地球科学
从地震到全球变暖
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萨蒙德
英国伦敦大学学院
J M T汤普森
英国剑桥大学
帝国理工学院出版社
发表的
帝国理工学院出版社，伦敦Shelton街57号，Covent Garden
分布式的
世界科学出版有限公司，新加坡杜塔克林荫道5号，596224
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版权所有©帝国理工学院出版社2007
第1、2、3、5、7、8、11和12章的早期版本版权所有©皇家学会2002
英国皇家学会科学进展系列-第2卷:从地震到全球变暖的地球科学进展
版权所有©2007帝国理工学院出版社
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ISBN-10 978-1-86094-762-9 ISBN-10 1-86094-762-X (pbk)
排版由Stallion Press(电子邮件保护)
在新加坡印刷。
前言
这本受欢迎的卷是文章的集合，主要改编自发表在哲学交易三年期问题的文章。它在很大程度上反映了年轻科学家的观点，并强调了地球科学如何继续以新的想法和争议让我们感到高兴。许多作者都是皇家学会的研究员或前研究员，编辑们成功地汇集了一个有趣的不拘一格的组合。这本书分为三个部分，涵盖环境变化、地球动力学和应用地球科学，主题范围从气候变化的成本计算，到地核的性质和客观优化的地球观测。raybet雷竞技最新
在《气候变化的成本计算raybet雷竞技最新》一书中，Dave Reay指出，经济学和气候变化有很多共同之处，因为它们都试图在最近发生的事情的基础上预测未来。他检查了现有的温室气体减排政策的成本效益分析，并得出结论，经济学不能为在温室气体排放问题上的政治不作为提供理由。Andy Ridgwell和Karen Kohfield阐述了通过尘埃介质来解决地球系统问题所需要的综合思考。沙尘在全球范围内都很重要，因为它控制着海洋植物的生产力，从而控制着大气中二氧化碳的吸收。目前对碳循环的扰动是如此巨大和根本，以至于有人认为地球已经进入了一个新的地质时代。Yadvinder Malhi回顾了不同碳的可能原因汇和源并强调了自然植被所能储存的碳量的限制。陆地碳储存可能对全球变暖不稳定，因此有可能加速而不是遏制全球变暖。最后，在本节中，Richard Twitchett探讨了从更好的理解中可以学到什么最大规模物种灭绝发生在过去几亿年，二叠纪末期。
在《地球动力学》一书中，凯西恩·米切尔探讨了断层摄影术是如何从一种医疗工具发展成为一种对整个地球周围的电离等离子体成像的技术。实现这一点可能还为时过早
“电离层天气”预报，但实时电影现在让我们可以看到太阳风暴期间地球被太阳风轰击的结果。福山Eiichi fuyama大幅改变了震级，以表明如果有正确的信息，真实地震的动态破裂过程现在是如何被模拟的。一个重大的发展是能够从地质记录中获得关于自然过程速率的改进信息。西蒙·特纳(Simon Turner)在他对短寿命u级数应用于研究地下岩浆过程时间尺度的综述中说明了这一点岛弧火山。新的大陆地壳是在岛弧处产生的，Tim Minshull讨论了这些地壳随后是如何响应板块而分裂的构造过程．一些大陆边缘有大量与大陆分裂有关的火成岩，而另一些则没有。需要对成对的大陆边缘进行更多的研究，并开发能够处理从大陆变形到地壳变形的过渡的计算机模型海底扩张形成了一个新的海洋盆地。人们对地核、它的组成以及它的形成时间一直很感兴趣。Francis Nimmo和Dario Alfe专注于地核形成材料的性质，地核运动如何产生地球磁场，以及地核和发电机的演化。他们还简要回顾了目前对其他行星体上的核心和发电机的认识。
克里斯·基尔伯恩(Chris Kilburn)在《应用地球科学》(Applied Earth Science)栏目的开头，对大型滑坡的危害进行了重新评估。它们的规模和速度妨碍了塌方后的有效减灾，因此重点在于对塌方进行预先预警，以及单个塌方可能移动多远。地震循环仍然知之甚少，但蒂姆·赖特解释了已经取得的令人兴奋的进展雷达干涉测量卫星数据。地球表面扭曲的详细地图现在第一次可以得到，它们提供了对地球的非凡观测地震周期．多米尼克·韦斯，马林·凯兰德和马修·罗伊尔回顾了铅对环境和人类的影响。铅自古以来就被开采，但到1983年，人类活动占全球铅质量平衡的97%。从那时起，铅的数量可能已经减少，但释放到环境中的铅也提供了一种地球化学示踪剂，为其在海洋和陆地系统中的命运和运输提供了新的见解。清理汽车尾气排放的行动导致了催化转换器制造对铂的大量需求，Hazel Pritichard回顾了可能的来源铂和钯．它们在地球表面的岩石中仍然很罕见，但在我们的城市中积累了大量的碳，从那里回收碳是可能的。该卷以对未来的主要愿景为高潮，一个客观优化的地球观测系统与综合科学分析。David Lary和Anuradha Koratkar展示了这将如何动态地调整以在线方式进行的观察的内容、地点和时间。它可能会改变我们从事科学研究的一些方式，并被广泛用于地球和环境科学观测，甚至可能包括疟疾可能爆发的地点。
克里斯·霍克斯沃斯，英国布里斯托尔大学FRS地球科学教授
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Peter Sammonds地球科学系，伦敦大学学院，英国
Peter Sammonds自2001年起担任伦敦大学学院地球物理学教授。他的研究目标是通过研究地质材料的基本物理和力学来研究地壳和冰盖的力学，特别是针对研究气候变化和气候变化的影响raybet雷竞技最新自然灾害．1992年至2001年，他是英国皇家学会大学研究员，也是《皇家学会哲学汇刊》编委会成员。
J.迈克尔T.汤普森，FRS
剑桥大学应用数学与理论物理系“，
迈克尔·汤普森1937年出生于约克郡，就读于赫尔文法学校。他于1958年以一等荣誉毕业于剑桥大学[ScD(1977)]。他是伦敦大学学院的教授，1991年被任命为非线性动力学中心主任。他的第四本书，非线性动力学和混沌[第二版，威利(2002)]，已售出14 000册。1985年，迈克尔当选为皇家学会会员，并在理事会任职。他获得了尤因奖章(Inst。土木工程师) 1992年获IMA金奖
于2004年获得数学奖，并获委任为SERC高级研究员。自1998年以来，迈克尔一直担任《菲尔》杂志的编辑。反式。r . Soc。迈克尔是伦敦大学学院名誉教授和剑桥DAMTP研究员。他已婚，有2个孩子和8个孙辈，他喜欢和孙辈一起天文学、野生动物摄影和羽毛球。
作者
达里奥·阿尔夫·西的地核和地球发电机
英国伦敦大学学院地球科学系和意大利的里雅斯特国家模拟中心INFM DEMOCRITOS
达里奥·阿尔夫1968年出生于意大利那不勒斯。他已婚，有两个孩子。他于1993年毕业于意大利的里雅斯特大学物理系，并在里雅斯特国际高等研究学院获得博士学位。2000年，他成为伦敦大学学院皇家学会的研究员。2002年，他获得了菲利普·利弗休姆杰出青年科学家奖。
福山荣一断裂动力学地震
国家地球科学与灾害预防研究所，
日本筑波
Eiichi fuyama是国家地球科学和灾害预防研究所的高级研究员，致力于地震断裂带附近的地应力测量。他在京都大学获得学士、硕士和博士学位。他的大部分研究都是在地震波形反演，最近是在模拟动态地震破裂。他曾在法国、意大利和美国工作过。
巨大的灾难性山体滑坡
英国伦敦大学学院地球科学系本菲尔德危害研究中心
克里斯托弗·基尔本是本菲尔德危害研究中心的高级研究员和副主任。他是地球物理灾害建模方面的专家，尤其是侵位风暴和熔岩流，以及预测火山爆发和提高弱势群体的危险意识。
Karen Kohfeld，美国纽约皇后学院地球与环境科学学院地球系统学院的尘埃
凯伦·科菲尔德(Karen Kohfeld)是纽约城市大学皇后学院的助理教授。她的研究重点是利用全球古环境数据集与地球系统模型来了解控制冰期-间冰期气候变化的主导过程和反馈。raybet雷竞技最新作为一个适度的信徒，她只养了两只猫。
Anuradha Koratkar客观优化地球观测NASA戈达德太空飞行中心，MD，美国
Anuradha Koratkar于1990年获得密歇根大学天文学博士学位。她曾在太空望远镜科学研究所从事哈勃太空望远镜的仪器科学家工作。
Malin Kylander Global地球化学循环的铅
帝国理工学院地球科学与工程系，英国伦敦
Malin Kylander在蒙特利尔和温哥华长大。加拿大。她就读于安大略省汉密尔顿的麦克马斯特大学，并于1999年获得生物学荣誉学士学位。2002年，她在瑞典查尔姆斯理工大学(Göteborg)获得应用环境技术硕士学位。2003年，她来到伦敦帝国理工学院，目前正在攻读环境地球化学博士学位。她的研究着眼于泥炭沼泽中的铅同位素，并研究自然和人为因素对狗、徒步旅行和植树的影响。
大卫拉里客观优化地球观测NASA戈达德太空飞行中心，MD，美国
大卫·拉里(David Lary)是美国宇航局全球建模和同化办公室的高级研究科学家。他曾在英国皇家学会大学任职研究奖学金剑桥大学大气科学中心化学数据同化，以色列特拉维夫大学阿隆奖学金和高级讲师。他开发了先进的光化学方案，用于大气模型，最近用于数据同化模型。
英国牛津大学地理与环境学院大气系的Yadvinder Malhi Carbon
Yadvinder Malhi在剑桥大学学习自然科学，并在雷丁大学攻读气象学博士学位。他对热带森林的研究兴趣始于爱丁堡大学的研究员时期。目前他是英国皇家学会成员
牛津大学环境中心研究员。他的研究重点是热带森林的生理、结构、生物量和动态如何受到气候和土壤的控制，以及森林的这些特征如何对持续的大气变化做出反应。raybet雷竞技最新他是南美和非洲RAINFOR项目的联合创始人，也是欧盟项目的协调员，该项目对亚马逊地区的学生进行生态领域科学技术培训。他是《热带森林与全球大气变化》一书的联合编辑。
英国南安普顿，大陆国家海洋学中心的解体
Tim Minshull拥有剑桥大学物理学学位和杜伦大学地球物理学硕士学位。1990年，他在剑桥大学完成了海洋地球物理学博士学位。在伯明翰做了一段时间的地球物理学讲师后，他于1991年回到剑桥，在那里他又待了八年，先是作为研究助理，然后是皇家学会大学研究员。1999年，他搬到南安普顿的国家海洋学中心，在那里他成为了学术人员。他的主要研究方向是裂陷大陆边缘的深层结构和海洋沉积物中的甲烷水合物;为了追求这些兴趣，自1992年以来，他领导或参与了15次研究巡航。
英国巴斯大学电子工程系空间等离子体成像
凯瑟琳·米切尔来自斯塔福德郡，在威尔士阿伯里斯特威斯大学学习，1996年获得博士学位，专业是“电离层电子密度的层析成像”。由于她的博士工作，她获得了大学的格兰维尔·贝农爵士奖和皇家天文学会的布莱克威尔地球物理学奖。随后的研究涉及这项工作在高频通信系统中的应用。1999年9月，她被任命为该大学的第一个讲师
她在巴斯建立了一个新的研究区域，利用GPS卫星信号对对流层、电离层和等离子层进行成像。2003年，她被授予EPSRC高级研究奖学金，研究电离大气对导航卫星信号的影响。工作之余，她喜欢在威尔特郡的乡村散步和骑马。
《地核与地球发电机》
美国加州大学圣克鲁兹分校地球科学系
弗朗西斯·尼莫是加州大学圣克鲁兹分校地球科学系的助理教授。1996年，他在剑桥大学获得了金星火山和构造演化方面的博士学位。此后，他是剑桥大学抹大拉学院的初级研究员;伦敦大学学院皇家学会大学研究员;在担任目前的职位之前，他是加州大学洛杉矶分校的兼职助理教授。他的主要兴趣是太阳系固体天体(包括地球)的热演化和轨道演化。
Hazel Prichard铂和钯事件
威尔士加的夫大学地球、海洋与行星科学学院
Hazel Prichard毕业于赫尔大学地质和自然地理学专业;1996年在英国纽卡斯尔大学获得博士学位，在英国开放大学获得工商管理硕士学位。她被授予皇家学会大学奖学金，研究铂金蛇绿岩1986年的综合体。1996年，她被任命为卡迪夫大学地球科学讲师。2000年，她获得了由MinMet和里约热内卢Tinto公司主办的4年英国皇家学会工业奖学金，并与这些公司一起将铂和钯浓度的学术模型应用于实际勘探。
目前，她正在研究贵金属在城市环境中的运输和集中，2004年由英国皇家学会高级布莱恩·默瑟奖资助。
气候变化的Dave Reay Pricraybet雷竞技最新e
苏格兰爱丁堡大学大气与环境科学研究所
戴夫·雷伊1972年出生于汉普郡弗利特。他在利物浦大学学习海洋生物学，并在埃塞克斯大学获得博士学位，研究南大洋藻类对温度变化的反应。然后，他研究了土地利用对土壤甲烷汇的影响。2001年，他前往爱丁堡大学研究农业温室气体排放。他是《气候变化从家里开始:全球变raybet雷竞技最新暖的双向道路》(Macmillan)一书的作者，也是领先的气候变化网站温室气体在线(www.ghgonline.org)．他的爱好包括特别考试比赛，为他的女儿写故事堆肥．
Matthew Reuer全球铅地球化学循环
帝国理工学院地球科学与工程系，英国伦敦
马修·k·罗伊尔最近加入了科罗拉多学院的环境科学项目，在那里他指导本科生研究项目并教授环境科学课程。他于2002年获得麻省理工学院/ WHOI海洋学联合项目的博士学位，在Edward Boyle的指导下专注于人为铅的环境地球化学研究。2002年，他获得了哈里赫斯奖博士后奖学金来自普林斯顿大学，和迈克尔·本德一起研究氧三同位素。Matt的研究兴趣包括水环境化学和新型同位素和元素示踪剂的开发;教学兴趣
包括本科生生物地球化学和环境化学。在业余时间，马特非常喜欢登山、高山滑雪和越野跑。
地球系统中的尘埃
英属哥伦比亚大学地球与海洋科学系，
加拿大不列颠哥伦比亚省
Andy Ridgwell是一名助理教授，是“加拿大全球过程建模研究主席”。尽管在实践中，他大部分时间都在照顾5只猫的每一个需求，但他的研究解决了围绕过去和未来对大气二氧化碳的控制以及反馈在气候系统中的作用的基本问题。raybet雷竞技最新他在这项工作中选择的武器是地球系统气候模型。raybet雷竞技最新
岛弧火山下发生的岩浆过程
澳大利亚新南威尔士州麦考瑞大学地球与行星科学系
西蒙·特纳出生于澳大利亚墨尔本，1986年毕业于阿德莱德大学地球科学专业，1991年获得博士学位。1992年，他以NERC研究员的身份来到英国开放大学，研究大陆问题洪流玄武岩以及青藏高原．1995年，他被授予皇家学会大学研究奖学金，并于2000年转移到布里斯托尔大学。2002年，他被伦敦地质学会授予莱尔基金，并获得澳大利亚联邦奖学金。他目前是悉尼麦考瑞大学的联邦研究员和地球化学教授。
Richard Twitchett迟到了二叠纪大灭绝日本东京大学地球与行星科学系
Richard Twitchett于1993年毕业于布里斯托尔大学地质学和生物学专业。他继续在利兹大学完成了早三叠纪海洋古环境的博士学位，主要基于对意大利北部二叠纪-三叠纪记录的研究。从那时起，他继续研究二叠纪的相、动物、生态和环境三叠纪灭绝-在英国、美国、荷兰和最近在日本的研究职位期间的恢复间隔。2003年，他在普利茅斯大学获得了永久职位。具体研究兴趣包括通过灭绝事件的大小变化问题。除此之外，他还学会了在拉斯维加斯的赌场里玩掷骰子，在鲨鱼湾的叠层石间潜水，还爬过富士山。他偶尔是一个旋转保龄球手，终身桥牌玩家和有抱负的剑道家。
多米尼克·韦斯全球铅地球化学循环
帝国理工学院地球科学与工程系，英国伦敦
多米尼克·韦斯出生于瑞士巴塞尔，毕业于联邦理工学院自然科学专业。他在伯尔尼大学William Shotyk的指导下完成了他的博士工作大气沉积在欧洲使用泥炭沼泽档案的铅。在东非登山三个月后，他在麻省理工学院(MIT)与爱德华·博伊尔(Edward Boyle)一起做了一年半的博士后研究助理，研究海洋表层水域的铅同位素地球化学。2000年，他被任命为伦敦帝国理工学院环境地球化学讲师。最近的工作集中于微量金属的低温同位素地球化学，主要是铜、锌和铁，以及微量金属与空气、水和土壤质量的地球化学。
英国牛津大学地球科学系蒂姆·赖特地震周期远程监测
蒂姆·赖特出生于1974年，1995年毕业于剑桥大学自然科学专业。在一个为有学习困难的成年人开设的日间中心工作了一年之后，他回到了大学，并于1997年获得了伦敦大学(校际)遥感硕士学位。1997年至2000年，他在牛津大学完成了土耳其活动构造的InSAR研究博士学位。随后，他获得了NERC博士后研究奖学金，也在牛津大学，研究大陆剪切区．自2004年10月以来，他一直是英国皇家学会大学研究员。
内容
前言v
Chris Hawkesworth, FRS
编辑与作者简介
介绍第二十一章
彼得•萨蒙兹
第一节:环境变化
气候变化的代价raybet雷竞技最新
大卫·s·雷伊
早期人类世大气和陆地生物圈中的碳25
Yadvinder Malhi
地球系统中的尘埃:生物地球化学
陆、空、海的连接
安迪·里奇维尔和凯伦·e·科菲尔德
二叠纪晚期大灭绝事件《恢复:温室世界的生物灾难》69
理查德·j·特切特
第二节地球动力学
空间等离子体成像——过去、现在与未来
凯瑟琳·n·米切尔
断层结构，应力，摩擦和破裂
地震动力学/
本片福山
岩浆岩的时间尺度问题刍议
岛弧火山下发生的过程
西蒙·p·特纳
大陆的分裂与大洋盆地的形成
t.a.米舒尔
地核和地球发电机的性质和演化
F.尼莫和D.阿尔夫
第三部分:应用地球科学
巨大的灾难性滑坡/
克里斯托弗·r·j·基尔伯恩
利用卫星雷达干涉测量法对地震周期的远程监测
蒂姆·j·赖特
人类活动对铅245全球地球化学循环的影响
多米尼克·j·韦斯，马林·e·凯兰德和马修·k·罗伊尔
天然和人造铂和钯
全球事件273
哈泽尔·m·普里查德
数据同化和客观优化
地球观测293
David J. Lary和Anuradha Koratkar
311年后记
比尔McGuire
指数313
介绍
彼得•萨蒙兹
英国伦敦大学学院地球科学系
地球科学正在复兴。地球科学中的全球性问题，如建立海啸预警系统或燃烧森林化石燃料，在世界领导人的会议上讨论;公众对广受好评的BBC系列节目“与恐龙同行”的反应就证明了这一点;而知识分子之间关于二叠纪大灭绝的争论已经有一个多世纪没有这么激烈了。在其他地方，地球科学并没有被积极看待，在美国教育委员会中，“智能设计论”与达尔文主义针锋相对，由于采矿和石油工业造成的破坏，地球科学陷入了一场政治风暴，成为环保主义者的目标。地球科学研究地壳及其所支持的生命的动力学和演化，地壳与海洋-大气系统和地球内部深处的相互作用，以及地球的近空间环境。正因为地球科学与我们的“生命维持系统”有如此直接的关系，所以才成为知识分子和政治争论的中心。当然，这并不新鲜。查尔斯·莱尔是19世纪地质学的奠基人之一，他不仅卷入了关于地球和生命演化的科学争论，而且还卷入了政治争论。今天的新情况是，其中一些问题亟待解决。
现代地球科学涵盖了从地震到全球变暖的广泛学科。但是，我们在哪些方面取得了进展?我们需要跟上哪些主题的步伐?一代人以前，推动地球科学研究的主要范式是板块构造论。建设板块构造理论无疑是二十世纪最伟大的智力成就之一。动态地球的观点对智力的影响不亚于任何科学发现。的确，板块构造理论的胜利似乎如此圆满，它还有其他地方可去吗?一些科学家认为，它是太阳系的类地行星，我们需要寻找具有同样意义的突破。然而，在这本书中，我们看到，研究地球的动力学仍然是一个取得进展的关键研究领域。但是，推动地球科学研究的最大问题可能是了解环境变化和环境危害的复杂性。这种转变在这本书中得到了反映，这些问题在书中得到了突出的体现。
地球科学的关键发展之一是摆脱了还原论方法，在这种方法中，地球科学可以简化为物理学、化学和生物学等学科和子学科的假定基本组成部分。导致这一结果的原因是，还原论方法未能兑现其理解地球表面复杂性的承诺;例如地震预报和核废料的安全处理。上世纪90年代，我们目睹了美国和日本地震预测计划的崩溃，以及英国政府拒绝批准建造一个新的地下放射性废料库。这些可以被视为地壳力学和物理行为固有复杂性的结果，而经典物理学无法解决这些问题。然而，出现了一种认识，即地球是一个复杂的系统，必须以整体的方式来对待。这是一种地球系统科学方法，它既对过程本身感兴趣，也对过程之间的相互作用感兴趣。在气候系统中，raybet雷竞技最新这些被称为反馈——但在这些反馈中，比如云的形成，是主要的控制因素。在这本书中可以看到地球科学观念上的这种变化。随着把地球视为一个复杂系统的观点的兴起，使地球科学家能够做到这一点的工具也得到了发展:地球观测，特别是卫星遥感的改进; improvements in computing power to allow ever more detailed simulations; improvements in the resolution of laboratory analytical techniques. The rise of the internet, ever lower travel costs and improved infrastructure have allowed global inter-comparisons to be made ever more readily. The globalisation of science has also brought us successful large international collaborations such as the海洋钻探IODP计划，其规模是任何一个国家都无法资助的，但全世界的科学家都可以使用。
这本书中的文章是由地球科学家写的，他们有着广泛的背景，专门从事各种各样的研究课题。我们的主要标准是只接受世界级科学家的文章。但是，这种性质的一卷书不可能全面地涵盖地球科学的所有进展。文章的作者大多是年轻的科学家，处于各自学科的前沿:他们确实是该学科的未来。这些文章涉及地球科学进展的关键领域:
•环境变化
•地球动力学
•应用地球科学
编辑在一定程度上受选择投稿的科学家的摆布，或者至少受那些编辑设法说服他们放弃自己的研究，向更广泛的读者解释他们的领域的科学家的摆布。作者的地理分布确实反映了这本书最初发表在伦敦皇家学会哲学汇刊上的文章的出处，这是世界上运行时间最长的科学期刊。有一些明显的空白:一个例子是物理火山学。科学家预测了火山爆发，并根据预测进行了疏散。人们对物理火山学的理解有了巨大的增长，从而促进了这一点。景观演化和建模作为一个学科领域的最新发展是缺失的。冰冻圈的卫星遥感不包括在内——尽管这可能被视为与气象学有更直接的联系。我们没有一篇关于日本巨大计算机“地球模拟器”的文章。的新热门话题之一始新世气候raybet雷竞技最新三千万年前的变化没有涉及。我们没有关于实验室实验如何改变我们对地幔．然而，我们相信这本书确实提供了目前在地球系统研究方面所取得的进展。
环境变化
环境变化现在是地球科学研究的主要驱动力之一。地质学家当然一直在研究环境变化。“现在是过去的钥匙”是詹姆斯·赫顿在18世纪的名言。这句格言被他的继任者如莱尔所采纳，他们证明沉积岩是在与今天类似的环境中逐渐沉积的:古老的红色砂岩起源于沙漠;可能覆盖它们的石灰石被埋在浅海中;而沙粘土层是由构造活动引发的巨大海底流将物质从大陆架带入海洋。地质记录记录了环境的变化。新奇的是，现在研究环境变化的不仅仅是地质学家，还有物理地理学家、生态学家、气象学家和海洋学家。19世纪大气中的二氧化碳是我们气候的决定因素这一观点的复活，加上从冰和海洋沉积物和岩芯中获得的过去气候快速变化的证据，对全球温度分布和冰范围的卫星测量，以及预测“核冬天”的复杂计算机程序的可用性，raybet雷竞技最新创造了一个知识环境，在这个环境中，人们可以齐心协力地预测未来的气候对我们有什么影响，以及它的后果。raybet雷竞技最新 This research cuts across traditional scientific boundaries, but undeniably forms the most dynamic part of the today's earth science.
这本书以Dave Reay的一篇关于气候变化代价的文章开篇。raybet雷竞技最新从一个更具争议性或政治性的科学问题开始，可能是不可能的。他认为，气候变化在科学和经济学上的综合不确定性是如此之大，以至于有可能产生无限的结果。raybet雷竞技最新然而，他检查了现有的成本效益分析，并得出结论，当考虑到气候变化的全部经济影响时，有许多减排策略能够以很少或没有净成本实现显著的二氧化碳减排。raybet雷竞技最新Yadvinder Malhi研究大气和陆地生物圈中的碳。他认为，全球生物地球化学循环的人为扰动是如此之大，以至于理解和管理其影响是21世纪最紧迫的问题之一。关键问题之一是植被——“陆地碳汇”——能吸收多少二氧化碳。他提出，控制森林砍伐和管理森林有可能在稳定大气二氧化碳浓度方面发挥重要作用。安迪·里奇维尔和凯伦·科菲尔德，继续这一主题，即需要把地球系统作为一个整体来看待，研究陆地、空气和海洋之间的生物地球化学联系。具体来说，他们研究了灰尘在地球系统中的作用。 The atmospheric transport of mineral dust is a key pathway for the delivery of nutrients essential to plant growth not only on land, but also more importantly in the oceans. The stimulation of plant productivity by these nutrients controls carbon dioxide take-up from the atmosphere, so the whole system is linked. Finally Richard Twitchett discusses the Late Permian mass extinction. This was a biological catastrophe in a greenhouse world and a salutary reminder of what has happened in earth history.
地球动力学
对地球演化和动力学的研究是地球科学的一个主要研究领域，但这并不局限于固体地球。事实上，一些最活跃的研究是在近太空环境中研究地球。但板块构造理论的广泛接受并不意味着人们对固体地球的兴趣减弱。在广阔的板块构造框架内，需要了解大陆裂陷和海洋盆地形成的细节;火山喷发:火山形成和最终喷发过程中岩浆的上升;地球内部深处的动态以及它是如何与地球表面演化耦合的。没有什么研究比了解地球铁核的进展更有希望了。它的神秘行为终于让位于磁流体动力学新模型的应用，再加上通过计算矿物物理学对核心成分的更好理解。在评估和减轻地震危害的需求驱动下，社会也需要了解地球动力学。“这可能吗?”是上世纪末推动地壳动力学理论研究的一个问题。 The problem is not so much that crustal dynamics cannot be modelled, but that the expectation of being able to predict behaviour of the crust during a tiny time interval, of far less than a human lifespan, and in tiny area, covering that of a suburb, is probably unrealistic, when the driving forces operate on geological time and spatial scales. But even here, new techniques are coming to bear on this problem, which may make some resolution possible.
本节首先回顾了凯瑟琳·米切尔(Cathryn Mitchell)关于地球动力学与空间环境特别是地球电离层的关系的研究。她说，为了产生“空间天气”预测，需要新的研究项目将整个日地系统(包括太阳、太阳风、磁层、电离层和地球)的模型联系在一起，这一点正变得越来越清楚热大气层．转到固体地球，Eiichi fuyama认为，一旦断层几何形状、应用于断层的应力场和断层表面的摩擦规律被提供，我们现在就能够模拟真实地震的动态破裂过程。西蒙·特纳将为您带来岩浆的形成在岛弧火山下爆发之前，上升和储存在浅层岩浆库中。这些过程的细节可以用放射性同位素进行100到1万年前的高分辨率测年。蒂姆·米舒尔(Tim Minshull)研究了关于大陆分裂和新海洋盆地形成的新理论，这是对大陆边缘地幔岩石的观察所必需的。弗朗西斯·尼莫和达里奥·阿尔夫回顾了最近在理解地核和地球发电机的性质和演化方面的进展。他们专注于地核形成材料的性质以及地核动力学如何产生地球磁场(地磁)。然后，本文链接回本节的第一篇文章。
应用地球科学
地球科学一直有很强的应用方面。事实上，世界上第一张地质图是由威廉·史密斯绘制的，他以建造运河的测量员为生。地质学家和地球物理学家是支撑我们现代社会的采矿业和石油工业的核心，但如今应用地球科学家也可能参与减轻自然灾害和控制污染。在一个复杂的系统中，做出符合公众和政治期望的评估是一种考验。例如，即使我们能够了解主要断层的动态，不幸的是，地震仍然会发生在以前未被识别的断层上。
克里斯·基尔伯恩描述了对最具破坏性的自然灾害之一——巨型山体滑坡的新认识。它们是由整个山坡的崩塌引起的，这引发了几分钟内蔓延数公里的巨大山体滑坡。它们的规模和速度都阻碍了坍塌后有效的减灾。蒂姆·赖特报道了地球科学中最令人兴奋的进展之一，即使用卫星雷达干涉测量法对地震周期进行远程监测。这是第一次能够以几十米的空间分辨率和几毫米的精度获得地震周期中地球表面变形的详细地图。在他的文章中，他回顾了一些已经使用雷达干涉测量法对地震周期进行的卓越观测，并对即将取得的突破进行了推测。Dominik Weiss, Malin Kylander和Matthew Reuer阐述了人类对全球铅的地球化学循环的影响。由于人类历史上大量的铅消耗，人类活动主导了这一周期，估计占全球铅质量平衡的97%。人为铅排放的总体负担有所减轻，但新的污染源已变得重要，这意味着它仍然是一个全球性问题。铅是不可生物降解的，它会进入生态系统。 Hazel Prichard examines other heavy metals, platinum and palladium and their natural and artificial occurrences worldwide. The catalytic converters used to reduce poisonous exhaust emissions from cars use platinum and palladium, which are now accumulating in our cities and approaching concentrations found in natural deposits. In rounding off the volume, David Lary and Anuradha Koratkar look forward to an objectively optimised earth observation system, which will dynamically adapt the what, where, and when of the observations made in real time to maximise information content and minimise uncertainty. They describe a prototype system applied to atmospheric chemistry. An example of its application might be the remote identification of sites of likely malaria outbreaks, the early identification of potential breeding grounds for mosquitoes and sites to apply larvicide and insecticide. Optimising the response would reduce costs, lessen the chance of developing pesticide resistance and minimise the damage to the environment. They describe in effect the practical application of earth system science.
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第一节环境变化
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气候变化的代价raybet雷竞技最新
大卫·s·雷伊
爱丁堡大学大气与环境科学研究所船员楼，爱丁堡西路，EH9 3JN(电子邮件保护)
经济学和气候变化科学有很多共raybet雷竞技最新同之处。两者都依赖于对未来的可靠预测，这些预测很大程度上是基于过去发生的事情。不过，就像你只能对明年的房地产市场走势做出有根据的猜测一样，你无法完全确定未来几年温室气体排放量将如何增加，以及地球气候届时将如何反应。raybet雷竞技最新把所有这些未知因素放在一起，一方面试图计算气候变化的经济影响，另一方面试图计算减缓气候变化的成本，可能产生的结果几乎是无限的。raybet雷竞技最新鉴于这种不确定性，环境游说团体和石油游说团体都可以用经济理由来证明他们在减缓气候变化问题上的不同立场是正确的。raybet雷竞技最新
对温室气体减排政策的现有成本效益分析进行了审查，以确定目前是否值得进行此类全球减排。报告还评估了减少我们个人温室气体排放的潜力和成本。我发现，当考虑到气候变化的全部经济影响时，许多减排策略能够以很少或没有净成本实现显著的减排。raybet雷竞技最新此外，我发现个人在减少对气候的影响和节省资金方面有很大的潜力。raybet雷竞技最新我的结论是，用经济学为在温室气体排放问题上的政治不作为找借口是不合理的。
1.介绍
关于如何、何时、甚至是否应该控制人为温室气体排放的争论，其强度甚至比大气中温室气体的水平增长得更快。许多人认为，减排所涉及的成本超过了人为气候变化带来的潜在经济损失。raybet雷竞技最新媒体对气候崩溃的夸大断言和预测自然会引起人们对限制温室气体排放措施的狂热raybet雷竞技最新信任和坚定怀疑。
许多反对减少温室气体排放的人引用经济分析来证明这些措施并不“合算”。虽然这样的经济论点有时可能会被道德或意识形态的理由驳回[Brown(2003)]，但我们生活在一个金钱的重要性不容忽视的世界。气候变化的成本效益分析容易出现许多陷阱。raybet雷竞技最新首先，应用的经济时间范围通常是几年或几十年，而气候变化的影响，由raybet雷竞技最新温室效应增强，很可能会持续并加剧几个世纪。其次，每吨温室气体排放的真正“外部性”——孟加拉国房屋被淹、苏丹粮食歉收或美国东南部热浪致死的成本——很难量化。然而，成本效益分析继续为世界各国政府减缓气候变化的政策提供信息。raybet雷竞技最新他们也开始更多地考虑到时间范围和外部性问题。
在这里，我研究了全球变暖和温室气体减排的一些“成本效益”方面，以评估减缓气候变化是否具有成本效益，以及完全包括外部性如何影响影响和缓解成本之间的平衡。raybet雷竞技最新除了讨论国家和国际层面的成本外，我还将探讨温室气体减排在我们日常生活中的成本和收益。我们大多数人一生中会产生多少温室气体?我们能轻易地大幅度降价吗?如果是的话，这些削减会让我们花钱吗?比较了两个理论上的伦敦人，一个过着相对“温室气体无知”的生活，另一个过着相对“温室气体意识”的生活。
2.减排成本的上升和下降
1997年，超过160个国家聚集在日本，讨论日益加剧的气候变化问题，以及明显应对此负责的迅速增长的温室气体排放。raybet雷竞技最新其结果是《京都议定书》——一套针对发达国家的排放目标，旨在将全球温室气体排放量比1990年减少5%以上。然而四年后，乔治·W·布什(George W Bush)让美国退出了《京都议定书》，使美国的生存陷入了怀疑。乔治·布什的发言人阿里·弗莱舍(Ari Fleischer)在为美国放弃《京都议定书》的承诺辩护时说:“……这不符合美国的经济最佳利益”[Kleiner(2001)]。作为全球最大的温室气体排放国，美国尽早参与应对全球气候变化的努力至关重要。raybet雷竞技最新然而，某些成本效益分析似乎确实证实了美国政府对温室气体减排的一些反对意见。
一些研究表明，类似《京都议定书》的温室气体排放限制可能具有潜在的巨大经济成本[例如Nordhaus (1994);附近地区(2000);Nordhaus和Boyer(2000)]。随着更广泛的减排导致每吨温室气体节约的成本不断上升[Lomborg(2001)]。还有许多针对具体温室气体减排战略的成本分析，这些分析表明，减排往往是可能的，成本很少或没有成本。其中包括新能源技术[Morthorst (1998);布朗等人。
(1998)),固体废物处理[Ayalon et al.(2001)]，沼气使用[Smith et al. (2000)]，植树造林和再造林De Cara and Jayet (2000);Baral和Guha (2004);van Kooten等人(2004)]和土地管理[De Jong等人(2000)]。即使是在美国，温室气体排放的大幅减少也基本上不需要付出任何净成本美国经济[布朗(2001)]。
英国已经开始实施大规模的温室气体减排计划。全国政府的目标是到2010年用可再生能源取代10%的能源需求。对苏格兰此类计划的成本-能源分析表明，风能、波浪和潮汐能具有巨大的潜力，成本约为3便士/千瓦时[Scottish Executive(2001)]——与化石燃料发电的价格相当。
技术发展一直是温室气体减排经济分析中需要考虑的关键领域[Nordhaus(1994)]。未来的技术发展很难预测，因此它们对减排成本的影响也很难预测。这种技术变革的一个方面是减排政策本身推动进一步的技术发展。在他的分析中，这就是所谓的“诱导创新”风力发电在丹麦，Rasmussen[2001]表明这种“附加价值”可以显著降低减排成本。
实施《京都议定书》的财政成本也可能通过使用“多种气体控制”策略而显著降低[Reilly等人。
(1999)]。麻省理工学院的John Reilly和他的团队展示了使用这种多种气体方法可能带来的潜在节省，当目标是一系列温室气体时，每吨碳当量的减少成本显著降低，而不仅仅是二氧化碳。
《京都议定书》下温室气体减排时间表的更大灵活性可能会降低总体减排成本[Toman(1999)]。虽然温室气体减排战略的“附带利益”也可能导致实施成本的降低。例如，减少煤炭燃烧不仅将减少温室气体排放，还将节省由空气污染引起的公共卫生费用[Butraw et al. (1999);De Leo et al.(2001)]。
显然，减缓气候变化的成本可以通过许多方式降低。raybet雷竞技最新然而，仍然存在一个“底线”问题:减缓的最终成本是否可能低于没有减缓的气候变化的成本?raybet雷竞技最新
答案似乎是肯定的。
De Leo等人[2001]在分析《京都议定书》在意大利的执行情况时指出，如果将纠正对人类健康、物质商品、农业和环境(温室气体排放的外部性)损害所产生的成本与能源生产的成本包括在一起，不作为的成本论点就站不住脚了。正如他们所说，“……温室气体排放的社会和环境成本不包括在公司资产负债表中，但必须包括在国家资产负债表中。”即使是在高排放的美国，在经济分析中纳入外部性的做法也表明，《京都议定书》对美国经济的净成本可能是微不足道的(低于GDP的1%)[Barker和Ekins(2004)]。
近几个月来，人为温室气体排放直接导致的成本问题引发了激烈的辩论。2004年底，彼得·斯托特和他的合著者[斯托特等人(2004)]勇敢地提出，2003年南欧热浪的毁灭性影响与人为温室气体排放之间存在直接联系。假设我们将排放与特定气候变化影响联系起来的能力增强，世界上一些最大的温室气体排放国可能会面临一个诉讼不断raybet雷竞技最新、代价高昂的未来。
2004年1月，地球之友(FOE)发布了一份关于“气候足迹”的报告，该报告是关于地球上最大的温室气体排放企业:埃克森美孚[FOE(2004)raybet雷竞技最新]。这份报告没有详细说明埃克森美孚在其140年历史中排放的财务成本，因此对他们提出的任何损害索赔可能会达到的总金额。然而，对于每吨温室气体的排放所造成的损失，有一些公开的估算。考虑到气候变化影响和时间范围的不确定性，这些估计可能很宽泛，但它们承认温室气体排放的社会成本是经济学家们所熟悉的:raybet雷竞技最新金钱。
这种类型的估计范围从目前每吨碳排放3英镑到80英镑不等。在对此类估算的回顾中，英国政府经济服务局[Clarkson和Deyes(2002)]引用了Eyre等人[1999]计算的价值——每吨碳排放70英镑(按2000年价格计算)——代表了最复杂的估算。这一估计超出了其他许多估计，因为它涵盖了更广泛的气候变化影响，意味着目前排放的每吨二氧化碳造成19英镑的损失。raybet雷竞技最新
因此，将这一估计数字与大公司现有的温室气体排放数据结合起来，我们可以大致了解一些大公司有朝一日可能要承担的气候影响成本:raybet雷竞技最新
公司 |
2000年排放量(MMT CO2) |
成本(百万英镑) |
埃克森美孚 |
122.9 |
2335 |
壳牌 |
101 |
1919 |
英国石油公司 |
83.7 |
1590 |
福特汽车公司 |
9.3 |
176 |
IBM |
3．1 |
57 |
使用每吨二氧化碳排放损失19英镑的估计，很明显，这些公司每年的排放成本可能会在全球范围内达到数百万英镑，在某些情况下甚至数十亿英镑。
由于存在这种可能的排放诉讼，降低减排成本的巨大潜力，而且越来越多的研究表明，不作为的成本超过了这些成本，因此很难忽视立即实施温室气体减排[Howarth(2001)]。尽管《京都议定书》的一些批评者认为，该议定书提出的温室气体减排措施远远不够，但《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)坚持认为，《京都议定书》只是应对全球变暖进程的第一步。raybet雷竞技最新如果要避免最严重的气候变化影响，温室气体减排的最终规模需要是当前《京都议定书》所概述的许多倍。raybet雷竞技最新然而，如此大范围的温室气体减排所预计的高昂成本[McKibbin和Wilcoxen(2004)]并不意味着现在不应该立即采取行动，即使是在京都议定书中相对温和的规模。
3.下注
正如我说过的，在预测全球变暖的经济成本和温室气体减排战略的成本时，面临的关键困难在于，这种预测往往存在很大的不确定性。在数百年的时间尺度上，预测涉及大量的猜测，但就全球气候动态而言，这样的时间尺度是很短的。raybet雷竞技最新即使是反对削减温室气体排放的最令人信服的经济论据，本质上也是在拿我们的未来打赌，赌的是全球变暖导致灾难性气候事件的可能性。
《联合国气候变化框架公约》基于所谓的“预防原则”(见Kuntz-Duriseti(2004))，在全球变暖的确切程度和影响尚不确定的情况下，推动对其采取行动。这一原则基本上允许在没有绝对的科学确定性之前，以避免对环境造成严重或不可逆转的损害为基础，国际上实施《京都议定书》等温室气体减排战略[UNFCCC(2001)]。经济学家威廉·诺德豪斯(William Nordhaus)断言，尽管“大规模减缓气候变化的努力还为时过早”，但我们必须警惕“灾难性和不可逆转的变化”的可能性raybet雷竞技最新[诺德豪斯(1994)]。那么，我们似乎面临着两个选择:要么我们不采取任何措施减少温室气体排放，因此押注于由此产生的影响在现有模型的预测范围内;要么，我们通过减少温室气体排放来确保自己和子孙后代免受灾难性气候变化的可能性。raybet雷竞技最新
总的来说，开始减少全球温室气体排放似乎不仅在经济上是可行的，而且作为未来国际社会应对温室气体驱动的气候变化的基础也至关重要。raybet雷竞技最新考虑到气候变化可能给我们以及我们的后代带来的巨大灾难，使用《联合国气候变化框架公约》的“预防原则”似乎完全正确。raybet雷竞技最新
在我写这篇文章的时候，《京都议定书》刚刚生效(2005年2月16日)。俄罗斯在2004年底批准了该议定书，这意味着该议定书的两个关键标准——至少有55个国家参与，这些国家至少要为全球55%的温室气体排放负责——得到了满足。然而，占全球排放量25%的美国仍然反对《京都议定书》。那么，《京都议定书》在应对气候变化的国际行动中仍然是步履蹒跚的第一步。raybet雷竞技最新尽管如此，这是朝着正确方向迈出的一步。
知道气候变化造成的威胁有多大，但看到国际社会的反应显然非常缓慢，这可能令人沮丧。raybet雷竞技最新在等待政治家们采取一致行动的同时，我们每个人都可以采取直接措施对抗气候变化。raybet雷竞技最新作为全球社会的一员，我们每个人都与全球环境有利害关系，并对其负有责任。《联合国气候变化框架公约》强调了对个人进行气候变化教育的必要性，试图改变我们现在和后代对我们对环境影响的看法。raybet雷竞技最新因此，让我们来研究一下个人对环境的影响，一生的温室气体排放，以及可能的节省，因为经济对个人和国家同样重要。
4.个人温室气体预算
正是在我们自己的生活方式中，才能实现许多最具成本效益的温室气体减排。如果我们再加上这种生活方式的改变可能对社区、企业和最终政府的温室气体政策产生的“自下而上”的影响，那么个人温室气体排放在全球范围内的巨大重要性就显而易见了。为了评估什么样的温室气体减排是可能的，以及这些减排对典型西方人的成本，让我们考虑两个出生在现代伦敦的人。为了进行比较，我们的两个伦敦人都活了75岁，一个生活在“温室气体无知”的生活中，另一个生活在“温室气体意识”的生活中。为了避免混淆，我们将分别称这两个受试者为布莱克先生和迈耶先生。这些分析的温室气体排放结果如图1所示。
它们基于五个主要来源——交通、度假、家庭、食物和垃圾。同样，图2显示了我们两个受试者一生中相关的财务成本。有关我们研究对象生命中每个阶段的温室气体排放和金钱计算的详细信息，以及任何假设，请参见附录部分。
虽然，在他们各自童年的大部分时间里，我们的两个伦敦人将无法决定自己的生活方式和温室气体排放，但我们将首先探讨他们的父母如何影响他们孩子的温室气体预算。
研究对象的父母面临的第一个重大“温室气体敏感”决定是使用一次性尿布还是真正的尿布?布莱克夫妇决定去
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- 图1对于温室气体无知和温室气体意识的生活方式来说，在75年的生命周期内，每年温室气体排放量。
为他们的儿子买一次性尿布，而迈耶少爷的父母选择了“真正的尿布”。制造一次性纸尿裤的能源成本高于制造和清洗可重复使用纸尿裤的能源成本，这导致Black大师的纸尿裤每年比“真正的”纸尿裤多排放约12公斤的温室气体。一次性纸尿裤体积庞大，分解时间较慢，造成的环境问题也增加了地方政府在垃圾运输和垃圾填埋场维护方面的成本。
继尿布之后，我们两对父母做出的下一个“温室气体敏感”决定是送孩子去幼儿园。梅耶夫妇选择骑自行车带他们的儿子去附近的托儿所，而布莱克夫妇则使用他们的大型四轮驱动汽车进行所有这些短途旅行。因此，虽然去托儿所不需要为梅耶一家产生温室气体或购买燃料，但布莱克一家每年要额外支付55英镑的汽油费用，并产生211公斤的温室气体。
现在，我们的两个“温室气体豚鼠”都已经大到可以上幼儿园了，他们都有资格享受免费巴士服务。然而，布莱克决定不使用它
图2在75年的生命周期中，对于温室气体无知和温室气体意识的生活方式，与温室气体排放相关的年度财务成本。
年龄(年)
图2在75年的生命周期中，对于温室气体无知和温室气体意识的生活方式，与温室气体排放相关的年度财务成本。
尽管这些婴儿上学之旅(10公里)是到托儿所距离的两倍左右，但他们还是选择继续使用四轮驱动。这一决定让布莱克一家在汽油上多花了176英镑，每年产生677公斤的温室气体。梅耶夫妇确实利用了免费的公共汽车服务，所以没有额外付费。这辆巴士一年载着小迈耶上下学只产生了大约53公斤的温室气体，节省了超过半吨的温室气体。
现在我们的两个主题是变老他们的父母认为他们已经足够大了，可以开始过暑假了。由于这两家都住在伦敦郊区，他们相对容易到达所有主要的公路、铁路和航线。梅耶一家决定去英国普利茅斯度年假，而布莱克一家则选择去巴黎度假。乘坐火车从伦敦到普利茅斯再和年轻的迈耶一起回来要多花29英镑，每年还会产生大约12公斤的温室气体。与此同时，布莱克一家每年夏天往返巴黎要多排放100公斤温室气体，花费约94英镑。
在学期期间，布莱克一家继续使用他们的四轮驱动汽车进行学校旅行，而迈耶一家仍然使用免费的公共汽车服务，因此扩大了两个家庭在温室气体排放和相关成本方面的差距。
在我们的年轻人的生命中，第一次开始对他们的气候影响负直接责任。raybet雷竞技最新最初的形式是布莱克大师离开电视台
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