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Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 第五部分 全球变化、土地利用和决策制定
全球变化的概念不是新的： 100 年来，地质学家研究了地球出现 40 亿年来历史的演变。但是由于人类活动的结果，地球及其大气圈的演变步伐已经加速。如今社会很关心大气圈在几十年间出现的变化。忧虑中最首要的是大气中二氧化碳的增加，它可能已经带来全球变暖和臭氧层削减，这可能影响我们的健康。
虽然不是所有的变化均有益，演变是我们环境的自然特征，而且明智的管理接受这个事实。16章提出全球变化和地球系统科学的原理，它培养了较好的土地管理和决策制定。17章中讨论应付大气污染和专门问题的途径。一个引起争论的环境问题如今正决定着土地和资源的更为适宜的利用。这个长期争论包含对未来几代人的责任以及土地拥有者的补偿人类事务。在规划土地和资源利用前，必须发展可靠的评估土地的方法和一项合法的框架，从中做出完善的环境决策。虽然环境法不是地质学的一个分支，应用地球科学家们的确需要了解有关判断系统和影响自然环境的法规及法律的理论。18章中讨论地面景观评价的各方面如土地利用规划、场地选择、地面景观美学、环境影响和环境法规。
第 16 章全球变化和地球系统
从空间看地球易于产生 我们的星球作为一个 系统的思想。这里表示 的地球部分是由顶部的 地中海到底部的南极冰盖。大的地块是非洲。旋涡状 的云反映大气圈的动态性质。（Lyndon B提供, 詹森空间 中心/美国航空暨太空总署）。
学习目的常说生命中的唯一真事是死亡和纳税，而这里我们应加上变化。所有人都对将影响我们的家庭、社会和世界的变化感兴趣。可以历数许多-从逐渐到加速，突然的、混乱的或惊人的。某些变化将影响我们当地的、区域的或全球的环境。某些变化将影响全部生命！有鉴于此，本章的学习目的是：
·了解地球系统科学及其两个主要目标
·了解地球系统科学和全球变化的主要研究前沿 ·得到大气组成和地球的能量平衡的适当评论 ·了解研究全球变化的工具
·讨论潜在的全球变暖的结果和它与大气圈二氧化碳的关系 ·熟悉平流层（同温层）的臭氧层耗尽有关的基本问题 ·了解何为酸雨，它如何产生，及其潜在影响和减缓
·准备讨论大气圈中微粒的作用，尤其是当它和全球气候有关时
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 16.1 全球变化和地球系统科学：综述
一个著名的地球科学家，Preston Cloud,有兴趣于地球上的生命史，人类对环境的影响和资源的利用，陈述了地球科学的两个中心目标是：
·理解地球如何运作以及如何从荒芜的岩石地面景观演变为今天的以生命为主的复杂景观
·应用这种理论管好我们的环境
Cloud的评论强调我们的行星是以复杂的进化史为特征的。在大气圈、海洋、固体地壳和生物圈中的相互作用导致了一种复杂的发展和地面景观的多样化-大陆、海盆地、山脉、河流、湖泊、平原和斜坡-以及居住着广阔的生境种属的各种生命形式。
前面推出了地球是一个动态的演化体系的原理。我们现在回到那个论题，为更好地理解全球变化，我们将讨论
·地球系统科学和全球变化的目标 ·地球大气圈和能量的演算 ·我们可能研究变化的工具
·大气二氧化碳和绿室效应的增长 ·平流层臭氧的耗竭 ·酸沉积
·大气层中的微粒
图 16.1 地球系统科学 的研究领域和首要问题（来源：美国航空暨太 空总署，1990。对行星 地球的一项任务。）
直到近年来一般认为人类活动仅导致局部，或至多区域的环境变化。现在则普遍认识到人类活动的后果对地球是如此的程度即我们已被包含在一个无计划的行星试验之中。了解并修正已开始的变化，需要懂得整个地球如何作为系统运作的。一门新兴学科，称为地球系统科学，通过学习系统各组成部分-大气圈、海洋、陆地和生物圈-如何在一个全球规模上连接并相互作用而影响地球上的生命。
图 16.1 表示地球系统科学和全球变化的主要研究领域，包括固体地壳、大气化学、碳循环、水循环、热传导以及云和辐射。在许多复杂的过程中，这些组分相互作用，伴随导致全球变化的物理、化学的、和生物的过程。地球系统科学的主要目标是了解彼此相关联的各种组分如何发展了现有进程，并可期待将在对人类有意义的时间尺度上起作用和发展。第一个目标是可能出现在下几十年到一个世纪的全球变化预测。特别重要的是在人类诱发的变化和自然变化之间的区别和二者之间的相互作用。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 可在人的生命期观察到的全球系统变化称为第一级变化，这些变化出现在历经 100 年期间。第二级变化是那些出现在跨越历史记录的时期中，某些区域为几千年。第三级变化出现在经历几万年的时期中，例如相当一个冰期的时间。较长的变化期，像四级或五级变化则相关于需要一个全冰期和主要冰川事件的时间，约在 200 万到 300 万的等级上。第一级和第二级变化对人类最重要。这些是时间域，跨越该时间域我们必须找到为之做计划和伴随潜在变化进行工作的途径。
达到地球系统科学的目标需要建立优先研究区。这已被归纳为
·为认识我们的行星在不同时间尺度上的演化，建立全世界的量测站，以了解物理、化学和生物过程。
·全球变化的证明文件，特别是那些对人类利害相关的时间段。·可能用于预测和预见未来全球变化的定量模型的开发。
·援助为在区域的（国家和国际的）和全球水平的决策制定的基本信息的收集。
16.2研究全球变化的工具
地质记录
沉积在洪积平原上或湖泊、沼泽、冰川或海洋中的沉积物可比作历史的页。常伴随沉积物沉积的有机物质可由各种方法测定年龄以提供年代学参数。另外，有机物本身可告知有关过去的气候，为何生活在这个地区，以及为何发生变化的故事。
海洋沉积 海洋沉积的研究帮助描绘海水温度和出现在海洋盆地几百万年的生物和化学变化的历史。从海洋沉积点滴收集的气候信息，依据大陆冰片的增减帮助建立了第四纪（最后 165 万年）的气候变化。
河流沉积 研究河流沉积物帮助描绘了过去的洪水事件并由此确定未来高量级的洪水频率。研究河流洪水采用了碳-14（放射性碳）方法。C-14 或（14 C）是一种已知的经历放射性衰变速率的不稳定同位素。当有机物死亡时，它停止搜集碳亦即开始了原子钟的进程，我们可从与有机物同时埋葬的 14 C 的比率确定洪水沉积的年龄。此法可回溯到 4,000-5,000 年前。例如，它已被用于南加州的 Pallett 河，那里 2,000 年前的地震历史已由混合在洪水沉积物中并被史前地震所扰动的有机物质所确定。
湖泊和洪水平原沉积 湖泊和洪水平原沉积物可告诉我们有关植物的变化。一项近来的研究使用了洪水平原中的孢粉分析建立了过去 12,500 年中爱荷华州东北部植物的变化。该研究采用了大量 14 C 测年以表明针枞（云杉）林存在于9,100 年以前，接着的是由 5,300 年到 3,500 年前的无森林大草原植被。大草原植被在3,500 年前被橡树草原所代替，该植被一直存在到欧洲人定居。这种信息形式在建立过去的区域甚至全球变化的气候条件中是非常重要的。
冰川冰 地质记录的最有趣的应用之一是冰川冰的检验。这种冰包含封闭的气泡。它可能被分析而提供冰形成时有关大气的二氧化碳浓度的信息，这种封闭气泡在一个长的冰川冰心中是过去大气圈的时间囊。此法已被用于分析 16 万年前的空气中的 CO2 含量。冰川也包含像铅这样从大气中沉降（很细的铅粒被风吹起并搬运）的重金属的纪录，以及可用来研究近来地球历史的其它化学元素。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 年轮年代学
评估过去地球历史的另一方法是年轮年代学，它研究树木的环纹。许多树木发育每个年度的生长环，因此计数和相关分析这些年轮可建立地区的历史。每个环的宽度和其它信息可提供洞察场地的水文和气象条件。例如，树环的仔细分析可揭示干旱和潮湿年的循环频率。这种方法（用史前和化石树）已帮助建立了世界许多部位在过去 12,000 年中气候的变化。
水
水在海和陆地上的河、湖、及地下水系统中的运动的研究有助于了解陆和水系统之间连接的潜势。例如，我们可能希望预测地下水在特殊含水层中的滞留时间；估计深海水丛极地到赤道的循环有多长；或者，基于地下水化学，在过去 2 万年中的平均年表面温度是多少。回答这些问题需要使用环境的痕迹或指标的调查。例如，一些放射性同位素或染料可被用于鉴定水的运动；人工化合物如氯氟碳（氟氯碳化物），被激烈地讨论有关全球变暖和臭氧耗竭，正被用于估计年青地下水的年龄；以及地下水中的溶解气可提供从中纬度到热带的有关古温度（史前温度）的信息。
实时检测
检测是为了特别的目的有规律的数据收集；实时检测是指当一个过程实际出现时收集这个数据。例如，我们可以检测河水流动以估计水资源或洪水灾害。在类似的方式中，大气气体样本可帮助建立大气圈组成的趋势或变化，海洋的温度组成的量测可用于检验那里的变化。实时数据的收集对于检测模型和校正来源于地质数据的延伸的史前纪录是必要的。
检测方法广泛地依赖于量测的对象。例如，森林砍伐的检测可通过估计由卫星收集的遥感数据或者装在飞机上的摄影机拍摄的高海拔航空摄影。使用卫星信息的遥感在全球水准的监测上已特别有用。无论如何，最可靠的数据是来自用地面测量建立的空中或卫星测量的有效性的监测。
某些最有趣的关于生态系统的变化的评估已从搜集有关物理的和生物的过程之间的相互作用的专门数据的长期研究中得到结果。例如，美国东部的生态系统中的营养循环的长期研究已帮助建立了与人类在土地利用和收益有关的砍伐、收割和其它活动的管理原则。
数学模型
数学模型运用数字的意义表达真实世界的现象和所包含作用过程中的联系和相互作用。这些模型已被发展以预测地表水和地下水的流动，河流系统的侵蚀与沉积，海洋循环和大气循环。
已得到最引人注意的全球变化的模型是全球循环模型（GCM）。这些模型的目标是预测全球尺度的大气变化（循环）。模型使用的变量包括其它变量中的温度、相对湿度和风的条件。许多变量是在代表着如前面讨论的树的年轮记录的基础上为过去做估计的。计算中采用的数据被列入代表几个经纬度的大单元中（图16.2）；典型的单元代表一个区，尺度约为俄勒冈和俄亥俄加在一起。另外，通常有6-20个水平面上的垂直数据代表较低的大气层。包含代表质量和动量守恒方程的计算则被用来做预测。
全球循环模型是复杂的并需要超级计算机运算。不幸，结果是相当粗的而且不能准确地代表未来条件。模型部分的不精确是由于用来计算变量诸如跨越很大区域的温度、相对湿度和风的条件的方法可能有不实际的假定。再有，另一些变量如云层覆盖是难于估计的。全球循环模型必须被视为第一途径去解决很复杂的问题。尽管有限制，它们提供地球作为一个系统所需的信息，并指出需要何种附加数据去发展较好的未来模型。如果某些变化在大气圈出现，该模型的确可预测哪些地区可能较潮湿或较干燥，而且这些预测正被认真对待。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller
图16.2 用于全球循环模型 中的单元的理想图解
16.3 地球的大气圈和能量平衡
全球变化的研究是对一个非常大的范围，大气圈的变化和大气圈与岩石圈、水圈和生物圈之间的研究。因此，适当地熟悉地球的能量平衡和太阳能辐射在了解全球过程和有关大气圈的环境问题如绿室效应和臭氧耗尽是必要的。
图16.3 表示较早的前
寒武纪（约30亿年前）
选择的全球作用的理想图解。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 大气圈
我们的大气圈可被想象为一个复杂的化工厂，许多很少了解的反应出现在其中。许多反应的出现是由阳光和由生命产生的混合物所强烈影响。我们呼吸的空气是氮，N2(78%);氧，O2(21%);氩，Ar(0.9%);二氧化碳，CO2(0.03%);其它痕量元素（﹤0.07%）；和甲烷、臭氧、一氧化碳、氮和硫的氧化物、硫化氢、碳氢化合物和各种离子的复合物所混合的。大气组成的最可变的部分是水蒸汽（H2O）;它在对流层（下部10 km的大气层）总体积约为0-4%的范围内变化。
地球历史的研究提出从地球形成到现在大气圈一直在变化。图16.3表示一个理想的地球及其大气圈的断面作为它在30亿年前的前寒武纪早期时的模式。火山喷发气体产生水和二氧化碳，而在上大气层中水和分子氧（O2）的光离作用产生臭氧（O3）层。但在那时，地球的大气层仅包含很少的自由分子氧（O2）。我们的富氧大气层的发展是等了大约10亿年，直到植物普遍的光合作用时期。
太阳辐射和地球的能量平衡
在行星的尺度上，地球可被考虑为较大的太阳能量系统的一部分。地球从太阳接受能量，而这种能量在被反射回空间之前影响大气层、海洋、陆地和生物。地球的能量平衡涉及到输入和输出能量之间的均衡，它包含能量形式的变化。虽然地球仅截取太阳发射的全部能量的很少一点，所拦截的能量维持着地球的生命。它也在或接近地表处驱动许多作用过程，包括水循环、海浪和全球范围的空气循环。
图16.4表示地球的能量预算的一些重要的成分。如图所看到的，几乎所有可用于地球表面的能量来自太阳。产生于本行星内部的地热仅是地球能量预算的很小一部分，然而正是这种内部热量驱动巨大的全球构造循环并移动岩石圈的构造板块，产生地震和构造火山。
电磁能
自太阳放射的能量是以电磁能的形式，或电磁辐射，它以大约30万km/sec的速度（光速）在真空的空间传播。不同的辐射形式由波长区别，所有可能波长的集合形成一个连续的域即电磁波谱（图16.5）。较长的波长（﹥1m）包括无线电波，最短波是χ-射线和γ-射线。对肉眼有反应的电磁辐射已知为可见电磁波或光，仅为全波谱的很小部分。其它形式的电磁辐射具有环境重要性的包括微波和紫外线（UV）辐射（有时叫紫外光，虽然它不能被人类看到），微波有工业用途，而UV辐射在臭氧耗尽中扮演重要角色。
透射、反射和吸收
当电磁辐射遇到一种材料时，她可能被透射（穿过）、反射（反弹）或吸收。这些过程之一的出现可能有重要的后果。来自太阳的多数可见光穿过大气层而不被吸收，虽然其中一些被云层反射回到空间。但是，由较高大气层的臭氧（O3）吸收一部分入射的紫外线保护行星表面的生命。
透射、反射和吸收同时出现是常事。例如考虑一个现代家庭中的光线。如果你注意外来的光线，你可能看到光的闪耀，表明某些入射的太阳辐射被反射。如果你触摸玻璃窗或许感到温暖，只是一些能量被吸收。如果你在室内透过玻璃看天空，你可能推断出一些太阳辐射已经被透射进入你的眼睛。如果你在光下感到温暖你知道室内的空气吸收了一些透过玻璃的辐射。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller
图16.4 每年从太阳到地球的能量流。也表示从地球内部到近地表环境的相对小的热元素。
热能
在天空光线的例中，玻璃和空气感到温暖是因吸收的电磁能量被转换成热辐射，它是振动分子的动能（热能紧密相关于热，为讨论的目的可认为与热辐射相同）。当一个物体吸收电磁辐射时，它的分子振动增加，物体变暖。振动的分子发射一些吸收的热量以电磁辐射回到四周，但是被吸收的辐射有较长的波长。简短的说，这种再发射的能量主要是红外辐射的形式，它是肉眼看不见的。
温度对辐射和吸收的效应
物体-太阳、地球、湖泊、岩石-越热，其散射的电磁能越多。事实上，每秒辐射的能量随物体表面温度而变；如果表面温度加倍，发射能量增加16倍。这解释了为什么太阳，其表面温度5,800℃，发射比地球，其表面温度15℃，大得多的单位面积能。
一个物体的温度也反映了其散发辐射的类型，如图16.6所示。物体越热，散发能量越快，占优势的辐射波长越短。这解释了太阳的辐射能主要为短波的事实，相反地球的辐射有相对长的波长。地球表面，它包括植被、云、水、岩石、植物和动物，是如此的凉以致发射的能量主要在波谱的红外部分。
吸收同样受表面温度影响。地球表面的冷物体可能吸收大量输入的太阳能而暖起来。不过，因它温暖，它将更快地发射能量。随着能量的持续输入，物体将最终达到以相同速率吸收和发射能量的温度。地球从太阳接受大约550万焦耳并发射等量能回到空间（图16.4）。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller
图16.5 电磁波谱
反射
物体的颜色也影响其吸收和放射能量的能力。暗的或黑色的表面容易吸收和放射电磁能。另一方面，白色表面倾向于放射电磁能而不吸收它。冰反射80-90%落于其上的太阳能，干草地30-49%，针叶林5-15%。表面含有一定量的岩石和其它暗色物质的冰较纯冰的反射弱得多。因为暗色物吸收多量入射能。结果暗色物暖起来，传热量给冰而部分融化。这解释了为甚么较暗的冰川冰地形上低于邻近的白色冰。
反照率
是一种对表面反射能力的量测，表达为入射光被反射的比率。已有的估计为，在给定的现今大气条件下，被地球反射的阳光量中1%的变化或将导致表面温度大约1.7℃的变化。因此，地球表面温度对反照率的变化是很敏感的。太阳能的吸收和反射中的实际变化是由于一些因素如云的覆盖，地球表面的冰量，植被类型和水的存在。
16.4 大气层的CO2和全球变暖
绿室效应
地球的温度主要取决于三种因素，以高度理想形式示于图16.7。地球接受的阳光量，地球反8 环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 射（因此不吸收）阳光的量，和大气保留的辐射热。吸收的太阳能温暖着地球的大气和表面，以红外辐射放射能量。水蒸汽和其它几种大气中的气体，包括CO2、CH4、和CFCs趋于捕获热，那就是说，它们从地球表面吸收一些能量并因而变暖。为此，如果所有的辐射逸散到空间而没有这种中间的吸收和变暖，这个星球比它将呈现的状态要暖得多。这种效应多少类似于绿室封闭的热（虽然绿室中热的保留多半由于空气循环而减少冷却，仅伴随少量封闭红外辐射的原因）。由大气层的热圈闭一般称为绿室效应（图16.7）。
图16.6 比较来自太阳 和地球的能量弥散的 理想图。注意太阳弥 散波长较短而自地球 的弥散波长较长。
图16.7 绿室效应示意图。入射的可见太阳辐射被地球表面吸收并以电磁波谱的红外区再弥散。再弥散的红外辐射多被大气层吸收，维持绿室效应。（M.S.Manalis.与E.A.Keller, 1990）
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 了解这一点很重要即绿室效应是一种自然现象，它已经在地球上和太阳系其它行星上出现了几百年了。若不是它在大气层中捕获热能，地球大概比现在要冷33℃，所有地表水都将冻结。自然的“绿室变暖”多半由于大气中的水蒸汽。不过，由人类活动引起的潜在的全球变暖是与CO2、CH4、N2O和CFCs有关。近年来，这些气体和其它气体的大气浓度已经因人类活动而增加。这些气体从地球吸收红外辐射，而且已经假定的事实是这个星球由于“绿室效应”的量值的增加可能变暖。主要的绿室气体按照它们对人类引发“绿室效应”的比例的贡献示于表16.1。
表16.1
几种气体对人类诱发的绿室效应的增长率及相对贡献 增长率（每年的%）相对贡献（%）CO2 CH4 N2O O3* CFC-11
0.5 ﹤1 0.2 0.5 4
15 5 8 4 CFC-12 4 8 * 在对流层中
资料来源：数据来自H.Rodhe, 1990.各种气体对绿室效应的贡献的比较。科学(Science)248，1218，表2。版权由AAAS,1990所有。
绿室气体变化
二氧化碳
由表16.1可见，人类导致的绿室效应的60%归因于CO2。在南极冰片的气泡中封闭的CO2的量测提示在过去的16万年中，大气的CO2浓度已从接近200ppm升到大约300ppm。最高水平记录出现在约125,000年和现代的间冰期中，约130年前，在工业革命之始，大气CO2浓度约为280ppm，这个水平曾经恒定在至少前700年中。
约自1860年，大气层中CO2浓度已呈指数增长。自大约1500-1990年的变化示于图16.8.。20世纪中叶前的数据是由封闭在冰川中的气泡量测得来。今天大气中CO2浓度是近于350ppm,并预测到2050年将达到至少450ppm,相当于工业化前水平的1.5倍多。自工业革命开始，从燃烧燃料的碳发散的增长率已是每年约4.3%。在给定条件下，或将假定从那时起大气中CO2的增加全部是由于人类诱发作如燃烧化石燃料和砍伐森林。不幸的是，证明这个关系一直是困难的。全球碳的循环是很复杂的，从各种不同的自然来源的碳的键合和流动以及沉降所知不多。假如由人类活动产生的CO2留在大气层里，其浓度应比今天的浓度更高。因此必定有些CO2沉落在海里或陆上，而这些尚未很好的了解。尽管如此，清楚的是
图16.8 大气的二氧 化碳的平均浓度，1500-1995。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 大气中CO2浓度自工业革命以来在明显地增加，这种增长可能通过绿室效应对全球变暖做出贡献。
甲烷
甲烷被认为对人类诱发的绿室效应贡献15%。但是，关于大气中甲烷的来源和沉降有争论，而且在这个领域需要做更多的工作。尽管有不确定性，已相当清楚的是人类诱发的甲烷气体与生物体的埋葬和分解（例如填埋），煤和天然气的生产以及农业实施如种大米和增加牛羊有关。与大米生产有关的甲烷是一致于洪水泛滥地带的厌氧微生物活动。来自牛羊的甲烷是动物的消化过程和气体排出的结果。
氯氟碳CFCs 人类诱发绿室效应的12%可能与大气中的CFCs有关。这些化合物已经并仍然被用在制冷单元如氟里昂(Freon)和喷雾器中的火箭燃料中，大气的CFCs浓度正比CO2浓度更快的增加。因为CFCs是高度稳定的化合物，在大气中的驻留时间长。CFCs的增长率约为每年5%，即使这些化学物质的生产和发散被大幅度削减或全部消除，已升高的温度将伴随我们许多年，特别在平流层（同温层）那里已有的CFCs大约产生于20-30年前。
氧化氮
氧化氮N2O浓度也正在大气层中增加并可能贡献于人类诱发的绿室效应的5%。多数人类产生的氧化氮来自农业肥料的应用，另外的贡献者是矿物燃料的燃烧。削减矿物燃料的燃烧和减少用肥可能降低氧化氮的发散进入大气层。不过，氧化氮有长的滞留期，因此如果发散率是稳定的，气体的上升浓度可能至少持续几十年。
全球温度变化：变暖趋势的证据
更新世冰期始于大约200万年前，自那时起，地球的年平均温度已有许多变化。图16.9表示几种时间尺度上过去百万年的变化。顶部尺度表示整个百万年，在这个时期中曾经有主要的气候变化包括平均温度摆动在几摄氏度。低温期相当于冰川事件，高温期相当于间冰期事件。表示15万年和3万年中的变化的两种尺度分别为间冰期和冰期事件变得更加突出。
在1500年变化的尺度中，可看到影响人类的几次暖和冷的趋向。例如，从公元800-1200年的一个主要的暖趋势可允许Vikings殖民到冰岛、格陵兰、和北美北部。约在公元1400年当冰川作小的推进时，正值小的寒冷期即所谓小冰期，北美和格陵兰的部分Vikings聚落被废弃。
约自1750年，一个明显的暖趋势延续到大约1940年。当温度轻微地变凉时，在表示80年中的温度变化的时间尺度中（图16.9）有较多的明显变化。而且1940年代的事件是比较清楚的。从1905-1985年的记录（图16.9中大部分底部尺度）的证据是全球年平均温度可能增加了大约0.5℃。在邻接美国地区的平均日温度自1900年起升高了大约0.3℃。多数的增加在过去30年里。美国的趋势与世界其它地方的估计是整体一致的。全球大气温度升高的趋势是支持全球变暖的证据，但不是最终的证明。同样，一个短期的特殊温暖年代系列或明显的南极冰的融化或破裂的增加也不是最终的。不过，这些证据是一致于全球变暖并是思考的源。
由于碳循环和绿室效应的复杂性，未来的全球变暖趋势保留不确定性。复杂性的一个主要来源是变化的可能的正和负反馈机制-例如和大气层中云的作用有关的机制-影响生物圈对变化的反应。由于我们不知道更多有关这些机制，我们的计算机模拟没有足够能力按我们所希望的去预测未来气候变化。图16.10表示由计算机模拟得出的预测全球变暖的潜在范围。该模型做了相当可靠地预测即在几年中将出现变暖，并可能加速。因此，我们需要仔细检验这种变暖的后果。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller
图16.9 近百万年的不同时期的温度变化。（自全球大气的研究项目委员会，国家科学学会，1975；环境质量协会，1990；环境趋势，1989。等）
全球变暖的潜在效应 环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 如果绿室气体在未来加倍，估计全球平均温度将升高大约1.2℃，伴随在北极区有重大意义的较大地变暖。这种温度上升的专门后果是难于预测的，但是两种被考虑的不确定性是由于较暖的海水的热扩张和冰川冰的部分融化而出现全球气候类型的变化和海平面上升。
图16.10 由计算机预测的 变暖趋势和范围。所有的 模型预测重要的变暖。
气候类型
全球温度上升可能主要改变降雨形式、土壤湿度关系和其它对农业重要的气候因素。已预测一些北部地区如加拿大和东欧可能变得高产量，相反南方土地将变得干旱。强调指出围绕全球变暖的不确定性，这些预测是很困难的。再者，即使最适宜的气候生长带移向北方也并不意味着最佳的农业地带将移向北方，因为最大的谷物生产也依赖于肥沃的土地条件，这在新地区未必存在。例如加拿大的大草原土比美国中西部趋于瘠薄。在某种程度上，这种不确定性使人们紧张。与全球变暖导致的气候变化有关的水文变化可能严重地影响全球水平的食物供应。
全球变暖也可能改变暴风的频率和强度，这种变化可能比那些地区变的潮湿或干燥，较热或较冷更为重要。变暖的海洋可能馈赠较多能量进入高量级的风暴如飓风。较多或较大的飓风或将增加低海岸带地区的灾害，许多地方正经历着迅速的人口增长。
虽然出现地球正呈现变暖的普遍舆论，证实性的研究仅仅开始，如果变暖的效应能被认识的话。也许记住的是科学家中的舆论（科学舆论）不是科学的证据。不久前，科学家中的舆论是大陆没有移动或漂移（板块构造的发现改变了那种舆论）。美国地质调查局开始了一项Delaware河盆地的试验性研究，伴随着主要目标为确定什么数据是预测气候变化的影响所需要的。Delaware河是一个好的研究场地，因为该盆地跨越四个不同的自然地理区（图16.11），提供各种不同的研究环境。该计划依据对纽约市储水过程相关的现存管理策略的水文学反应完成勘察与环境监测；为各种用水而维护河流流动的需求；并如果海平面变化时，控制盐水运移进入Delaware湾。但是，Delaware河盆地不包含美国水文学变化的全部范围，所以跨越该国的其它盆地也应作为气候变化的潜在指标加以研究。
海平面上升
海平面上升是一个潜在的与全球变暖有关的严重问题。预计下个世纪抬升变化很宽，从大约40-200cm，精确的估计此时尚不可能。但是，40cm的海面上升将导致重大的环境影响。这种抬升可导致在开放海滩上的海岸侵蚀达80m，抹灰房屋和其它结构物对高量级风暴产生的浪是很脆弱的。在海湾特征的海岸区，40cm的海面上升将导致现在海湾向陆地迁移，再次对海岸地带人工建筑施加压力。1m的海面抬升将产生非常严重的结果；为保护海岸带的投资，需做出重大抉择。社会必须在控制海岸侵蚀中作非常重大的投资或任凭海 滩和海湾在广阔的范围内向内陆推移之间做出选择。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 海岸侵蚀是当今世界许多地方的一个严肃问题，而海平面实质上的增长在一些地区可能是现有速率的加倍。看来不可避免地是这种抬升必定导向在海岸带保护城市的主要投资。海堤、海墙建筑和其它控制侵蚀的结构物将普遍施工，而海岸侵蚀将继续威胁城市财产。在一些海岸开发已被有力地限制的地区，海岸侵蚀可能继续对人们有小的后果。由于海岸侵蚀是如此难于对付，无论在任何可行之处，对其发展需要谨慎，并在绝对需要之地与之斗争。
图16.11 Delaware河盆地 地文分区示意：
阿帕拉阡平原（高地），河谷和山地，（选择线形 谷和山地），山麓（波状 丘陵地），和海岸平原（低起伏）。
（自美国地质调查局）
削减全球变暖影响的策略
如果全球变暖部分地因为绿室气体浓度的增加是真实的，在大气层中削减这些气体必须是一14 环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 项首要的管理策略。多数由人类产生源的CO2发散与矿物燃料的燃烧有关；因此，侧重于依靠转换能源如风能、太阳或地热的能源计划将削减碳的散入大气。大量使用核能的改变也将减少大气的碳负载。
大气CO2的其它来源和森林砍伐有关。燃烧林地转为农业应用释放了大量CO2进入大气。为保护世界森林的管理计划或将是另一策略，以帮助减少全球变暖的潜在威胁。
总之，较好地管理“绿室气体”的产生或将最终导致较低的全球变暖的可能。有些大的不确定性，如全球变暖是否正在出现，如果是，其量级和效应将是甚么。无论如何，应该出台一项保护计划它或将包括试图减少绿室气体的弥散，在短期内与经济和政治的可行性同步，并准备另外的管理对策以进一步减少气体的弥散。按照全球将进一步变暖以及对环境将有明显的反效应等舆论，当我们应对削减这些潜在后果采取步骤时，我们需要做出决定。幸而，近来的模拟研究提出全球变暖，即使出现也不是一件急事，我们有十年左右的时间对持续加强的矿物燃料的燃烧发展抉择。但是，将需通过从矿物燃料能量到选择产生很少CO2的能源的转换。如果我们决定这样做，必在未来稳定大气中CO2的浓度。
16.5 臭氧耗竭
臭氧组成和臭氧层
臭氧（O3）是氧的三原子形式，其中三个氧原子(O)被键连接。我们呼吸的氧是双原子氧（O2）。由两个氧原子键连接在一起组成。臭氧是相对不稳定的并相当容易释放一个氧原子。因此臭氧是一种强氧化物并与多种不同物质反应。某些反应是有用的，例如，臭氧气泡通过水可使其纯化。在低大气层中，臭氧是一种可能伤害生命有机体包括人的污染物。
图16.12表示大气的结构。臭氧在对流层（下大气层10km，这里天气、人类活动和城市空气污染出现）与光化作用（光诱发的化学作用）一起产生，该作用与自然的和人为的氧化氮和碳氢化合物的发散有关。在平流层（同温层，地面以上10-50km的大气层）中的臭氧由自然过程产生。在平流层中，氧分子（O2）的光电离作用产生单氧原子（O），然后一个氧原子可能与一个氧分子合并而产生臭氧（O3），平流层的最高浓度出现于地面以上大约20-25km，组成臭氧层。
图16.12 大气层和臭氧浓度的结构
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 臭氧层有时涉及到作为地球的臭氧屏蔽或生命屏蔽，因为它吸收太阳的紫外辐射，防止这种辐射的有害量传播到对流层。对流层中全部臭氧量是很小的。如果全部被带下到地球表面，将形成约4mm厚的层。无论如何，这种少量的臭氧对维护生命屏蔽负责。
平流层臭氧的迁移
平流层（同温层）中的臭氧层是天然脆弱的。自然作用正不断地形成、维持和迁移臭氧。事实上，臭氧层中紫外线的吸收是臭氧迁移（排出）的天然机制。任何改变臭氧形成和更新之间的平衡的事具有扰动臭氧层的潜势。
1974年首次提出认为化学物质可能对臭氧层的破坏负责。1974年的假说是由CFCs分子的光电离作用释放的氯对诱发平流层臭氧显著衰竭的连锁反应负责。该假说的重要性在1985年随着所谓南极臭氧洞的发现被戏剧性的提高（图16.13）。
图16.13 1994年10月初期 的“南极臭氧洞”（资料引 自NASA, Goddard空间飞 行中心）
CFCs包含在许多商业产品中，包括制冷剂、清洁剂和烟雾火箭燃料。CFCs是极为稳定的合成物，它们是不溶的和非活动性的。两种或很常用的CFCs是三氯氟甲烷(CFC-11)和
二氯二氟甲烷(CFC-12)，它们已被释放入大气层多年了。近年来，这些物质的年总发散量已超过100万吨。
当稳定的CFCs弥散入大气层时，可滞留很长时间，常在100年以上。在这时期中，它们随机地漫射通过大气层，逐渐升到较高的高度。在平流层中水平部位吸收紫外线，这引起它们释放氯原子。然后，平流层的氯可能下降，穿过臭氧层，并最终作为降雨中的盐酸沉积下来。但在酸形成前，氯可能参与链式反应：
Cl + O3 → ClO + OClO + O → Cl + O2 16 环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 第一个等式描述一个氯原子(Cl)与臭氧的合成，导致氧化氯（ClO）的形成和二氧原子的氧分子（O2）。此反应是破坏臭氧的一个反应。在第二种反应中，氧化氯与一个氧原子合成产生氯和另一个氧分子；氯再次出现，而臭氧则否。由于氯可能与另一个臭氧分子合成，重复第一反应并引起臭氧进一步破坏，该过程为链式反应。已有估计，当一个氯原子在平流层的平均滞留时间1-2年中，可能破坏大约10万个臭氧分子，因此，大约100万吨的CFCs的年逸散量可能转换为臭氧的损失约为10万倍之多。
认识这一点很重要即氯不是仅有的能参与破坏臭氧反应的化学物质。另一些物质如氧化氮（N2O）和溴(Br)可参与类似的反应。但因CFCs被大量释放并正增加大气中的浓度，焦点是平流层中的氯。
刚才讨论的臭氧耗竭反应可能给人以臭氧耗竭是个简单的事的印象。这恐怕不是进而真实的！这些反应极大地简化了在南极旋涡正发生的事，空气气体在南极呈顺时针循环。复杂的化学反应当极地的冬天和早春时出现在极地平流层的云的边缘，导致破坏臭氧的氯从与其它原子形成的化合物中释放（见特别图像，南极臭氧耗尽中平流层的任务）。
第一份重要的臭氧耗尽的报告来自南极陆地基本数据。约30年的数据提出每年曾经有一个明显的春季期的臭氧减少，可能始于1970年代，而在80年代中期加剧。卫星数据确定了臭氧损失和南极臭氧洞的发展。1987年南极上空的臭氧下降近50%，虽然1988年这种下降接近15%。1988年下降最低被认为是较大的大气混合的结果和南极上空较暖的平流层产生少量冰云参与臭氧耗尽的反应。南极的臭氧耗尽在1988-1994年间再次增加，伴随着1993年耗尽70%和1994年近于相等的记录（图16.13）。再者，南极臭氧洞的尺度显然正在增加，从1970年代晚期的不到200万km2到1994年的大约2400万km2。
臭氧耗尽的环境效应
平流层的臭氧耗尽允许较大量的紫外线到达地面。对人类的潜效应包括增加所有类型的皮癌，和剧烈的日灼。还有些忧虑即紫外辐射将影响粮食作物如大豆的生产。事实上，已经推测臭氧耗尽可能通过植物的破坏而不利地影响部分以农业为基础的全球粮食供应。
增加的紫外辐射也可能影响海洋生物过程，辐射穿透几米海水并可潜在地引起损害浮游生物。浮游生物组成海洋环境中食物链的基础，因而任何浮游生物的干扰都将通过全部食物链引起潜在的问题并最终影响消耗海洋资源的人类。进而，浮游生物被认为是CO2的主要洗涤槽，因此，它们的破坏可能增加大气的CO2浓度。近来对臭氧耗尽气体下面的南极海洋的研究提出浮游生物碱少6-12%。需要更多的研究去进一步检测增加的紫外辐射正摧毁浮游生物的假说。
与臭氧耗尽有关的管理事项
臭氧耗尽将伴随我们几十年。即使所有CFCs的应用今天被停止，数百万吨这些化学物质已处于低大气层中，向上朝向同温层运动。这种运动在今后的几十年中将引起浓度增加和平流层臭氧浓度减少。结果，削减CFCs的使用在本世纪末之前对臭氧问题将仅有很小的效果。无论如何，推进管理计划对引起臭氧耗尽的CFCs和其它化学物质的应用采取大规模地限制是非常慎重的事。考虑臭氧耗尽已导致美国环境工作计划发展一项对策去保护平流层的臭氧。已知的1987年蒙特利尔条约的目的是便于在1999年使CFCs的发散减少50%。美国已实施一项计划在1992年最终消除全部CFCs的生产。结果，有一些计划收集和再使用CFCs和开发代用化学品以置换CFCs。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 专门特写
平流层云在南极臭氧耗尽中的作用
极地平流层云形成在极地区上空20km（图16.14a）。该云在极地冬季当极地气体从大气层的残余物中被分离并在南极旋涡中反时针旋转时形成（图16.14b）。最终因南极臭氧耗尽的化学反应和作用示于图16.14c。氯硝酸（ClONO2）和盐酸(HCl)的分子被隔绝在云微粒的边缘。氯硝酸和盐酸是平流层中氯的重要巢窟，在云的边缘它们起作用形成二分子氯(Cl2)和盐酸(HCl)。在冬季中，反硝化作用出现，因硝酸颗粒在剧冷中长大并由于重力沉降而降落离开平流层。因此，在春天，二分子氯是可用的并容易被初起的阳光离解成氯原子而进入臭氧耗竭反应链，如前所讨论的。据1993和1994年的观察，在早春时借此作用可能导致每日1-2%臭氧耗竭，最终产生70%臭氧削减。
在结束讨论之前，谨慎地讨论一点大气层中氯的两个天然的巢窟。氯硝酸的形成是因为氧化氯在大气层中和二氧化氮的化合。当此现象发生时，臭氧耗竭是小的。盐酸是氯的另一个天然巢窟。出现的作用是氯从CFCs中释放与甲烷化合形成盐酸然后以降雨方式离开大气层，结果从臭氧破坏链作用中移去氯。极地平流层云不允许天然巢窟充分地运作，如图16.14c所示。因此，我们看到导致臭氧洞的南极臭氧耗竭的化学机制是很复杂的，依赖于许多因素，包括极地旋涡和极地平流层云的形成。
图16.14 极地平流层云(a)。云层是从挪威Datanger以北的极地区大约12km高程的NASA的飞行器上看到的。显示两种极地平流层云的类型。较低的暗桔黄或棕色云称为I型云，其组成的云颗粒多为氮化氚。顶部的珍珠似的白色云称为II型云，多由水分子结冻成冰所组成。（照片由NASA提供）环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 图16.14极地旋涡(b)与极地平流层云和南极 臭氧耗竭的化学过程和 作用一致。
(c)强调与臭氧耗竭 一致出现的复杂反应。[（b）和(c)引自 O.B.Toon和 R.P.Turco, 1991.极地平流层云和臭氧 耗竭。科学美国 246（6）；68-74.]
16.6 酸雨
酸雨在世界许多地方是一项区域问题。结果，它是常谈论的与矿物燃料燃烧有关的全球变化的一个话题。酸雨涉及湿和干的酸沉积。尽管酸沉积因此是一个更为正确的术语，酸雨一词更为常用。
许多人惊讶地得知所有的降雨是轻微地酸化的：水与大气二氧化碳反应产生碳酸溶液的PH值用于描述其酸度，7代表中性溶液（既非酸亦非碱）。PH标度示于图16.15。PH低于7的溶液是酸性的-PH愈低酸性愈强。纯降雨PH约5.6，而酸雨被定义为PH低于5.6的大气降水。不过PH在4和5之间的自然降雨在热带雨林已观察到，可能与树木发射酸性物有关。因为PH标尺是对数的，PH3是10倍于PH4的酸度，和100倍于PH5的酸性。汽车的电池酸的PH为1。骇人听闻的是西弗吉尼亚的Wheeling的降雨曾经量测为PH1.5，近于胃酸并远较柠檬汁或醋为酸。
或许比极酸雨这种孤立情况更重要的是问题明显的增长。直到最近人们相信酸雨基本上是欧洲的问题。现在则认识到酸雨能够影响所有的工业国家。过去认为美国仅在北部相对小的区域受酸雨的影响。现在相信影响到北美东部，而西海岸城市如西雅图、旧金山、洛杉矶现正开始记录酸雨和酸雾事件。在加拿大问题也很大。
图16.15 PH标度
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 酸雨的成因
自1900年起，二氧化硫（SO2）和氧化氮(N2O)释放进入环境的数量已显著地增加。如今在美国每年约各有24万吨的氧化氮和二氧化硫被释放进入大气层。美国法律已命令到2000年这些污染物的弥散必须减少（见17章）。随着二氧化硫和氧化氮散入大气层，它们被转变为硫酸盐(SO4)或含氮（NO3）的颗粒，它们可能与水蒸汽化合物形成硫酸和硝酸。这些酸可随着常见的风长距离运移，并以酸的大气降水形式下降（图16.16）。这种降水可能是雨、雪、或雾的形式。硫酸和硝酸颗粒也可能直接沉积在陆地表面像干的沉积物。这些颗粒可能后来被湿气所活化变成硫酸和硝酸。
图16.16 酸雨的途径和过程
二氧化硫主要从固定源发出如烧矿物燃料的电厂。相反，氧化氮自固定的和运输相关的来源如汽车发出。美国约80%的二氧化硫和65%的氧化氮由密西西比河东部各州产生。在最后45年当中，美国二氧化硫发射增加了大约50%，二氧化氮增加了多达300%，大部反映城市地区汽车的应用。纵观同一时期，发散堆变得高而又高。高的发散堆减少了当地空气污染物的浓度，但是通过更广泛地散播污染增加了区域效应。把废料倒入别人后院创造了更多而不是较少的问题。例如，瑞典科学家在斯堪底那维亚湖追踪酸降水问题到从德国、法国和大不列颠来的空运污染物；相似地，关于加拿大的酸降水问题可能被追踪到俄亥俄河谷中的二氧化硫和其它污染物。
污染物质留在大气层的时间长度取决于季节类型和污染物与大气的相互化学作用。典型情况是，污染物可能很快地回到地球或者滞留在大气层中一个星期或更长。美国东部的流行风，特别在俄亥俄河谷那里产生大多数的二氧化硫，趋于推动污染物到西北和东北。这种为酸降水问题的观察所作的估计（说明）在美国东北部和加拿大部分地区更为普遍。
硫化物沉积之前可能被搬运的距离的分析提出：美国东部沉积的总重的约1/3来源于500km以外。另外的1/3来自200km-500km之间的源，而剩余部分来自不足200km的源。
酸雨对土和植物的效应
地质学和气候类型以及植物类型和土的组成均影响酸雨的潜在冲击。图16.17表示美国对酸雨敏感区，是基于某些因素。特别敏感区是那些基岩不能缓冲酸的输入地区；这些地区包括20 环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 以花岗岩为主的地域，以及那些土壤有小的缓冲作用的地带。很少可能受到破坏的地区是那些基岩包含丰富的石灰岩或其它碳酸盐物质或者土壤包含一层富含碳酸钙层的地带。在敏感地区的土壤从肥料的观点可能被破坏，由于营养被滤出或因酸被释入土的有毒元素中。
长期以来怀疑酸降水，是否以雪、雨、雾或干沉积物的形式，不利影响林木。德国的研究已引导科学家谴责酸雨和其它空气污染为巴伐利亚数千亩常青树的死亡负责。在Vermont的类似研究提出在一些地点半数红针枞（云杉）树于近年来死亡。这种破坏归因于部分酸雨和酸雾分别为4.1和3.1的PH值。酸溶液进入土壤和来自当地矿物的自由有毒金属如铝和镉。然后，这些有毒金属运移到树和其它植物的根中并使其衰弱。
图16.17 美国对酸雨敏感的区域（自美国环境保护局，1980）
酸雨对湖泊生态系统的效应
近年来一度丰裕并作为食品和运动钓鱼的鱼类已从瑞典的湖中消失。15年或更长的斯堪底那维亚湖泊的记录表明，随着酸的增加，鱼类减少。鱼类的死亡已被追溯到酸雨-远在其它国家特别是德国和大不列颠工业过程的结果。
酸雨影响湖泊生态系统，它通过溶解生命所需的化学元素并保持在溶液中，它们随着湖水流出而离开湖泊。一度在湖内循环的元素因而从系统中消失。没有这些营养，湖中的藻类不生长，以藻类为食的小动物没得吃。典型地捕食小无脊椎动物的鱼类也缺乏食物。酸水对生活的有机物和他们的繁殖有其它的反效应。例如，小龙虾在酸水中产卵较少，产出的卵常为畸形幼虫。
为了较好地研究湖泊的酸化效应，加拿大科学家加硫酸到安大略西北的一个湖中，经过几年时间并观察其效应。当试验开始时，湖水PH为6.8。过了几年，由于加酸，PH进一步下降到6.1。PH值的初始下降并未损害湖泊，但当越来越多的酸被添加而PH进一步下降，在计划开始后5年左右达到5.1。当PH降到5.8时，问题开始出现；一些物种消失而另一些经历繁殖失败。在此PH值下，鳟鱼胚胎中死亡率增加。当PH降至5.4，湖鳟鱼繁殖失败。
那些试验有价值地证明了在现已酸化的数千湖泊中可能期待什么。确切地过程包含对湖泊的毒化和破坏所知甚少。但是，已知酸雨在流域盆地中从土和岩石中淋滤金属如铝、铅、汞和钙并携带它们流入河流和湖泊。铅的浓度升高对鱼类特别有害，因为金属可引起腮的堵塞而使鱼窒息。重金属可造成人类健康灾害因为它们可能集中在鱼类中并通向吃鱼的人类（以及其他哺乳类和鱼类）。当然，取自酸性湖和水的饮用水也可能有高浓度的有毒金属。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 不是所有的湖像安大略湖那样易受酸化。酸在水中与高含量的钙和镁中和-在石灰岩或其它富含碳酸钙、镁的岩石的湖泊中容易释放钙和镁。这种缓冲湖泊抵抗附加的酸。在砂或火成岩如花岗岩上的湖泊趋于缺乏足够的缓冲作用去中和酸，因而更容易受酸化影响。
美国和加拿大数千公里的河流和数千湖泊正处于不同阶段的酸化。例如在Nova Scotia,至少十余条河流含有足够高的酸,以致不再能支撑大西洋鲑鱼的健康。在美国东北部的Adirondacks,约200个湖不再能养鱼，数千个湖泊正慢慢地失去与酸雨的战斗力。
湖泊酸化的一种解决办法是通过周期性地加石灰而复原。这在纽约州以及瑞典和加拿大的安大略已经做了。但是这种解决方法长时期以来不令人满意，因为代价昂贵和需要持续努力。对酸雨问题的唯一实施的长期解决方案是保证减少大气中生成酸的组分的生产-那就是，控制二氧化硫和氧化氮的弥散。17章讨论空气污染物的控制。
酸雨对人类建筑的效应
酸雨不仅影响森林和湖泊，也能破坏多种建筑材料，包括钢材、油漆、塑料、水泥、砌石、电镀钢（不锈钢）和几类岩石，特别是石灰岩、砂岩和大理石（图16.18）。希腊雅典的卫城和欧洲、美国的其它城市的古典建筑表现了作为空气污染的结果在本世纪加速的可观的破坏。问题发展到这样的程度即雕像和纪念碑需要有一个频繁修整的外壳，导致一年达数十亿的开支。在卫城，以前在建筑物上的一些最重要的雕像已被移到室内保存在特别设计的玻璃窗内。留在外面受空气污染的雕像是复制品。
沿美国东海岸的城市如今更容易受到酸雨的影响，因为那里二氧化硫和氧化氮更为充裕。但是这种问题正在西移-在加州已记录到酸雨。更恼火的是洛杉矶酸雾事件的发现，其PH值低到3.这是美国东部酸雨的平均浓度的10倍以上。与酸雨可能形成于相对高的大气层并长距离运移相对，酸雾形成于近地面水蒸汽与污染物混合之时并转变为酸。酸明显地围绕极细粒烟雾凝结，如果空气足够潮湿可形成雾。当雾最终消散时，留下PH近于1的硫酸滴。这些酸雾对健康相当有害，因人可吸入含酸的微粒深入肺里。
图16.18 在地球上许多城市区 空气污染和酸雨正在破坏建筑 物和雕刻。这里展示的是希腊 雅典的卫城，这里的雕像已经 破坏到这样一种程度，原型物 已经置于建筑物内特殊建造的 玻璃容器内。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 16.7 大气中的微粒
人类活动给大气层增加颗粒。农业、林业和其它工业活动都包含燃烧，产生微粒物质。微粒分选类型和大小示于图16.19.重颗粒可能达到大气层的高程取决于包含它的大气运输过程（例如，向上运动气体的存在）。大气层中的物质如何影响全球变化在大气的年平均温度方面正被争论。
微粒有两种重要效应。首先，它们作为冷凝核导致大气降水或雾的增加，雨和雾由小颗粒上水的凝结而形成。第二，它们影响阳光到达地球的量。由于大气中微粒总量增加，入射的太阳辐射较大的百分比可能被地球反射回去，引起年均温度下降。另一方面，某些颗粒可能吸收入射的太阳辐射，引起大气和地面温度升高。这种第二效应在城市地区被观察，那里大气中的微粒聚集。
轻微的全球变凉和壮观的日落景象随着火山喷发喷射火山灰和其它物质进入大气层达一年左右。1883年东印度群岛的一个小火山岛，Krakatoa火山爆发是历史时期最大的火山喷发。这次喷发射出大约2.6km3的火山灰和其它物质进入大气层高达27km。留在海底板的洞是300m深，可在5000km之外听到这次爆发。平流层中的尘埃环绕地球数月，引起下大气层平均温度的轻微下降。
近来研究指出达到平流层的灰量比起火山灰决定气候效应方面次要些。例如，1980年圣海伦斯火山和1982年墨西哥南部的El Chicon火山喷发均喷射火山碎屑进入平流层（图16.20）。两次事件是相似的量级并较Krakatoa喷发小得多。不过，虽然圣海伦斯火山较小或未引起气候扰动，El Chicon多半要为随喷发而出现三年之久的年平均温度下降0.3-0.5℃负责。由El Chicon形成的平流层云含硫酸的雾滴是圣海伦斯含少量硫的火山云密度的约100倍。同时细火山灰沉降了几周，硫酸雾滴可能环绕地球几年之久。
图16.19 选定颗粒的类型和尺度
图16.20
1980年代中期圣海伦斯火山的垂
直喷发云，由于火山喷发可喷射灰和二氧化硫等物质进入上大气层。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 另外对其在地球温度上的假说效应来说，El Chicon喷发也可能通过干涉驱动海洋环流的大气环流而对1982/83年的强厄尔尼诺（见第4章）的形成做出贡献。事件系列看法如下。含硫云在大气层中吸收入射太阳辐射，导致平流层变暖和下大气层变冷。这些过程削减了正常大气环流，使南美洲外围近赤道的温暖洋流较易于向西运动（而不是像通常那样向东），这种流向的转变产生厄尔尼诺事件。
1991年菲律宾Pinatubo火山的喷发比El Chicon事件大，释放了巨量的二氧化硫并氧化成硫酸。这些喷发的气候效应正被量测和模拟。火山喷发的威力尚非最大的忧虑，而是由人类活动，如燃烧木头和煤、采矿和农业，引起的大气中微粒增加。我们还不能说由微粒引起的变凉是否抵消由烧矿物燃料产生二氧化碳引起的变暖趋势。
1991年波斯湾战争中的蓄意的系列火灾提供了一个由人类活动产生大气污染的戏剧性实例。伊拉克军队燃点了几百口科威特油井大火，每天烧掉几百万桶（每桶相当31.5美制加仑，36英国法定加仑）石油达几个月之久（图16.21）。火和烟产生了巨量微粒附有二氧化碳、一氧化碳和氧化氮。这些污染物在区域范围内创造了环境问题并对全球环境有较小的效应。例如，火灾贡献了全球二氧化碳年产量的2%弱。
图16.21 1991年的波斯湾战争中 和战后油田燃烧大火喷射大量 烟灰和烟雾进入大气层导致局部 和区域环境的破坏。这里的照片 是阿赫迈徳油田。
16.8 全球变化过程的结合
本章讨论的主要全球变化过程有着有趣的联系。例如，CFCs当它们到达平流层时可能引起臭氧耗尽，当其在下大气层中释放时可能对绿室效应作贡献。事实上，CFCs比CO2捕获较多的热，因为它们在波谱的一个范围中吸收红外线而CO2则不吸收。一项研究总结，在每个分子的基础上，CFCs比CO2在吸收红外辐射上的效应高10,000倍。无论如何，CO2对全人类产生的绿室效应比CFCs贡献的多得多。因为如此多的CO2正被发散。
这里考虑的要点是绿室效应和臭氧问题通过诸如CFCs的物质释放的联系。其它的联系和矿物燃料的燃烧等作用有关，它释放酸雨的前驱物质以及二氧化碳和其它绿室气体。如最后一节指出的，矿物燃料的燃烧也产生引起大气变凉的微粒，而我们不知道微粒或二氧化碳是否将有具支配地位的效应。因此，我们着眼于环境的作用协调统一性原理。一个问题的许多方面和其它问题相关。同样，解决通过二氧化碳释放而潜在的全球变暖问题将可能影响其它全球过程诸如大气层中酸的前期物的形成和运移。环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 Environmental Geology, Seventh Edition, 1996, Edward A.Keller 总结
100年来，地质学家研究了全球变化记录。今天的人们非常担忧在大气层中出现的加速变化，包括二氧化碳的增加可能关系到全球变暖；臭氧层的耗尽可能影响我们的健康；氧化硫和氧化氮的增加是酸雨的前驱物；以及由于微粒而增加空气污染可能引起气候变化。
出现的综合性研究即地球系统科学的主目标是对我们的星球如何运作和其各种组分（如大气层、海洋和固体地壳）如何相互作用得到基本的了解。重要的第二目标是预测可能出现在几十年的时间框架中并因此对人类特别重要的全球变化。
研究全球变化的方法包括自湖泊沉积物、冰川冰、树年轮、水和其它地球物质的地质记录的检验；来自监测站的实时数据的收集；以及数学和计算机预测变化模型的发展。
地球大气圈是气体的混合物，其中出现复杂的和不完全了解的反应。许多反应受阳光和生命有机体产生的化合物的影响。在今天的富氧大气层中许多气体的氧化物已通过植物光合作用而产生了。
了解全球过程的一般变化和大气过程的特别变化，必须知道地球的能量平衡的一些事。地球接受太阳电磁辐射形式的能量；这种辐射的可见波长叫光。太阳辐射到达大气圈可能被反射、透射或吸收；多数可见辐射穿过大气层到地球表面，在那里被反射或吸收。吸收太阳能温暖地面并以红外辐射的形式再辐射，这引起大气层变暖。地球辐射回到空间的能量等于它从太阳接受的量。
由大气捕获热量一般涉及绿室效应。水蒸汽和几种其它气体（包括CO2,CH4,和CFCs）趋向于捕获热并使地球变暖，因为它们吸收自地球辐射的一些热能。约自1860年起，大气层中的CO2浓度已呈指数增长，它要对人类引起的绿室效应的60%的部分负责。一些模拟研究估计由于绿室气体和捕获热的增加，下个几十年中全球平均温度将升高约1.2℃。这种温度上升的后果是难于预料的；较肯定的几个包括全球海平面抬升和降雨类型、高量级风暴（飓风）、土壤湿度和其他重要的农业因素的变化。
1974年首次假说由氯氟碳(CFC)分子的光离作用释出的氯引起能显著地消耗平流层的臭氧的链式反应。这个假说于1985年随南极臭氧洞的发现被戏剧性地证实。臭氧吸收来自太阳的紫外辐射，而平流层的臭氧耗尽允许更多的这种辐射到达地面。潜在后果包括所有类型的皮癌和对植物和海洋生物的损害。期待国际合作导向更严格地限制CFCs的生产和弥散。但是，因CFCs在环境中是如此稳定，这种削减在20世纪之前将效果微弱。
涉及湿和干的两种沉积物的酸雨在今日世界的许多地方是一个严重的环境问题。硫和氮的氧化物发散进入大气圈经过复杂的化学过程最终产生硫酸和硝酸。酸雨的后果对土壤和植被，湖泊生态系统和人类建筑如房屋和纪念雕刻石像（碑）的破坏。
微粒从自然的和人类诱发源弥散入大气层。火山灰的喷发和烟雾硫酸进入平流层可在喷发后几年内引起轻微全球变凉，不过我们对这些过程还没有足够地了解和预测何者为主。
一些全球变化诸如臭氧耗尽和绿室效应是相伴连接的。例如，CFCs在弥散到平流层之前，释入下大气层，添加那里的绿室效应，而在平流层中它们引起臭氧耗尽。
环境地质学，第7版，1996，（美）E.A.Keller 著 王智济译，1998年7月18日 25
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