在这个问题上
工程和气候变化春桥问题
2020年3月15日 体积 50 问题 1
在这个问题上的七篇文章不能涵盖气候变化的所有工程相关的方面,但都突出几个方面值得关注。

工程在检测气候变化

星期一,2020年3月16日

作者: 克莱尔湖帕金森

气候变化已经发生,在估计有450多年的十亿地球的存在,并一直在进化时间线的路径已经在生活的这个星球上发展的重要因素,从一开始到物种的灭绝。它在主要方面影响人类社会,有大量证据表明,它甚至有可能在整个文明的衰落是一个主要的因素(例如,金刚石2005年; 2006年椴; mayewski和白色2002)。因为在人类历史的早期个人可能已经注意到了气候变化和内陆移动海平面上升相应的反应,比如。本文介绍了什么在气候变化和工程的这些进步的重要性,过去几十年中一直学到的一小部分。

自19世纪气候变化的识别方法进展

随着时间的推移实质性的气候变化知识,取得了重大的进步在19世纪时,路易斯·阿加西和其他积累的证据表明,欧亚大陆北部和北美大部分地区已经有时是叠加式的大规模冰盖,在什么现在被称为冰河时代(例如,1837年,阿加西,1840; imbrie和imbrie 1979年)。主要由个人观察力徘徊景观,注意不寻常或外的地方特色,在当时的冰川地区可见的变化承认他们的相似之处,并把过去气候变化的共同一致的叙述得到这方面的知识。很少或没有工程参与。

自19世纪什么决定在过去的冰河期的初始确认和大部分的气候变化的丰富信息所需工程的巨大使用量的缺乏工程存在差异!当然,一些在现场观测的重要可仍然没有工程进行,如周数上个别湖泊出现一年冰,或春天的第一次出现的绽放在特定地点特定花朵的日期,或提前与山撤退冰川和冰帽。然而,这些都是现在的例外情况考虑有关在过去几十年里获得气候变化的量化信息时,其中大量的不会不显著工程工作成为可能。

它只是相对最近,这个工具已经提供给量化在许多关键气候变量的变化。从现在无处不在的温度计,容易手持,大规模钻探设备获取深海核心,所有已允许超越那些简单的计数已要求工程气候变化的定量工具。

评估气候在过去200万年

过去气候变化的认识已经到来,因为令人惊讶和最初有争议的19世纪启示,北欧在过去的某个点被覆盖冰却很有办法。现在已认识到,在过去的200万年地球经历了冰期的序列,用冰覆盖欧洲,亚洲和北美洲的北部地区,并与相应的低降水模式的变化和植被,中,高纬度地区。较早的是,有比在过去200万年远远更多的冰长时间,并与今天比存在少得多的冰也过长。在时间上考虑进一步回,更大的不确定性成为,而是一个连贯的图片,大概因为它可能是,已经出现了什么气候等的变化都通过估计有450十亿多年的地球存在的发生(例如,哈森2012;帕金森2010)。

即将过去的信息已经通过多种渠道,包括深海核心,冰芯,树木年轮,珊瑚,石笋,以及湖泊沉积物(与理论和投机的大量的一起)。不论来源如何,工程已典型地起到了至关重要的作用,因为在这里与从冰核获得的信息示出。

从冰核信息

深冰芯垂直钻探通过南极和格陵兰冰盖提供的条件要回几万到几十万年的纪录,在某些情况下,覆盖八强冰期 - 间冰期循环。这些内核揭示过去气候的细节变化,如下列:南半球大气环流是末次间冰期可能显著不同,13万年前,比现在的基础上,在南极冰核尘埃微粒的成分(阿伦斯等人2019)。际到年代际气候变率在末次盛冰期时间的变化,在过去11700年几乎翻番南极地区(Jones等2018);全球平均海温的前10000年间增长约2.57℃,约2万年前的最后一个冰河时代的高峰期后(伯雷特等人。2018)。

相关性约在今天的大气温室气体增加电流的担忧,深冰芯记录揭示,(我)改变了温室气体二氧化碳(CO2)已经被高度超过过去80万年温度变化相关,如大气中CO2 和温度升高,并通过几个冰冷年龄/间周期下降到一起(吕蒂等人2008; Petit等1999;根塔勒等人,2005);和(ii)所述温室气体甲烷和一氧化二氮被类似地强烈温度相关(例如,schilt等人2010; spahni等,2005)。此外,他们还发现,气候可以更快压倒性比改变了的冰芯记录(例如,mayewski和白色2002)收集之前想象的。在宾夕法尼亚州立大学地质学家理查德·阿利(2000,第111页。)的话,就在格陵兰岛附近新仙女木寒冷期约11500年前结束的重大气候变化:“我不能坚持,气候在一年内改变,但可以肯定的看起来是这样。”

来自世界各地的浅冰芯,也显示相当大的气候变化信息。对于实施例:从西伯利亚阿尔泰山脉冰核心的分析表明,新仙女木过程中形成的现代阿尔泰冰川从那时起提供空气的温度波动的记录在阿尔泰区域(蓝染等人2016);从秘鲁安第斯山冰芯包括在热带新仙女木的证据,并自上次冰阶段的或许8-12℃的升温(Thompson等人,1995);从瑞士意大利阿尔卑斯冰核提供的矿物灰尘表明这在过去800年周期在北非可能有干燥器冬天和中西部欧洲(thevenon等人,2009。)增加的弹簧/夏季沉淀的记录;从青藏高原有无冰核表明,该平台已经成为本世纪以来中间第19个温暖湿润(Thompson等2018)。

到达从冰芯记录气候变化的结论,需要科学家显著的解释和分析。这包括通过核心的深度建立正确的时间表,使从信息适当转换从冰直接计算,如氧同位素的比率,向信息需要的话,如过去的温度。后者的转换是在所有位点既不琐碎也不均匀,需要相当科学见解和专业知识(例如,jouzel 2013; Thompson等人,2000)。

工程中的作用

除了参与确定过去的气候条件相当科学的,有需要相当大的工程。没有任何信息表明,通过冰芯有关过去气候不来的工程,因为工程是构建钻本身是必不可少的。

一个基本的冰芯钻头由带齿切割的金属管的进入端即引线成冰。管纺丝并被迫向下。深冰芯,芯必须在许多段长大,因此需要防止从周围已被收集的全部芯之前填充所述孔的孔的冰的装置。其它并发症包括如何处理该冰芯片的形式作为钻孔进行。解决方案有所不同,但是从格陵兰冰盖项目2(GISP2)冰芯的情况下提供了一个内容例子(图1)。

图1 

使用钻头长约18米GISP2冰芯钻在中央绿地基岩,获得的3.05公里(1.90英里)的芯部,在部分向上顺序地带高达5.5米的长度,提升和降低上的3.7公里凯夫拉电缆(mayewski和白色2002)。取心开始于1989年,并在1993年年结束。以防止冰期间钻探的该延长的时间填充所述孔,所述孔填充有液体乙酸丁酯,选择用于其环境友好的,无毒的性质和粘度足够低,钻头通过它迅速下降;冰碎片沿着钻筒的外部到保持腔室(胡同2000)向上泵送。

工程需要继续远远超出了冰芯的收集:

  • 微调工程是需要削冰切成片进行分析,并释放被困在气泡的冰古代空气不与现代空气污染它。
  • 电极用于测量导电性,并获得二者的冰的酸度的度量和火山爆发的记录(胡同2000)。
  • 加速器质谱仪被用于确定碳同位素比和依次帮助日期冰芯(jenk等人,2007)。
  • 质谱仪还用于确定在过去的温度变化的估计中使用的同位素比率(蓝染等人2016; SIGL等人2009),和电感耦合质谱用于痕量元素分析(beaudon等人2017)。
  • 扫描电子显微镜,透射电子显微镜和能量分散X射线光谱仪中的所有的冰核心颗粒物分析中使用(Ellis等人2015)。

这些亮点短短的冰芯记录的分析中使用的许多精心设计的工具(例如,thevenon等2009)。

近期监测气候

一旦测量工具,所有以某种方式改造或其他,都可以在气候变量的变化可能,因为它们发生进行监控。 ,目前正在在个别位置监控在常规基础上对气候变化最重要的变量之间的大气温度和大气CO2。一些大气温度测量存在于18世纪,但在全球气温记录从现场测量很少尝试启动比19世纪下半叶早。这些数据揭示了一个不平坦的,但也明白无误的变暖,因为那个时候(Hansen等2010;琼斯等,1999; lenssen等2019)。

现场测量

最有名的合作2 记录是由查尔斯·戴维·基林在1958年,当他开始共同发起的multidecadal莫纳罗亚记录2 在新的测量美国气象上冒纳罗亚夏威夷山局气象台。该记录显示一个突出的年度周期,而且在合作持续上升2 年复一年,在鲜明对比的是不均匀的温度记录(基林1998年,2008年)。合作2 增加主要归因于人类活动,尤其是燃烧化石燃料,生产水泥和毁林。

基灵的初始莫纳罗亚测量使用恒温电池,光学系统,和一个电子放大器构成的市售的连续红外气体分析仪制备。分析仪是由气体处理系统,校准的基准气体,以及一个电力供应增加;进一步改进设计后传来(基林1998年)。

在原位共同2 现在测量是在许多地方提出,并在现场温度测量是在大大多个位置取得,与浮标和自动测量装置显著提高了它已经先于20世纪下半叶以来的空间覆盖,之前其测量点主要地是在人口密集的陆地区域。不过,在现场测量的空间范围仍然非常不完整,不平衡。

卫星测量

该技术的相对新颖大大限制了卫星的记录长度,但卫星允许数据收集整个地球表面和用于大气的全部深度,并且它们进行测量那样容易对作为人口稠密那些远程位置。在共同的情况下2 测量时,他们表现出了莫纳罗亚纪录的年度周期的两个主要特征和共同崛起2 随着时间的推移,在近乎全球基础上,而不是仅仅在选定的位置(见//svs.gsfc.nasa.gov/4533动画)。

图2

一些卫星的记录,现在长到足以表明对气候变化的重要信息。例如,它们显示出在平流层中的冷却(在高层大气)中,用下面的EL chichon于1982年爆发和在1991年皮纳图博突出暖峰(图2a;此外,梅科克等人2018),并且在升温对流层(低层大气)中,用主峰突出于1998年和2016年的强厄尔尼诺(图2B;此外,米尔斯和华斯2017)。它们显示在北部高纬度地区(Kim等人2015)在年度融雪持续时间增加,在这两种格陵兰冰盖的质量减少(图2C;另,BEVIS等人2019)和南极冰片(图2d;还,荠菜等人2018; velicogna等人2014),并且在海平面的上升(图2e;还有,nerem等人2018),由于两者通过基于陆地冰的还原水输入到海洋。和温暖的海水的热膨胀。每个这些特定的改变,定性地,是与基于温室气体增加的预期。

卫星还提供了两个北极海冰的数十年之久的纪录(自20世纪70年代),呈现出显着的下降趋势覆盖相当大的年际变化(例如,Meier等2014;帕金森和digirolamo 2016),和南极的海冰,表示随后迅速下降(帕金森2019)至2014年的整体上升的趋势。减小北极海冰覆盖预计,在北极变暖的光,并且非常适合于变化的在北极,许多也记录在卫星观测(例如,boisvert相干图案和施特略夫2015;杰弗里斯等人2013;沃尔什2013 )。在南极海冰的变化更令人费解,而且科学家们寻求既为海冰扩张,从1970年代末到2014年(例如,米尔等人2016年; stammerjohn等,2008;特纳等人2009年)的解释和为海冰撤退的自然后(例如,米尔等人2019。;施罗瑟等人2018; stuecker等人2017)的快速性,既没有迄今具有共识的解释。

工程在卫星测量中的作用

工程需要建立卫星和地球观测仪器,发射卫星进入太空,操纵卫星进入并保持他们在期望的轨道,发射从卫星到用户的数据,并进行数据分析随着计算机的帮助。地球观测仪器需要进行微调,以进行测量,并继续使他们多年,用有限的可能性进行修理或升级,构建能够承受发射(图3)和外部的恶劣环境相当严峻考验空间,热和其它明智(例如,hengeveld等人2010;明智1986)。

图3 

现在,大量的各种卫星仪器已被工程化以获得关于地球气候数据,包括无源仪器从每个对地球观测最重要的电磁光谱的波长区域的测量辐射 - 紫外线,可见光,红外线,和微波和活性仪器发送雷达和激光束向下的和测量返回的信号的定时和强度。该测量可见辐射产生图像显示地球和它的功能,因为它们可能从上方与人眼可见,而仪器这一措施紫外线,红外线和微波的数据使得能够监测和被动仪器变量进行量化的变化不能被看作直接与人眼(以及那些可以),大气的他们气态成分(每一个提出了自己独特的辐射签名)和土地,海洋温度和冰面之间。活性器械的特定强度是它们上表面形貌,相关的,例如所提供的信息,向冰片的减薄和增厚。

通过精细设计的地球观测卫星仪器启用了主要的气候测量中的

  • 从红外线大气温度(例如,田等人2019)和微波(例如,梅科克等人2018;米尔斯和温茨2017)的数据,
  • 海洋表面温度从红外数据和微波的数据(例如,minnett等人2019),
  • 从红外数据的表面温度(例如,萨斯坎德等人2019),
  • 从紫外线和可见光数据臭氧(例如,levelt等人2018),
  • 大气中的二氧化碳和甲烷从红外数据(例如,夏因等人2008。用于共2;邹等人。 2019年甲烷)
  • 从微波数据海冰覆盖(例如,帕金森2019),
  • 从可见数据积雪(例如,Kunkel等2016),
  • 从雷达高度计海平面(例如,nerem等人2018),
  • 从激光雷达和高度计冰盖地形(例如,zwally等人2011),和
  • 从重力测量冰盖质量变化和干旱(例如,BEVIS等人2019; velicogna等人2014)和高度测量(例如,zwally等人2011)。

结论

近几十年来,在识别和应对气候变化的认识的重大进展是由于在不小的一部分工程是对气候资料记录的收集和分析是至关重要的。本文主要侧重于冰芯和卫星,虽然其他同等强烈的例子可能已经凸显,如深海取心。

冰芯记录得到特定的地点去的几年前,数以千计的气候信息,到时候,地球的气候与现在的完全不同,和卫星记录提供了有关最近的变化在许多气候变量,从所有的经度和纬度信息。这两种类型的记录提供的有关气候变化的信息了巨大的财富,根据工程的组合构建的仪器和科学的分析和解释收集的数据。

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关于作者:克莱尔帕金森(NAE / NAS)是气候变化的资深科学家在美国航空航天局戈达德太空飞行中心。