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碳循环与水循环

碳循环 (Carbon Cycle)​

碳的类型 (Types of Carbon)​

  • 有机碳 (Organic carbon)
  • 无机碳 (Inorganic carbon)

碳储库 (Carbon Reservoirs)​

碳主要储存在大气圈、生物圈、水圈和岩石圈中，其中岩石圈和地幔是最大的碳储库。

  • 大气圈 (Atmosphere)
  • 生物圈 (Biosphere)：陆地生物圈 > 海洋生物圈
  • 水圈 (Hydrosphere)：海洋是地表最大的碳储库，大部分以无机碳形式存在于中深层海水。
  • 岩石圈 (Lithosphere) 和深部地球 (Deep earth)：最大的碳储库，主要为无机碳。

碳循环过程 (Carbon Cycle Process)​

碳在地球各圈层之间移动。

  • 碳源 (Carbon Sources)：地幔脱气、火山活动、风化作用、呼吸作用。
  • 碳汇 (Carbon Sinks)：海洋溶解、降水（碳酸盐和有机碳）、硅酸盐风化、光合作用/有机质埋藏、碳酸盐壳体、珊瑚礁、有机碳埋藏。
  • 长期碳循环 (Long-term Carbon Cycle)：包括有机碳循环和无机碳循环（硅酸盐-碳酸盐循环）。
  • 硅酸盐风化 (Silicate Weathering)：重要的负反馈机制，调节大气 CO2 浓度和温度。

化石燃料的影响 (Effect of Fossil Fuels)​

燃烧化石燃料释放地质时间尺度储存的碳，显著改变碳循环。

中国“双碳”目标 (China's "Dual Carbon" Goals)​

  • 碳达峰 (Carbon peak)：二氧化碳排放在2030年前达到历史最高值。
  • 碳中和 (Carbon neutrality)：在一定时间内通过抵消实现二氧化碳或温室气体排放总量正负抵消。

水循环 (Water Cycle)​

水的性质 (Water Properties)​

  • H2O
  • 三相点 (Triple point)
  • 比热容 (Specific heat)、热容 (Heat capacity)
  • 极性 (Polarity)：氢键 (H bond)
  • 表面张力 (Surface tension)

地球上的水量分布 (How Much Water is There on Earth?)​

水主要集中在地表，总质量占地球总质量的约0.02%。大部分水储存在海洋中。

水循环驱动力 (Drivers of Water Cycle)​

  • 太阳辐射 (Solar radiation)
  • 重力 (Gravity)

水通过形态变化输送热量和调节气候。

停留时间 (Residence time)​

储库中的水量除以水的加入或损失速率。大气中水的全球平均停留时间为11天。

大气中的水 (Water in the atmosphere)​

  • 占大气总质量的0.25%
  • 主要集中在3公里以下
  • 大气水汽的运动：热带气旋 (Tropical cyclone)、大气河流 (Atmospheric Rivers)

冰冻圈和海洋 (The Cryosphere and ocean)​

  • 包括雪、河流和湖泊冰、海冰、冰川、冰架和冰盖、永冻土。
  • 通过影响地表能量收支、水循环、初级生产力、地表气体交换和海平面，在地球气候系统中发挥重要作用。
  • 海平面上升 (Sea-level rise)：冰盖融化导致海平面上升。

地下水 (Underground water / Groundwater)​

  • 填充岩石、沉积物和土壤中的开放空间。
  • 占全球淡水供应的约22%。
  • 地下水运动：受重力驱动，从含水层 (zone of aeration) 穿过包气带 (zone of saturation) 到达地下水位 (water table)，并从高水位区流向低水位区。
  • 地下水侵蚀和沉积：在可溶性岩石（如石灰岩）区域形成喀斯特地貌 (Karst Topography)。
  • 地下水资源利用和影响：
    • 地下水位降低 (Lowering of the water table)：开采速率大于补给速率导致井水干涸。
    • 咸水入侵 (Saltwater incursion)：沿海地区过度开采导致咸水进入淡水含水层。
    • 地面沉降 (Subsidence)：过度抽取地下水导致地面下陷。
    • 污染 (Contamination)：地下水易受污染且难以净化。

总结​

本讲座涵盖了碳循环和水循环的关键概念，包括碳的类型、储库、循环过程及其与气候变化的关系，以及水循环的性质、分布、驱动力、停留时间、大气水、冰冻圈、海洋和地下水及其相关环境问题。