气候变化

尽管大约 97% 的活跃气候研究人员达成共识，但气候变化的确定性仍然是一个公众争议，他们不仅同意地球气候正在发生变化，而且还指出这种变化会因人类活动（主要是碳排放）而加剧 ¹。公众和专家之间的脱节部分是由于对气候变化所涉及的机制以及天气和气候等基本概念之间的差异了解不足。

气候与天气

一个地区在短时间内的局部大气条件（例如温度和降水）被描述为天气。气候涉及这些相同的条件，但是，当长时间测量时。因此，当科学家谈论全球气候时，他们指的是在整个地球上收集的气候数据的统计测量。一个突出的全球气候指标是全球平均温度，这是全球记录的温度的平均值。

监测气候变化

科学家研究全球气候随时间的变化，气候变化的大部分研究都基于物理科学，例如气象学、地理学和海洋学。此外，计算机科学家还对极地冰融化导致海平面上升和温度升高等事件的预测影响进行建模。这些研究对于生物学研究是必不可少的，因为气候变化影响了无数物种，这些物种具有不同的耐受不同气候的能力。

气候变化的一个主要组成部分是全球变暖，全球变暖被定义为全球大气平均温度的升高。气候研究人员认识到，温室气体的增加会提高全球平均气温。这是因为温室气体吸收了从太阳传输的红外辐射，并将其作为热量重新发射到大气中。随后，这些热量分布在大气和地球表面的不同层。虽然热量从温室气体分子向各个方向辐射，但地球表面吸收了一些向下辐射的热量，这导致表面温度升高并将热能困在低层大气中。由于大气层而将热量捕获到地球表面的这种称为温室效应。

四种主要气体会导致地球的温室效应:水蒸气、二氧化碳、甲烷和臭氧。然而，二氧化碳 （CO₂） 是一种特别重要的温室气体，它在全球变暖和气候变化中起着重要作用。虽然 CO₂ 一直存在于地球大气中，但与人类相关的活动（例如化石燃料燃烧）正在显着增加其丰度。在过去的 800,000 年里，_{二氧化碳水平在没有}人为干预的情况下在大气中百万分之 180 （ppm） 到 270 ppm 之间波动。2016 年，浓度上升到 400ppm 以上，考虑到历史波动，这个数字高得惊人 ²。

预测未来

气候变化的一个突出后果是海平面上升。随着气候变暖，冰川冰由于一种称为反照率效应的现象而融化。反照率是反映太阳辐射量占接收到的太阳总辐射量的比例的量度，范围从 0 到 1。反照率值取决于雪质;较脏或融化缓慢的雪具有较低的反照率，而新鲜的白雪具有较高的反照率。南极积雪的反照率通常在 0.8 左右。随着温度变暖，雪开始融化，反照率值会降低，这意味着雪反射的辐射热量更少，融化更多，从而形成正反馈回路。当对系统的扰动增加对扰动的响应幅度时，就会发生正反馈回路。因此，由于温度升高，雪/冰融化得越多，由于反射太阳辐射的能力减弱，它融化得越多，吸收的热量就越多，导致它进一步融化。冰的融化导致海平面上升。目前，大型冰盖的质量相当于全球海平面上升近 70 米 （m），其中大约 60 m 质量当量储存在南极冰层中，近 7 m 储存在格陵兰岛 ³ 中。较小的冰体，如冰川和冰盖，所含的水要少得多，然而，在过去几十年中，这些冰库的融化在较大的冰盖上占主导地位，因为它们的尺寸较小，因此对给定的气候强迫的反应更快 ³。

海平面上升对人类福祉构成重大威胁，因为它有可能破坏海岸附近的财产、影响沿海社区和调节海洋温度。海平面上升的经济成本是巨大的;如果海平面仅上升 1 米，佛罗里达州海岸线的很大一部分就会被淹没，影响 120 万人的房屋 ⁴。目前，格陵兰冰盖正在变薄，如果它被消除，海平面估计会上升 5-7 米，影响数百万人 ³。

随着气候变化，追踪物种分布以查看这些分布是否也在发生变化变得非常重要。物种分布在称为其分布范围的地理区域内。科学家们研究生物历史范围的变化，称为范围变化，与各种环境变量有关，以预测物种是否能够跟上温度、降水和其他天气模式的变化。研究范围变化很重要，因为如果物种无法迁移到新的区域并且它们当前的栖息地变得不合适，它们就会灭绝。对于植物和珊瑚等生长缓慢的生物来说，适应快速变化的气候几乎是不可能的。珊瑚自然栖息在清澈的浅礁中，如果它们移动得更深，它们将无法获得光合共生藻类所需的光线。随着水变暖，称为虫黄藻的共生藻类会离开珊瑚，导致珊瑚白化和死亡。2016 年对澳大利亚大堡礁的调查显示，特定地区高达 67% 的珊瑚因白化而死亡 ⁵。

人为排放的碳对大气中 CO₂ 的水平有很大影响，这反过来又会加剧全球气温。除了全球气温的上升之外，海洋酸化也是 CO₂ 增加的直接结果。海洋每年吸收大气中约四分之一的 CO₂。当 CO₂ 被海水吸收时，它会转化为碳酸 （H₂CO₃），这反过来又会导致海水变得更酸性并减少碳酸根离子的可用性。碳酸根离子的减少会阻碍双壳类、海胆和珊瑚的碳酸钙结构的构建和维持 ⁶。再加上海洋温度的上升，海洋的酸化可能对水生生态系统有害。⁶

当务之急是调解气候变化的影响。许多科学家已经开始研究目前所谓的全新世灭绝，通常被称为"第六次灭绝"⁷。过去曾发生过五次重大灭绝事件，然而，上个世纪的灭绝速度比预期的"背景灭绝率"高出 1000 倍。栖息地丧失和气候变化在物种灭绝中都起着重要作用，因此在管理决策中保持对环境的考虑非常重要 ⁷。

引用

1. William R. L. Anderegg、James W. Prall、Jacob Harold 和 Stephen H. Schneider。气候变化方面的专家信誉。美国国家科学院 （PNAS）。 2010 年，第 107 卷，第 27 卷 （12107-9）。
2. 理查德· A·贝茨，克里斯·琼斯，杰夫· R·奈特，拉尔夫· F·基林和约翰· J·肯尼迪。厄尔尼诺现象和创纪录的 CO2 上升。自然气候变化。 2016 年，第 6 卷，（806-10）。
3. 米尔恩，格伦。气候如何驱动海平面变化。天文学与地球物理学。 2008 年，第 49 卷，2 （2.24–2.28）。
4. 威廉姆斯，S. 杰弗里斯。海平面上升对沿海地区的影响。沿海研究杂志。 63 （184-96）。
5. 特里·休斯、詹姆斯·克里、玛丽安娜·阿尔瓦雷斯-诺列加、豪尔赫·阿尔瓦雷斯-罗梅罗、克里斯汀·安德森、安德鲁·贝尔德、罗素·巴布科克、玛丽亚·贝格、大卫·贝尔伍德、雷·伯克曼斯、汤姆·布里奇、伊恩·巴特勒、玛丽亚·伯恩、尼尔·坎廷、史蒂芙·科莫、se.全球变暖和珊瑚反复发生的大规模白化。自然界。 2017 年，第 543 卷，7645 （373）。
6. F. Prada， E. Caroselli， S. Mengoli， L. Brizi， P. Fantazzini， B. Capaccioni， L. Pasquini， K. E. Fabricius， Z. Dubinsky， G. Falini & S. Goffredo.海洋变暖和酸化协同增加珊瑚死亡率。自然界。 2017 年，40842。
7. 弗雷登堡、David B. Wake 和 Vance T.我们是否正处于第六次大灭绝之中？来自两栖动物世界的视图。美国国家科学院 （PNAS）。 2008 年，1091-6490。

全球气候变化是新闻中一个热议的话题，科学家们一致认为地球的气候正在发生变化。但在讨论导致气候变化的原因以及科学家如何研究它之前，让我们先澄清几个术语。气候这个词经常与天气互换使用，但还是有区别的。

天气描述一个地区在短时间内（如一天）的大气条件，例如温度。然而，气候记录了同一地区的相同条件，但在较长的一段时间内，例如年平均温度。全球气候是指在整个地球上分析和编译的相同变量。如果你看一下自 1880 年以来的全球平均温度数据，你会发现它一直在上升，这就是人们所说的全球变暖。

全球变暖的一个主要因素是由二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等温室气体引起的温室效应。这些气体之所以得名，是因为它们在地球周围形成了一个类似于温室玻璃防护罩的层。就像温室一样，这层气体允许太阳光线穿透并捕获它们，只让一部分反射光线逃回大气中，导致地球表面附近的温度升高。一些温室气体的覆盖对于确保地球温度保持宜居性至关重要，但人类活动（如燃烧化石燃料）导致其中一些气体（如二氧化碳）的浓度超过最佳水平，从而加剧了全球变暖。

气候变暖的一个主要影响是冰川冰的融化，这反过来又导致海平面上升。这种融化由于一种称为反照率效应的现象而加剧。反照率源自拉丁语"albus"，意思是"白色"，指的是反射太阳辐射与太阳总辐射的比例之比。该值将接近于新雪的 1，因为它反射了大部分辐射。相比之下，裸露土壤的反照率仅为 0.2 左右，开阔海洋的反照率仅为 0.1，因此这些反射率要低得多——因此，随着气候变暖，积雪融化，导致反照率降低，这意味着地球反射更少，并保留了更多的辐射作为热量。这反过来又会导致雪融化更多，从而形成正反馈循环和海平面上升。

气候变化的另一个影响可以从物种分布中看到。物种分布在称为其分布范围的地理区域内。随着气候变暖，由此产生的环境变化，如冰盖融化，会导致某些物种的宜居范围发生变化或下降。科学家们一直在研究不同生物体响应各种环境变量的这些范围变化。利用这些数据，他们可以模拟气候模式的未来变化并预测物种的可能命运。

在本实验中，您将评估温室对人工小气候的影响，比较不同条件下的冰融化，并研究环境变化后历史物种的范围变化。