不完全燃烧的过程会产生甲烷 主要来自牲畜 水田 掩埋场及机动车的排放 一个甲烷分子的增温效应大约是一个二氧化碳分子的7 5倍 贡献率达15 30 3 氧化亚氮 N2O 由燃烧石化燃料 微生物及化学肥料分解所排放 主要来源于天然源 即土壤中的硝酸盐经细菌的脱氮作用而生成 贡献率达5 4

7、氯氟烃 氟里昂CFCs 目前以CFC 11 CFC 12 CFC 113为主 使用于冷气机 电冰箱的冷媒 电子零件清洁剂 发泡剂 是造成温室效应的气体 贡献率达12 一个氯氟烃分子的效应比一个二氧化碳分子大5000 10000倍 5 臭氧 O3 来自汽车等所排放的氮氧化物及碳氢化合物 经光化学作用而产生的气体 贡献率达8 6 氢氟碳化合物 高氟碳化合物和六氟化硫 全部来源于人类的活动 过去1000年大气甲烷和N2O浓度的变化 甲烷 氧化亚氮 三环境效应 1 温度升高 地球变暖1860年以来 全球地表年平均气温升高了0 3 0 6 根据跨政府气候变化委员会预测 从1990到2100年 全球陆面气

8、温将增加2 2 海平面上升如果全球变暖 温度升高 海水膨胀 冰川融化 海平面上升 将使沿海低地淹没3 影响农业生产正面影响 CO2浓度的增加和气候变暖 增加植物光合作用和作物的生产力 延长生产季节 有利于产量提高 降水量增加 使世界可耕作范围增加负面效应 中低纬内陆地区干旱加剧 农业将减产 1961 1990年均值 10年滑动平均 过去140年温度变化 红柱 年平均 据器测数据 黑线 10年滑动平均 黑色区间线 95 的置信区间 20世纪内地球表面平均温度上升了0 6 0 2oC在北半球 20世纪90年代很可能是有器测记录 1861 以来最热的年代 1998年是有器测记录以来最热的一年 20世

9、纪内两次增温期最为明显 1910 1945 1976 2000 过去140年地球表面气温的变化 结论 就增温的速度和持续时间而言 20世纪很可能是过去1000年中最强烈的世纪 90年代可能是过去1000年中最热的年代 过去1000年北半球的温度变化 千年来地球表面气温的变化 北半球 红线 年平均 据器测数据兰线 年平均 据树轮 珊瑚 冰芯 历史文献黑线 50年滑动平均灰线 95 的置信区间横轴 1961 1990年的均值 结论 北半球 4 生态系统发生变化全球长期升温 将导致由水热条件控制的自然地带向极地或偏高地区转移 改变地区的生态系统 5 加剧洪涝 干旱及其它气象灾害可能带来频繁的气象灾害

10、 部分地区降水过多 大范围干旱和持续高温将带来大规模灾害 6 影响人类健康极热天气频率增加 心血管和呼吸道疾病增加 框架公约 是世界上第一个为全面控制二氧化碳等温室气体排放 应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约 也是国际社会在应对全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架 此公约要求 到2000年发达国家把二氧化碳的排放量降回到1990年的水平 并向发展中国家提供资金和技术 以帮助发展中国家减少二氧化碳的排放量 据统计 目前已有190多个国家批准了 公约 我们拿什么来援救全球的气候 1992年6月各国政府通过了 联合国气候变化框架公约 UNFCCC 京都议定书 明确规定 发

11、达国家应在2008年 2012年间 使其温室气体的排放在1990年的基线上削减5 2 其中美国削减7 欧盟各国8 限排的温室气体包括二氧化碳 甲烷 氧化亚氮 氢氟碳化物 全氟化碳和六氟化硫等 京都议定书 需要占1990年全球温室气体排放量55 以上的至少55个国家和地区批准之后 才能成为具有法律约束力的国际公约 1997年通过了 京都议定书 中国于 年 月签署并于 年 月核准了该议定书 欧盟及其成员国于 年 月 日正式批准了 京都议定书 目前已有 多个国家批准加入了该议定书 年 月 澳大利亚签署 京都议定书 至此世界主要工业发达国家中只有美国没有签署 京都议定书 年 月 日 京都议定书 正式生

12、效 这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放 丹麦哥本哈根 联合国气候变化大会达成不具法律约束力的 哥本哈根协议 2009 气温升幅限制 全球气温升幅应限制在摄氏2度以内 法律约束力 文本无明确列明 但附件中建议应在明年底前就协议内容达成具法律约束力的条约对 京都议定书 存续问题无明确表示全球减排目标 全球温室气体排放量应尽快封顶 但未定下年限 各国在2010年2月1日前 向联合国提出2020年减排目标 未提及2050年减排目标 减排监察所有新兴经济体必须自我监察减排进度 并每两年向联合国汇报 国际人员可以视察 前提是不损害国家主权 资金发达国家将在2020年起 向发展中国家及小岛国等提

13、供1 000亿美元 约7 757亿港元 援助 未提及资金来源及使用方向 未来3年内发达国将提供300亿美元 约2 327亿港元 当中欧盟 日本及美国将联合出资252亿美元 约1 955亿港元 其它提供足够资金限制森林砍伐考虑透过碳市场达到减排目标 德班会议 即2011年11月28日至12月9日 在南非德班召开的 联合国气候变化框架公约 第17次缔约方会议暨 京都议定书 第7次缔约方会议 大会最终通过决议 建立德班增强行动平台特设工作组 决定实施 京都议定书 第二承诺期 并启动绿色气候基金 第三节臭氧层衰减及其对生物的影响 一 大气层的结构对流层平流层 90 的臭氧中间层热层逸散层 在离地面15

14、 25千米的大气平流层中 集中了大气中约90 的臭氧 这一层大气层称为臭氧层 臭氧由三个氧原子组成 而且非常稀少 1千万个大气分子中只有三个臭氧分子 二 变化的趋势 臭氧层破坏 南极臭氧层空洞 OzoneHole80年代观测发现 自每年9月份下旬开始 南极洲上空的臭氧总量迅速减少一半左右 极地上空臭氧层的中心地带 近90 臭氧被破坏 若从地面向上观测 高空臭氧层已极其稀薄 与周围相比象是形成了一个直径上千公里的洞 称为 臭氧洞 南极上空臭氧层变化 看看地球臭氧层空洞 美国航空航天局用卫星测绘出的南极臭氧层空洞 左图是2001年臭氧层空洞图像 虽然只有一个 但其面积比北美洲还大 右图是2002年

15、图像 科学家首次发现臭氧层空洞居然一分为二 三 臭氧层的破坏 1 自然原因 太阳黑子爆炸时发出许多带电质子 轰击地球上层大气 对臭氧层破坏 另外 南极上空的上升气流把臭氧含量较高的中层大气输送到上层 从而降低了那里的含量 2 人为原因 冷冻剂 消毒剂 发泡剂和灭火剂等化学制品在使用时排放的氯氟烃使臭氧变成纯氧从而破坏臭氧层 最典型的是氯氟碳化合物即氟里昂 CFCs 和含溴化合物哈龙 Halons 证实氯和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原因 Cl O3 ClO O2ClO O Cl O2一个氯原子自由基可以破坏104 105个臭氧分子 而由Halon释放的溴原子自由基对

16、臭氧的破坏能力是氯原子的30 60倍 而且 氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用 即二者同时存在时 破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和 四 臭氧层减薄与地表紫外辐射增强 UV A 320 400nm 不能被吸收 也不造成危害UV B 280 320nm 对人和生物的危害最严重UV C 200 280nm 被极少量的臭氧吸收 不会到达地表1 臭氧层的作用臭氧层可以吸收太阳紫外辐射中对生物最有害的波长 UV B 280 320nm 臭氧可以吸收太阳辐射 可以加热大气层 2 地表紫外辐射增强引起具有生物学效应的UV B辐射增强 臭氧每减少1 就会有额外2 的紫外辐射到达地球表面 五 紫外辐射增强对生物的影响 1 对人体健康的影响 引发和加剧眼部疾病 皮肤癌和传染性疾病 2 对陆生植物的影响 过量的紫外辐射可使农作物如大豆 玉米 棉花 甜菜等的叶片受损 抑制其光合作用 导致减产 还能改变细胞内的遗传基因和再生能力 使农产品质量劣化 3 对水生生物的影响 浮游植物生产力下降与臭氧减少造成的UV B辐射增加直接有关 浮游生物种类和数量的减少会影响鱼类和贝类生物的产量 UV B辐射对鱼 虾