本书是《危险的天气》系列丛书中的一部，该套书详尽描述了历史上飓风、龙卷风、暴风雪、旱灾和水灾给人类生活带来的危害，并讲述了目前人们所采取的规避风险、保护生命财产的措施，以及你和你的家人在突遇此类灾难所应采取的应急措施。本书试图通过历史上气候的变化揭示变化就是事物的自然状态这一现象。并描述了科学家们为研究气候的过去和现在以及将来可能的变化和由此带来的结果所做的种种努力。它是一部探索大气及气候的普及读物。

由Facts on File出版社出版的《危险的天气》丛书是一套面向广大读者的科普读物。在不断修订和更新的基础上，丛书利用大量的事实和例证对威胁地球环境及人类生存的天气和气候极端事件进行了详实而充分的介绍。作为气候与天气方面的著名作家，迈克尔·阿拉贝运用生动形象的语言对气候变化作了权威性的论述。书中大量的图片更使读者对危险的天气活动所产生的影响有了深刻的认识。

作为丛书之一的《气候变化》一书介绍了地球经历的各种气候变化以及这些变化对地球环境产生的影响。该书主要涉及以下8个方面的内容：大气层、过去和现在的地球气候、全球变暖、温室气体、冰期、来自太阳与地球的辐射、海平面变化、野生动植物。

书后附有国际单位和单位转换表。本书附录部分还向你推荐了可供进一步阅读的书目和文章。为帮助读者阅读和理解，书中还特别添加了补充信息栏。

对于那些想了解气候系统的基本知识以及气候对地球环境产生影响的读者，本套丛书是较为适宜的选择。

前言

地球大气对天气的影响

大气的组成与结构

从前的火星并不是寒冷的荒漠

地球、金星和火星上的大气

大气层演化的三个阶段

氧气的累积

大气的分层

对流层与对流层顶

平流层与平流层顶

中间层与中间层顶

热层、外大气层与电离层

大气环流

 四季与回归线

 地球为何与月球不同

 信风和哈得莱环流

乔治·哈得莱与哈得莱环流

 极地环流与费雷尔环流

科里奥利效应

海洋对热量的输送

洋流

厄尔尼诺

 温盐环流与北大西洋深水

 全球海洋输送带

 环流圈与边界洋流

南极为什么比北极冷？

水汽的蒸发与凝结及其对天气的影响

 水分子与氢键

 打破氢键：蒸发

 比热容

 潜热、绝热冷却与升温

潜热与露点

绝热冷却与升温

位温

位温

如何研究地球各个历史时期的气候

揭秘历史

树木的年轮

放射性碳年代测定法

 花粉与甲虫

 海底沉积物

 冰芯

前苏联南极考察站东方站，格陵兰岛冰原计划与格陵兰岛冰芯计划

 氧同位素与“重水”

 来自海底的碳酸盐

改变地球历史的气候变化

 放射性同位素测年法

 了解石笋

 古印第安人的安纳沙兹部落

 动植物驯养

 印度河河谷的文明

 走出中亚大草原

 蒙古帝国

 高棉帝国

米路廷·米兰科维奇与天文周期

 偏心率

 黄赤交角

 地轴摆动

 喜帕恰斯与岁差

 岁差的意义

 当周期重叠时

 米兰科维奇循环

 阿德玛与克罗尔

 火星上的米兰科维奇循环

冰川期——历史与未来

路易斯·阿格赛兹与大冰川期

路易斯：阿格赛兹与大冰川期

冰川期、间冰期和地质期

冰川的形成与运动

地球变成了大雪球

未来还会有冰川期吗？

爱德华·沃尔特·蒙德尔与不稳定的太阳

太阳黑子的活动周期是11年

太阳黑子

斯庞尔极小期、达尔顿极小期与蒙德尔极小期

年轮与同位素

不稳定的太阳

太阳黑子与云的形成

联系还在继续

中世纪暖期

严冬

挪威的殖民与探险

红头发的艾里克与格陵兰岛定居

 温暖的世界  

 海平面的变化与降水量的增加

 衰落的开始

小冰川期

 越来越大的暴雨

 潮湿的夏天、微薄的收成与饥荒

 潮湿天气引发的疾病

 边际土地上农业的衰退

 冰川在前移

 低地上的严冬

 冰上市场

 气压带的分布

 天气的缓慢复苏与“白色”圣诞节传统的开始

温室气体与温室效应

有效温度

辐射的释放与吸收

吉思一巴茨特·傅里叶、约翰·廷德尔与温室效应

斯凡特·阿列纽斯

斯凡特·阿列纽斯

弱早期太阳佯谬与盖娅假说

雪球地球与温室地球

盖娅假说

温室效应增强与全球变暖趋势

碳循环

呼吸作用

光合作用

 碳库

 碳循环——源与汇

 碳酸盐分解水层与碳酸盐代偿深度

 打破碳的自然循环

 二氧化碳的增加与碳汇的消失

地球在太空中有多亮

反照率

反照率与温度

反照率的正反馈

冰面反照率与气候变暖

土地用途的改变使反照率发生了变化

云层与微粒

 云层的反照率有强有弱

 反射与吸收

 云凝结核

约翰·爱根与云凝结核

气溶胶

气溶胶对太阳辐射的影响

气溶胶与云层

来自太阳与地球的辐射

电磁辐射

黑体辐射

 光谱与彩虹

太阳波谱

电磁波谱

太阳风、宇宙射线与放射性衰变

辐射平衡

 潜热与波文比

 日较差与四季变化

 太阳辐射与臭氧层

天空为什么是蓝色的？

地表辐射

对气候变化的测量

 设置温度计

 计量器具及其使用需要规范化

 英格兰中部地区的温度记录

英格兰中部地区的温度记录

 微小温度变化的测量

 地面气象台站

 气象气球与气象卫星

 地球在变暖吗？

城市热岛

城市降雨越来越多，而空气却越来越干燥

湿度

城市的阳光不再那么明媚

除了城市峡谷以外，城市里的风越来越小

城市热岛与城市圆顶

热岛与全球变暖

海面在上升吗？

冰原的扩张与后退

地壳均衡说与冰川后退

热膨胀与热存储

有关海平面的历史记载

死神岛

未来海平面会上升吗？

全球变暖

政府间气候变化专门委员会(IPCC)

第三次评估报告

批评意见

关于经济发展的疑义

气候模式

 模式的建立

气体定律

温度直减率和稳定性

 模式的发展

 模式的缺陷

 模拟气候变化的其他方法

气候变化有那么糟吗

水汽蒸发与有效降雨量

对农业的影响

对野生动植物的影响

高纬度地区的气候变暖最明显

外源疾病

海平面与暴风雨

阻止气候变化还是接受并适应它

预防准则

减少排放

《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》

《京都议定书》能达到预期目标吗？

附录

国际单位及单位转换

国际单位制使用的前缀

参考书目及扩展阅读书目

大气层演化的三个阶段

人们已经知道地球上的气候是不断变化的，但是对于大气层的认识却仍然趋向于一种观点：即地球上大气的组成是稳定的，始终是78％的氮气和21％的氧气，还有一些其他气体。其实这种看法是错误的。我们现在所说的大气层是地球大气演化过程中的第三个阶段。

大气演化过程的第一个阶段大约是在45亿年前。那时地球被一层正在形成中的气体所笼罩，不断有岩石从地球内部被喷射出来，而喷发时所产生的热量使岩石中的某些成分被蒸发出来，产生气体形成空气。与此同时，来自太空的一些天体也在不断撞击着地球。这些天体中大部分都含有水，有些彗星的水分含量非常高以至于被人们称为“脏雪球”。

喷发和撞击使第一阶段的大气主要由水蒸气构成并混有少量的氢、氮、一氧化碳和二氧化碳。同时这种像锤子敲击钉子似的撞击又使大气中的水很难以液态的形式存在，结果水汽变成了气体而不是云。

此后一个体积差不多与火星相近的天体撞击了地球。这次的撞击异常猛烈，以至于当引力最终将撞击所产生的碎片吸引到一起的时候，形成的是两个而不是一个天体：地球和月亮。随后大气层也得以恢复。此时的地球不仅体积巨大而且内部异常炙热，不断有火山开始喷发，其数量远远多于今天的活火山，而火山喷发时所释放出的气体也成为地球大气的一部分。

由于有越来越多的天体撞向地球、月亮、金星和火星，并成为这些天体的一部分，围绕太阳运转的天体开始减少，宇宙中的这次大轰炸终于平息了下来，地球也开始冷却。又过了一段时间，地球上的水汽终于得以凝结成云，天空开始下起了雨，雨水落回到地面在低洼处形成了海洋。由于氢气是质量最轻的一种气体，很容易逃逸出地球的引力扩散到高空，因此氢的含量此时减少了很多。大气成分与今天金星和火星上的大气成分相似，主要是95％的二氧化碳，3％的氮和少量的一氧化碳与其他气体，密度也远远高于今天的大气，气压值大约是每平方英寸365磅力(2 50O兆帕或25毫巴)。 这阶段二氧化碳与地表岩石中蕴含的水、碳和镁发生反应形成碳酸盐。这些碳酸盐沉积在海底经过几百万年的压缩和加热形成了石灰岩。地球大气中的二氧化碳的含量逐渐减少降低了气压，减缓了大气与地表岩石问的化学反应，大气开始稳定下来。至此，尽管空气中二氧化碳的含量还非常高，但地球却已经完成了大气演化的第二个阶段。

氧气的累积

当大气演化的第二个阶段结束时，太阳还是宇宙中一个新的天体，威力远不如现在。在太阳中心区发生的热核聚变已经使太阳开始发光，但强度要比现在弱25％-30％，温度也没有现在高。即便如此，此时的太阳已足以使地球水体表面的温度升高。阳光使地球上出现了第一批通过光合作用生产糖的细胞生物。它们是含有叶绿素的藻青菌，生活在水底微生物丛中。这些微生物化石的残骸被称为迭层。氧气是藻青菌进行光合作用时释放出的副产品。

大约21亿年前，大气中的氧含量大约是现在的15％，并且数量在不断增加。臭氧层此时已经在平流层中形成。臭氧是氧的一种形式，它的分子中含有3个氧原子而氧气的分子只含有2个氧原子。其实，当大气中的氧含量还只是今天氧含量的1％的时候臭氧层就已经出现了。

虽然光合作用可以产生氧气，但是我们还不清楚氧气是怎样累积的，因为伴随光合作用发生的还有呼吸作用。当某些生物体死亡时，它们的组织会被其他生物所分解，分解过程中产生的碳是这些生物的能量来源，并通过它们的呼吸作用被释放回空气当中。光合作用可以通过吸收二氧化碳的方式来释放氧气，但呼吸作用却又将碳氧化成二氧化碳从而消耗掉了这些氧气，因此大气中氧的含量并没有发生变化。那么氧气究竟是怎样累积起来的呢？  对此科学家们提出了两种看法。许多科学家认为：既然最早从事光合作用的生物生活在水中，那么大约有0.1％的生物死后就被埋在了海底，从而阻止了过多的生物分解过程的发生，氧气得以在大气中保存。……P3-4

什么是气候变化？

我们不妨用一个例子来说明这个问题：当你清晨醒来时，窗外的天空多云而阴暗，没多久，空中飘起了雨丝，但是接近中午时，西方的天空渐渐亮了起来。雨渐细渐歇，终于停了。浓云渐渐散去，露出大片大片的蓝天。到了午后，太阳出来了，照耀着大地，气温开始上升。傍晚时虽然又下了一阵小雨，但是雨停之后日落的美景以及西天的红霞无疑预示着明天是个好天。这就是4月的春天。

晴天或阵雨、蓝天或浓云、雨雪冰雹、风起风歇，这些都是我们常见的天气现象。它一日三变，四季不同。春天是细雨煦日，夏天则是暑热酷晒。到了冬天，我们就得穿上更厚重、更保暖的衣服。这种有规律的季节变化可以使我们在生活中提前做好准备。比如为了能保证温暖过冬，我们在夏天里就要检查取暖设施。甚至我们可以准备两套汽车轮胎，一套在夏天使用，另一套则是为冰雪路面而准备的。

由于天气变化时时发生，天气预报也就应运而生了。假如天气一成不变的话，我们自己就可以知道明天会是个什么天儿，谁还要天气预报干什么呢。对研究天气预测的人，我们称之为气象学家meteorologist，而研究天气的这门科学就叫气象学meteorology。气象学一词中的meteor。来自于希腊语meteoron，意思是“大气现象”，而logos一词也是来自于希腊语，意思是“理由，理念”，所以气象学就是对高空大气中发生的各种大气现象进行解释的科学，而降雨、浓云、沙尘暴以及所有你能想到的发生在大气层中的现象都可以统称为气象。

古希腊的哲学家和科学家亚里士多德(前384一前322)是第一个使用气象学一词的人。他对天气进行了科学的研究，并提出了气象学这一重要概念。他一生著作颇多，在其流传于世的47部著作中，有一部就叫meteorlogica——顾名思义。《天气现象的原因》。亚历斯多德在书中不仅使用了气象学一词，并且试图解释云、雨、冰雹、狂风、雷电、暴雨等的形成原因，指出这些并不是什么天神用来奖赏或惩罚人类的方式，也不是天神之间进行的一种游戏。这些现象均有其自然界的起因，人类是可以了解这些起因的。今天看来，亚里士多德在书中所做的种种解释大多是错误的，但这是由于当时的条件所限。如果人们无法对一些超自然的现象做出解释，那么他们对天气问题的理解也不太可能是准确的。但就亚里士多德而言，重要的是他教会了他的学生们用仔细观察的方法来了解这个世界而不是人云亦云。

天气与气象不同

夸那克过去又称图勒，是一个位于格陵兰岛北部的小镇，人口约600人。与我们在第一段所提到的不同，这里的4月可没有细雨、阳光和迷人的落日。清晨你看到的是蔚蓝清澈的天空以及一望无垠的冰雪世界。将近中午时分，气温会达到O.50F(-17.5℃)。整个4月份，该地区的降雪量很少，平均是2英寸(40毫米)——如果将这些雪融化的话，只相当于0.2英寸(4毫米)的降雨量。所以4月份在夸那克看到降雪是不太可能的事情。如果你想从事什么户外活动的话，你完全不用担心天气问题，只要记住穿暖和些就可以了。在这里，天气预报只会提供一条人们觉得有用的信息——那就是风力。因为强风会将雪地表面松散的浮雪刮起来，形成雪暴。届时，天地相连，一片白色，人们连方向和距离都难以辨认。气象学上称之为乳白天空。想想看，谁愿意突然之间被困在这种天气里呢？

同样是在4月，在沙特阿拉伯的首都利雅得，天气则是明朗而温暖。清晨的气温大约是64F(18℃)，到了中午则会蹿升至89F(32℃)。然而别担心，这样的温度并不会使人觉得不舒服，因为少雨的缘故，这里的空气非常干爽。

无论是在你所居住的地方，还是在利雅得或夸那克，一天之中的天气变化都反映出气候的变化。尽管每个地方的天气会随着时间与季节的交迭而改变，但是这些变化都有极限：在夸那克永远不会有酷热难耐的日子，阿拉伯海沿岸地区的海水也永远不会结冰。

谈到一个地区的气候情况时，人们其实指的是该地区长期以来的天气平均情况。虽然有记录显示，几年前夸那克4月份的温度最高曾经达到370F(3℃)，而最低的时候是-26F(-32℃)，但这些都被用来计算当地4月份的平均温度。这种鬻均后的结果对于研究气候类型是非常有用的。

气候一词可以被用来描述某一地区反复发生的天气状况，因此人们对气候做了分类命名。比如阿拉伯半岛的大部分地区属于沙漠型气候，而格陵兰岛则属于极地气候。气候分类是一个看起来简单实则非常复杂的工作，有着很多的分类体系。气候学就是专门研究各种气候的科学，而从事这项工作的人被称为气候学家。气象学与气候学之间虽有联系但又有区别，是两门独立的学科。（图略）

气候也在变化

气候与天气一样，也在发生变化，只是变化的速度要慢得多。历史上各个不同的时期的气候状况和今天的气候相比是完全不同的。比如，现在的美国芝加哥在很久以前曾被厚厚的冰层所覆盖，气候与现在的格陵兰岛差不多。而在英国伦敦的街道和广场下方，科学家们曾发掘出热带气候所特有的动物遗骸化石，比如河马化石和大象化石。

即便是今天，地球上的气候也在悄然发生着变化，只不过这种变化的进程非常缓慢，让人难以发觉。假如说半个世纪以来，地球的平均温度一直在上升或下降，但这并不意味着这种趋势会在未来继续下去。所以短期内发生的一些气候变化并不是那么可靠。正如我们在图中看到的，把一个短期内出现的趋势置入一个长期的模式当中，其困难程度不亚于猜谜游戏。这也恰恰说明了为什么对地球过去的气候变化进行研究是如此重要，因为只有借助于这些历史记录，才能让我们对未来的气候做出可靠的预测。

气候学和气象学虽然不同，但两者的基础都是来自于人们对大气活动方式的了解。温暖的阳光，地球的自转以及大气与各大陆、大洋表面的接触联系等，都会对大气活动方式产生影响。气候学和气象学都是有关地球大气的科学。