气候变化——岩石中的记录
地球气候系统过去的变化已经被写入岩石。尘埃和冰沉积物的性质和特征，湖泊和海洋沉积物，沙丘平原和河流平台，植物和动物化石组合序列，古代海岸线，珊瑚生长线，树木年轮和碳酸盐洞穴沉积物，以及古生态学和古代社会的书面记录都包含这一历史元素。
人类的历史和文化在很大程度上归功于过去的气候变化。了解过去的气候是了解我们从古代到现在的进化史的一步。毫无疑问，我们的未来也会受到气候的强烈影响。
研究地球动力系统的科学家都知道，地球是一个复杂的系统，在不断调整。历史记录揭示的海洋、大气和土地覆被变化之间的关系有多重要。而我们直接测量的气候历史只有几百年，其中只包括了很短的气候变化历史。随着科技的发展，我们解读岩石“磁带”——地质历史记录的能力与日俱增。然而，有一点是至关重要的:自然档案中最好的典型范例应该被很好地保存下来，以供未来的科学家参考和研究。因为与我们今天的条件相比，未来的人类会有更好的技术，对问题有更深刻的理解。
本文建立了一个问题框架，展示了地球科学如何致力于更好地理解气候变化，并提出了未来研究的哪些方面可以对社会做出更大的贡献。
4.2过去四个冰期循环气候变化模式的「大图像」是什么？
地球活了大概46亿年，经历了很多冰河期和温室场景。从19的60年代开始，在过去的两百万年里，出现过多次冰膨胀的地质场景。21000年前的冰膨胀是最严重的事件之一。北美、北欧和一些高山的大片地区被冰雪覆盖。而一些干旱山区，比如青藏高原，最多只有斑驳的冰盖。
最近，在解释和测量中国中部的海洋、冰芯、尘埃和古土壤记录方面取得了一些进展，揭示了一些对整个地球产生影响的重大气候事件。对此最好的解释是地球围绕太阳的轨道发生了变化。
现在，科学家的注意力已经转向了解冰盖是如何形成和坍塌的，以及最近的发现:在100 ~ 1000年的时间跨度内，发生了许多快速而短暂的事件。这些事件都不能说与轨道变化有关，但一定与地球系统的其他功能有关。如果发生在今天，这种迅速而激烈的变化会对社会和经济造成极大的干扰。
科学家们正在努力研究这些现象之间的联系。例如，起源于北大西洋的事件如何在东亚也显示出影响？季风系统之间有什么联系？一个系统的变化如何改变其他系统的动力机制？
每一次冰的扩张都伴随着全球海平面的下降。在一些事件中，广阔的大陆架区域暴露出来，这为植物、动物和人类提供了新的迁移路线，也阻断了印度洋和太平洋之间的海水流动。暴露的大陆架面积也增加了有利于产生温室气体的面积。在解释这一考古记录和人类的广泛分布时，必须考虑到海平面的上升和下降。
为了理解气候系统如何在大范围内起作用以及人类社会的发展，必不可少的背景信息是确认最近的冰期循环模型。
4.3过去1000年的气候变化有哪些？
气候变化表现在温度、降水以及干旱、风暴和洪水等极端事件的频率上。所有这些都对自然系统和农业系统的生产力、森林火灾的频率、水质以及财产和基础设施的损失产生影响。
关于长期气候记录的新观点对现代社会非常重要，因为它为我们理解最近的趋势及其可能的原因提供了基础。全新世早期(约6.5438亿年前)，人类对气候系统基本没有影响。这也是一个农业崛起的时期，在一些地方(如黎凡特、长江、黄河流域)很明显。大约5000 ~ 6000年前，农业系统广泛分布于欧亚大陆。到了大约3000年前，其他地方的大片土地也变成了耕地。地质记录告诉我们，这些变化伴随着大规模的毁林开荒，更多的用火往往会增加水土流失速度；还有一些小型工程设施，分离或分流过量的地表水。
此时，人类已经成为影响区域地表功能的主要因素，但可能还没有达到气候变化的程度。全新世中期，湿地农业的扩张可能引起温室气体甲烷的释放，这是人类影响大气化学的关键起点，改变了大气的热量和持水能力。
通过长寿树的年轮、冰芯(可以反映相当于年降雪量的地层)和层状湖泊沉积可以获得最近时期的高分辨率记录。它们能敏感地反映气候的年度(或更详细的)变化。相关数据不多，但我们最了解的是过去1000年北半球中高纬度地区平均气温的数据。这一时期关于热带和南半球的资料很少，但有希望找到。
4.什么导致了气候变化？
有些人认为太阳的变化引起了一些长期趋势，但最近的变暖是前所未有的。许多数据系列表明，在过去的1亿年或更长的时间里，全球气候已经悄然进入我们的领地。太阳能输出的变化，大气中火山气体和火山灰含量的变化，海洋环流的变化，都被用来解释过去6.5438+亿年的趋势，却无法解释20世纪下半叶的上升趋势。有一种观点认为，最近的气候变化有很大的人为痕迹。这个观点很有说服力，因为砍伐森林、建筑和人为气体排放都对全球变暖有很大影响。
然而，如果我们想知道这些观察到的变化来自哪里，我们需要更清楚地知道与自然因素相比，人为因素对气候影响的相对重要性。气候变化对人类生活有很大影响。我们必须重视和研究厄尔尼诺、火山灰、大气中火山气体含量等自然现象的变化，这将有助于揭示与人类社会相关的气候变化机制。
4.5过去气候变化对社会有哪些影响？
很多伟大的文明因为各种原因被毁灭，包括气候。印度西北部的哈拉帕文化、中美洲的玛雅文化和亚利桑那州的霍霍坎文化的毁灭都可以归咎于干旱。
在世界的其他地方，太多的水也成为一个问题。例如，中国长江的洪峰发生在西藏高原的径流与夏季季风降雨重合的时候。每隔几年就会发生严重的洪水，造成生命、庄稼和财产的损失，尽管这些洪水带来了新鲜的营养丰富的沉积物。全新世时，人们利用工程设施抗击上涨的洪水，但这些设施失灵的地方，农作物就歉收，给人们的生活造成了极大的困难。与此同时，在黄河流域，气候变化和土地利用的压力使西北沙漠和这一地区的居民区日益缩小。将大量关于环境变化的数据与社会历史结合起来，有助于我们理解技术创新与早期国家争论的一些原因。
4.6人类活动对气候有什么影响？
我们知道，人类活动导致大气化学和土地覆盖的变化，并导致生物多样性退化。此外，还产生了数千种新的化学合成物质，它们对生物圈的影响还没有完全了解。例如，许多湖泊变成了酸性，这是过去150年工业气体释放的直接结果。生物化学循环的变化给气候系统的主要要素带来复杂的反馈，影响经济活动以及水和食物的安全。
监测人为因素对气候影响的方法之一是估算人类活动引起的温室气体排放量。我们可以估计他们的数量，但我们不能确定他们的最终目的地。它们被困在土壤里被森林覆盖了吗？海洋吸收大量温室气体吗？这些对于人类来说还是一个未知的结果。
需要研究气候对土地覆被变化和大气化学变化的促进作用。这一研究领域以生物学、土壤学和海洋地理学为主，涉及自动监测、遥感和“地面真相验证”——实际实地研究的必要测试。此外，在高沉积速率的背景下，有必要增加对沉积物化学的详细研究。
4.7模型在预测未来气候中起什么作用，我们如何评价它的优势？
模型是预测气候的最佳方式。这些模型用数学公式描述了自然界与海洋、大气和土地覆被之间的动态反馈。模型的输出值取决于我们对地球系统的认识，用数学函数描述实际情况的程度，以及用来进行必要计算的计算机的功能。目前，被广泛使用的全球气候模拟模型超过25种。这些模型给出的预测结果往往是有偏差的，这反映了合理综合物理要素的难度，系统的许多要素是高度敏感的。正如地质记录所示，一些微小的变化会被放大。
最近，一个结合了气候、经济、人口、工业气体释放和输出、农业和自然生态系统模型的综合系统已经开发出来。这些改进的系统增加了各种模型之间的“反馈回路”，因此系统中一个部分的变化可以动态地用于其他系统。模型的巨大威力之一是，它们可以整合不同来源的数据，帮助我们更好地了解地球。我们应该尽力使模型符合实际。因为这些系统的功能会给我们带来很多好处，使我们在建立合理的规划方案，实现人类活动的可持续性方面前进了一大步。
4.8我们需要开发一个独立的测试系统，以确定更好的模型，并找到改进它们的方法。
一种方法是用选定的过去时间“窗口”的边界条件预设模型。这些条件包括地球轨道参数、温室气体含量、大气颗粒物、海岸线、海平面、冰盖等。，都可以从“岩带”——地质记录本身读出。然后，我们可以对选定的时间窗口进行气候模拟，并将其与我们用来推断过去气候条件的区域古数据集进行比较。
研究重点必须包括建立地理覆盖面更广的更好的数据系列，特别是在南半球和热带地区。首先可以重点关注气候敏感度高的地区。这样做不仅可以加强模型科学和古数据科学，还可以提高社会有效预测全球气候的信心。
4.9未来的气候会如何发展？
未来的气候将对粮食安全和农业、供水和水质、风暴和飓风的频率、海岸线稳定性、生物多样性和生物资源的未来产生影响。发展气候模式有助于减少区域气候预测的不确定性。然而，只有地质记录才能揭示整个地球系统的变化。而且，一直以来都是实验，测试我们的模拟是否合理。
地球科学家有研究过去气候和地球系统的独特记录，通常研究两者之间的关系。社会完全可以要求他们将部分研究计划集中在直接影响人类生活的各种事件上，研究并确定这些事件在这些系统中是如何起作用的。良好的管理和领导可以产生明智的决策和周密的计划。有时，社会会要求地球科学家预测任何可能或意想不到的环境事件，对地球系统的充分了解将有助于我们实现这一要求。
4.10研究议程概要
提高我们对过去两个冰川期气候和环境模型的理解；
了解冰川环境如何发展和衰退；
地质记录中意外事件的频率和原因；
更好地推广高分辨率数据系列，特别是在热带和南半球；
更好地理解热带热机制及其与温带气候变化的联系；
在有高质量考古记录的地区，特别是发生过文化变迁的地方进行古环境研究；
通过生物学、地质学、土壤学和海洋学(涉及监测、遥感和通过必要的实地研究进行地面真相验证)的研究，了解气候和系统变化之间的关系。在这些研究中，我们应该侧重于碳通量变化的研究，因为这可能有助于我们了解气候是否会变回冰河时期；
为了了解全球变暖和未来可能的海平面上升，应确定一些受沉降和隆起影响的地区进行比较研究；
促进模型和古数据科学家之间的合作研究；
年代学和方法论的技术进步；
分析仪器和生物物理数据，找出当今跨区域系统的联系性、敏感性、惰性和落后性；
邀请部分核心研究人员组成工作组，进一步优化制定研究议程。
地球科学家已经解开了地球的许多秘密，并在了解我们的星球如何运作方面取得了巨大进展。
然而，这些信息经常没有被正确地应用。虽然我们现在能够对各种自然灾害做出相当准确的预测，但我们仍然经常在错误的地方从事建设和不可持续的资源开发。我们的行为说明我们还不明白这一点，但其实更好生活的钥匙就在我们手里。全世界的地球科学家都准备好帮助社会建立一个更安全、更健康、更富裕的环境。