30秒探索气候的力量

作者简介

乔安娜·D·黑格（Joanna D. Haigh），大英帝国司令勋章得主、英国皇家学会会员，大气物理学教授，曾任帝国理工学院格兰瑟姆研究所（气候变化与环境）联合主任。她自孩提时代起便痴迷于天气，之后也幸运地走上了气象学研究的道路。专攻领域：太阳辐射和热辐射与大气圈的相互作用、气候变化物理学。

内容简介

气候组成部分 气候的每一个组成部分都包含若干物理、化学和生物过程，它们使热量和水分趋于平衡，并决定了任意一个地点或一年中任意一个时间的天气。在大气圈中，气体和小颗粒改变了入射太阳辐射和出射地球辐射。云进一步影响着辐射平衡。大气圈十分活跃，不断通过气体、颗粒、云三个维度输送热和水。海洋有很大的容量来存储热量，可以在入射能量过剩时存储热量，在入射能量不足时释放热量。海洋还可以动态地将热量从一个地方输送到另一个地方。陆地在决定气候方面很重要，因为不同的地表有不同的反照率，土壤和植被存储热量和水分的能力也不同，而且陆地可以对风施加阻力。冰冻圈由冰冻的水——海洋和陆地上的冰（冰川和冰盖）以及冻结在土壤中的水组成，包含了地球上约90%的淡水。由于生物圈在二氧化碳等气体的循环中发挥着作用，所以我们也越来越倾向于将生物圈视为气候系统的一个重要组成部分。 全球大气环流 温暖、潮湿的空气在赤道附近上升。空气膨胀、冷却后，水分凝结，形成积雨云。随后，空气向两极飘散。如果地球不旋转，空气会一直飘到两极，并作为大型翻转对流单体的一部分下沉。赤道上的地球自转速度最快，因此，根据动量守恒定律，空气在向极地移动时，会在大气层的上层以副热带急流的形式自西向东流动。这些快速移动的急流最终变为湍流，将对流圈（哈得来环流）限制在热带和亚热带地区。在中纬度地区，不稳定性产生了水平波，也通过看似非常混乱的复杂环流模式向两极输送热量和水分。这些波形成了风暴或气旋，它们通常是与锋面、大风和雨有关的低压系统。高压反气旋系统往往带来稳定的干燥条件，并导致冬季的寒流和夏季的热浪。气旋和反气旋都集中在风暴轨迹上。北半球有两个主要的风暴轨迹，一个在太平洋，一个在大西洋。在南半球，风暴轨迹覆盖了整个半球。 全球海洋环流 海洋环流有水平和垂直（翻转）之分，可在全球范围内重新分配热量、营养物质、水分和溶解后的化学物质。水平环流主要由风驱动，包括强大的赤道洋流、南极绕极流以及主要的西边界流（如大西洋湾流和太平洋黑潮）等。全球翻转环流（或称“海洋环流输送带”）主要是由海水密度变化引起的，这种变化是由加热和冷却、淡水蒸发和降水引起的温度与盐度的空间变化。冷盐水形成后，密度变大，在极地附近下沉，将氧气和二氧化碳带入海洋内部，为4000米深处的动物提供生命给养。在较低纬度地区，高密度水经过混合后上涌，循环随之闭合。富含二氧化碳的海水的下沉是海洋碳汇的一个重要组成部分，也是缓解人为气候变化的一个重要因素。营养丰富的深海水在风的驱动下上涌，这种现象在各大洲的西海岸均有出现，为当地主要的生物生产量和海洋渔业提供了支撑。 气团与锋面 不同类型的空气相遇时会发生什么呢？不妨把这些无形的团状物想象成“龙舌兰日出”吧。在这种双色饮料中，烈酒首先与碎冰和橙汁混合，然后慢慢融入红石榴糖浆。红石榴糖浆由于密度大下沉到了杯底，下方的红色向上泛起后与上方的橙色混合在一起。现在想象一下将上述液体装入鱼缸中的情景。将红石榴糖浆从一端倒入，它会下沉到缸底并向另一端扩散。很快，你就会看到中间涌现出一个五彩缤纷的“战场”：密度较大的液体与密度较小的液体对峙着。当密度较大的极地冷气团与密度较小的赤道热气团碰撞时，也会发生同样的“战斗”。冷暖气团在空中相遇时，便开始争抢地盘，此时天气就会发生骤变。针锋相对的气团之间的分界线通常非常明显，因此被称为“锋面”。一般来说，风起云涌之际，冷暖气团在空中激烈碰撞时，锋面就形成了。暖气团起主导作用时，暖气团前移并取代冷气团。当富含水分的暖气团上升到冷气团上方时，便会突然下起雨或雪。 地球辐射平衡 来自太阳的入射能量被地球表面和大气圈发射到太空的几乎等量的红外能量所平衡。长期以来人们认为这就是事实，但直到20世纪70年代，借助详细的卫星仪器探测人们才证实了这一点。太阳入射的能量中，大约20%被大气圈吸收，50%被地表吸收；另外30%被云、大气和地表反射回太空；这30%被称为“行星反照率”，是气候系统的一个重要特征。发射到太空的大部分红外能量来自云和气体，特别是水蒸气和二氧化碳。据计算，发射到太空的能量中只有不到10%的能量直接来自地表。能量平衡适用于整个地球。在低纬度地区，太阳入射的能量多于反射到太空的能量，而在高纬度地区则相反：反射能量多于入射能量。由于风和洋流可以将能量从低纬度地区输送到高纬度地区，因而能量总体是平衡的。 太阳辐射 太阳能可以使地球变暖，并引发各种天气现象，进而决定我们的气候。只有35%的太阳能的波长位于人类肉眼可见的波段；其余的要么是紫外线（约15%），要么是近红外线（约50%）。紫外线和近红外线辐射大多被大气圈中的气体散射或吸收了。可见辐射受到的影响要小得多，因此照射到地面的可见辐射比例更大，或许这也解释了为什么我们的眼睛能够进化到对这些波长敏感的地步。到达地球的太阳能总量是气候科学中的一项重要统计数据。它的旧称是“太阳常数”，但现在通称为“太阳辐照度”。新称法尽管拗口，但更为准确，因为自20世纪70年代末以来绕地卫星探测结果显示，太阳辐照度的变化周期为11年。太阳辐照度变化很小，最大值和最小值相差约0.1%。在过去的一个世纪里，太阳辐照度变化幅度可能较以前更大，但对此我们并无把握，毕竟20世纪70年代以前并无直接观测数据。 ★在气候面前，没有人是一座孤岛，与每个人密切相关的气候知识不可不知。应对气候变化，需要几代人的努力，了解气候的力量，培养孩子对大自然的敬畏之心！ ★本书主编为大英帝国司令勋章得主、英国皇家学会会员，大气物理学教授，从小痴迷天气，甄选气候领域50个发人深省的主题进行介绍，图文并茂，语言通俗易懂。 ★本书以大众耳熟能详的知名人物为线索，增加阅读趣味。内有气候领域知名人物的传记和重要贡献，了解科学家的奇闻轶事，让阅读更有趣，让记忆更深刻。 ★本书体例新颖，层次清晰，让阅读更轻松。每个主题，都分为3秒击破概念，30秒探简明解析，3分钟认知拓展，可充分利用碎片化时间一览概念，也可沉浸式阅读深入研究探索。 ★图书为全彩印刷，图文结合，文字简略凝练，信息量大，图片炫酷、有创意，激发孩子好奇心和求知欲，让孩子主动思考，培养孩子的科学思维！ 在这个节奏越来越快的世界里，科学家是最受瞩目的明星，期待遇见热爱科学的你！