3 .1  太阳辐射变化

　　太阳辐射是地球能量的主要来源，是大气中一切物理过程的原动力，是气候形成及变化的首要因素。太阳的位置及其活动对地球气候的形成与变化有着重要的影响。

　　人们在利用卫星观测大气上界太阳辐射发现，太阳辐射量并不是完全不变的，特别在太阳黑子异常活动的周期中存在着一定的差异。太阳黑子数增多（即太阳活动增强）时地球偏暖，反之地球偏冷。太阳黑子数量变化有11年的周期，同时也有较明显的22年周期，除此之外还有80-90年、180年及更长的周期。太阳黑子的这些活动周期与地球上的冷暖变化、大气环流变化（区域性旱涝）等有着较好的统计关系。所以人们试图根据太阳活动的变化来探索气候变化的原因，但目前对太阳活动与气候变化的关系的理论证明尚未取得令人满意的结果。

　　3 .2  地球轨道参数变化

　　对于地球轨道参数的变化，20世纪30年代，由塞尔维亚数学家米兰科维奇创立了一个著名的理论解释——天文冰期理论。米兰科维奇认为冰期的形成与地球运动轨道三要素（地球轨道偏心率、地轴倾斜度、岁差）的周期性变化相关联。换句话说，即地球围绕太阳旋转时，公转轨道形状、地轴与公转轨道的黄道面间交角和公转时地球自转的角速度都会有变化，这几个方面的自然波动使得地球接受太阳的辐射有变化，影响了气候和冰期的形成。

　　

　　

　　

　　首先，地球绕太阳公转的轨道是椭圆形而不是圆形的轨迹，使地球在离太阳近的时候，得到的辐射就多，远离时就少。如今地球在1月份离太阳最近，称此位置为近日点，7月离太阳最远，称为远日点。而地球围绕太阳运动的轨道每10万年，就会从略微的椭圆形变成近乎圆形（图1-2左）。公转轨道的这一周期变化是由于太阳、月亮及其它行星对地球的万有引力造成的。

　　其次，在地球公转时，地轴是倾斜的，也就是赤道面与地球公转轨道面存在交角，因此各地受到太阳的照射情况就会不一样，有时太阳直射，有时太阳斜射，这样在一年中也就出现了冷热不同的四季变化（图1-3）。假如地球不是倾斜着“身体”进行公转，太阳光就只对赤道直射，地球上就不会出现四季了。地轴倾斜度的周期变化，会导致回归线和极圈的纬度发生变化，从而改变地球上的季节。地轴倾斜度增大时，高纬度夏季接受太阳辐射增加，冬季减少，气温年较差增大。地轴倾斜度减少时，高纬度冬暖夏凉，气温年较差减少，夏季温度低更有利于冰川发展。地轴的倾角，每经过4.1万年与垂直方向之间的角度从21.8°变化到24.4°，如今的地轴斜角为23.5°

　　

　　

　　此外，如果你有玩过陀螺的话，可能会注意到当陀螺的转动速度减慢时，它的自转轴会作缓慢的摆动，在空间中画出圆形的轨迹。而由于太阳和月亮对地球的引力，使得地球在公转时，自转轴就像一个顺时针自转的陀螺摆动(图1-4右)，当然这种运动十分缓慢，大约用2.6万年的时间地球的自转轴才会化过一周。现在设想一下，地球从春分的时刻出发，绕太阳转了一周，当地球在轨道上回到原先位置时，自转轴的方向已经变化了，即是说，地球并不是处于最开始的那个春分点（图1-4左）。春分点的位置，将影响季节的起止时间，也会使近日点和远日点的时间发生变化。地球在春分点的位置沿着地球公转轨道向西缓慢地移动，大约每2.6万年，春分点的位置在地球公转轨道上移动一周，称为岁差。春分节气的时间，每隔70年就要推迟一天。现在北半球夏季远日，冬季近日，夏季比冬季长8天。大约1万年后，就会变成冬季远日，夏季近日，冬季反而会比夏季长8天。就是说，不太冷而且短促的冬季，将会变成寒冷而漫长的冬季。

　　

　　

　　

　　地球轨道参数变化与超长期气候变化有关，这一理论也被认为是对地球最近的气候变迁模式——10万年的冰期之间有1万年的间冰期——最近乎合理的解释。

　　3 .3  火山爆发

　　山脉也可以影响气候，而对于科学家们来说，真正令他们感兴趣的还在于，这些经由数百万年地壳板块冲撞而形成的山脉是如何引起气候变化的呢？火山喷发可以产生立竿见影的效果。火山爆发，向大气中喷出许多气体，包括CO2，CO2被认为是使全球气温上升的温室气体之一。影响更大的是火山喷出的灰尘颗粒和散发出的二氧化硫，二氧化硫和水蒸气结合产生深厚的霾，这些物质在大气中可以存在2—3年，使平流层升温并将太阳辐射反射、散射回太空，使得地面温度降低。这种降温作用好比是给地球撑了一把伞，因此得名"阳伞效应"（图1-5）。

　　

　　

　　

　　1815年8月，印度尼西亚坦博拉火山爆发，满天浓云密布，粉尘弥漫，造成全球大部分地区出现严冬。1816年在欧洲则被称为是“没有夏天的一年。”1816年6月，在新英格兰普遍下雪，整个夏天都有霜冻。1991年，皮纳托博火山爆发时，2000万吨的二氧化硫气体被喷入菲律宾的上空，此后，美国国家航空航天局（NASA）的地球辐射监测卫星发现，反射回太空的太阳能射线增加了3.8%，在火山爆发后的一两年里，二氧化硫气团仍在全球流动，有记录指出全球的气温降低0.3-0.5℃。

　　3 .4  大气环流及洋流的变化

　　大气和海水时刻都在运动着。科学家们认为，在气候系统的自然变化中，最重要的方面是大气与海洋环流的变化或者脉动。这种环流变化是造成区域尺度气候要素变化的主要原因。在年际时间尺度上，厄尔尼诺和南方涛动是大气与海洋环流变化的重要例子，它们的变化影响着大范围甚至半球或全球尺度的天气与气候变化。

　　厄尔尼诺是西班牙语ElNino的译音，原意是圣婴。在南美洲赤道东太平洋沿岸的秘鲁和厄瓜多尔，靠海吃饭的渔民注意到，每隔2—7年会出现海水温度异常增暖的现象，这会给陆地上带来丰沛的降水，但是海洋中的大量浮游生物、鱼类甚至海鸟大量的死亡，给这些国家的经济带来严重的影响。拉尼娜，也称为反厄尔尼诺，顾名思义，它指的是赤道东太平洋地区海温较常年偏低的现象。

　　厄尔尼诺是怎样产生的呢？科学家们正大力研究。从海洋学的观点来看，它是由热带太平洋海面的风向变化引起的。在正常的年份，赤道太平洋上空盛行东风，东太平洋表层的海水便不断的被吹到西太平洋，在沿岸表层海水不断流失的情况下，东太平洋下层深而冷的海水向上补充，形成了赤道太平洋的海温西部要高于东部的特征（图1-6左）。然而，如果赤道的盛行东风减弱，甚至在西太平洋上转为西风，那么，西太平洋的海水便会流回东太平洋，使得东太平洋的海温就出现了较常年高的厄尔尼诺现象（图1-6右）。

　　

　　那么又是什么导致信风风向的改变呢？人们进一步探求。有意思的是气象学家认为，引起风向变化的直接原因就是热带太平洋的海温异常，赤道东太平洋的增暖将会减弱盛行东风的风速。这种互为因果的关系让人不得不联想到“鸡生蛋蛋生鸡”的怪圈。但是这种相互作用在自然界来说，十分常见。

　　如果厄尔尼诺仅仅是给赤道太平洋沿岸地区带来影响，也不会像今天这样声名大噪。实际上，很多的科学研究表明，热带海洋的海温、洋流的变化是会引起全球大部分地区气候异常的。以1997—1998年出现的厄尔尼诺为例。那是20世纪最强的一次，它在秘鲁、智利造成了大洪水，而在东南亚的印尼和东南非洲造成大范围的干旱。1998年7月成为自1881年以来全球平均温度最高的一个月。拉丁美洲、亚洲、非洲的粮食生产受到严重影响，全世界范围内约有23000人死亡。在我国，98年夏季的特大洪水有的科学家认为厄尔尼诺是要负一定责任的。

　　3 .5  人类的影响-温室气体

　　地球气候在岁月的流逝中经历了数次变迁，但要追溯地球气候究竟对人类产生了什么样的影响？或人类活动多大程度上影响着气候？那还得从最远古时期说起。当人类社会处在早期的渔猎采集阶段，对自然环境的改变十分有限，基本上对气候没有甚么影响。进入农业社会之后，由于农耕的需要，曾大面积地砍伐或焚烧森林，疏干或围垦湖沼，从而改变了下垫面的物理状态，影响了局部地区气候的变化。工业社会的发展，使人类改变自然的手段空前地提高了，随着人类对环境的干预程度愈来愈强，所引起的气候效应也愈来愈多，规模愈来愈大。最新发表的权威报告——联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告第一工作组报告的决策者摘要指出，人类活动与近50年气候变化的关联性达到90%。如果说人类在形成初期完全受制于气候，但今天，人类的活动对地球气候产生了不容忽视的影响。人类活动影响气候变化的时间尺度大约是百年尺度。

　　大气中的温室气体（CO2、CH4、H2O、N2O等）可以透过太阳短波辐射，使地球表面升温；并阻挡吸收地球表面向宇宙空间发射长波辐射，而使大气增温，从而影响气候变化。由于二氧化碳等气体增多的结果仿佛形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，与栽培农作物的“温室”的作用类似，故称为“温室效应”（下图）。若温室效应不断增强，全球温度也必将逐年升高，从而引发一系列全球问题。

　　当然，自然界本身排放着各种温室气体，也在吸收或分解它们。但在地球的长期演化过程中，大气中温室气体的变化是很缓慢的，处于一种循环过程。人类活动极大地改变了土地利用形态，特别是工业革命后，大量森林植被迅速砍伐一空，化石燃料使用量也以惊人的速度增长，人为的温室气体排放量相应不断增加。全球大气中的CO2浓度已从工业化前的280ppm增加到了2005年的379ppm。CH4浓度已从工业化前的715ppb增加到2005年的1774ppb。科学家预测，今后大气中二氧化碳每增加1倍，全球平均气温将上升1.5～4.5℃，而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。因此，气温升高不可避免地使极地冰层部分融解，引起海平面上升。许多沿海城市、岛屿或低洼地区将面临海水上涨的威胁，甚至被海水吞没。某些地区雨量增加，某些地区出现干旱，飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。

　　地球在演化的过程中，为人类的生存和发展提供了大量的自然资源，形成了适宜人类生活的环境和气候，尽管我们无法断定地球可以负载的上限，但是毫无疑问，我们生活在一个有限的世界里，我们所作的一切活动都会产生影响。随着社会发展和人类的进步，人类活动对气候、自然环境的作用越来越大，近几十年来，全球气候呈现出变暖的趋势，大气中二氧化碳、甲烷等温室气体增加，全球变暖成了世界关注的热点问题。当然，这不仅仅需要人们的关注，更需要我们行动起来，制定出可行的措施来缓解这样的问题，否则，当温度不断上升，两极冰山融化，海平面上升淹没陆地，各种各样极端的天气事件向人们袭来之时，我们后悔为时已晚。

　　3 .6  人类的影响-气溶胶

　　气溶胶是空气中固态或液态颗粒物的聚集体，通常大小在0.01μm至10μm之间，能在大气中驻留至少几个小时。虽然气溶胶颗粒只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量、能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐射平衡、平流层和对流层的化学反应等均有重要影响。土地利用，沙漠化，沙尘暴，酸雨，大气污染等环境问题都与气溶胶密切相关。大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射，从而影响地气系统的辐射平衡。此外，气溶胶粒子的存在是云形成的前提，在现代地球大气的温湿条件下,如果没有气溶胶粒子,将永远不会形成云。气溶胶能作为云凝结核影响云滴浓度、云反照率、降水强度等。目前，人类活动导致的空气污染是大气中最主要的气溶胶来源之一，对气候变化存有潜在影响。