安徽大学《地球科学概论》课件-第8讲地球历史上的气候调节.pptx

地球历史上的气候调节

Long-TermClimateRegulation2021年5月24日

本讲要点

KeyQuestions为什么地球早期太阳光度（solarluminosity）低，但气候比现在温暖？地球历史上的气候是温暖时期多还是寒冷时期多？地球历史上最寒冷和最温暖的情景时什么样子的？当时地球生物圈是什么状态？地球早期的气候冷暖控制机制是什么？与现在相同吗？

再论早期太阳暗淡佯谬

ThefaintyoungSunparadox

再论早期太阳暗淡佯谬

ThefaintyoungSunparadox上页图是一个一维气候模型根据早期太阳光度曲线计算的地球历史上的温度状况，该模型考虑了水汽的反馈作用；黄色曲线代表太阳光度变化曲线；黑色与棕色曲线之间区域代表温室效应大小。按照这个模型，距今18亿年前地表温度降到冰点以下，并在距今45亿年前达到-20摄氏度以下。我们已经知道地质历史记录显示地球表面在38亿年前就存在液态水。因此这个模拟结果与实际情况互相矛盾。

可能的解释

PossibleSolutionstotheProblem地热说（HighGeothermalheatHypothesis）行星反照率说（LowPlanetaryalbedoHypothesis）还原性气体（ReducedgasHypothesis）NH3温室效应说（Sagan和Mullen）

早期地球表面是否富含二氧化碳？

AC02-RichEarlyAtmosphere?硅酸盐—碳酸盐循环(carbonate-silicatecycle)的影响大碰撞时期以及后来火山活动强度影响大气温室效应地表温度硅酸盐风化速度二氧化碳浓度（—）

早期地球表面二氧化碳的可能含量

早期地球表面是否富含二氧化碳？

AC02-RichEarlyAtmosphere?陆地面积大小（Continentsareasize）洋底风化的影响（weatheringoftheseafloor）火山活动频率（volcanism）

早期地球表面是否富含二氧化碳？

AC02-RichEarlyAtmosphere?如果二氧化碳和水是早期地球仅有的温室气体，为平衡30%的太阳光度减少量，那么二氧化碳最低含量需要达到现在大气中二氧化碳含量的1000倍，这个数字看起来多，但是相比地球碳库中的碳储量比微不足道。事实上早期地球（全部被海洋覆盖）的二氧化碳含量可能达到现在的10万倍，在这种二氧化碳浓度下地球表面温度可以达到80~90摄氏度。

早期地球表面是否富含二氧化碳？

AC02-RichEarlyAtmosphere?(Source:ReprintedwithpermissionfromJ.F.Kasting,Science25:920-926.Copyright1993AmericanAssociationfortheAdvancementofScience.)

太古代甲烷对气候的影响

EffectofMethaneonArcheanClimate二氧化碳很可能不是唯一的温室气体；在23亿年前氧气含量很低时，甲烷含量可能相对较高。其来源可能是生物过程（产甲烷菌）或非生物过程如Serpentinization（含二氧化碳的海水与富含铁镁的玄武岩相互作用）

太古代甲烷对气候的影响

EffectofMethaneonArcheanClimate早期的甲烷可能是有星球碰撞或海底岩石的蛇纹石化（Serpentinization）产生的。该过程使亚铁被氧化成磁铁矿（Fe3O4），水被还原为氢气；但是水中如果含有二氧化碳的话就会生成甲烷而不是氢气。一旦适量的甲烷生成，可能会有助于生命前体分子HCN的合成。一旦生命开始演化，产甲烷菌会大大加速甲烷的生成。理论模型表明，38~23亿年前大气中甲烷含量可能大于1000ppm。

太古代甲烷对气候的影响

EffectofMethaneonArcheanClimate1000ppmFreezingpointofwaterupperlimitonLateArcheanCO2conc.derivedfrompaleosols

太古代甲烷对气候的影响

EffectofMethaneonArcheanClimate甲烷是很强的温室气体，但是其浓度超过一定值就会产生雾霾，从而抵消温室效应。哈佛大学的RobertRye根据28亿年前（太阳光度是现在的80%）的古土壤数据建立了不同甲烷浓度下二氧化碳限值浓度（地球表面温度在冰点以上）。结果显示：当大气中没有甲烷的时候，二氧化碳浓度需要达到现在的600