氣候與生物的共同演化

1. 氣候與生物的共同演化

2. 引言 在整個地質年代中，如果不是因為彼此的存在，生命與無機環境原本的演化腳步會與現在不同。

3. 水循環 水循環是指水由地球不同的地方透過吸收太陽以來的能量轉變存在的模式到地球中另一些地方。

4. 地面的水份被太陽蒸發成為空氣中的水蒸氣。而水在地球的存在模式包括有固態、液態和氣態。而地球中的水多數存在於大氣層中、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水會透過一些物理作用，例如：蒸發、降水、滲透、表面的流動和表底下流動等，由一個地方移動至另一個地方。如水由河川流動至海洋。地面的水份被太陽蒸發成為空氣中的水蒸氣。而水在地球的存在模式包括有固態、液態和氣態。而地球中的水多數存在於大氣層中、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水會透過一些物理作用，例如：蒸發、降水、滲透、表面的流動和表底下流動等，由一個地方移動至另一個地方。如水由河川流動至海洋。

5. 水循環圖

6. 沉積循環 在生態系統中，物質從物理環境開始，經生產者、消費者和分解者，又回到物理環境，完成一個由簡單無機物到各種高能有機化合物，最終又還原為簡單無機物的生態循環。通過該循環，生物得以生存和繁衍，物理環境得到更新並變得越來越適合生物生存的需要。在這個物質的生態循環過程中，太陽能以化學能的形式被固定在有機物中，供食物鏈上的各級生物利用。生物維持生命所必需的化學元素雖然為數眾多，但有機體的97%以上是由氧、碳、氫、氮和磷五種元素組成的。

7. 氮循環 在自然界，氮元素以分子態、無機結合氮和有機結合氮三種形式存在。大氣中含有大量的分子態氮氣。但是絕大多數生物都不能夠利用分子態的氮，只有像豆科植物的根瘤菌一類的細菌和某些藍綠藻能夠將大氣中的氮氣轉變為硝態氮（硝酸鹽）加以利用。植物只能從土壤中吸收無機態的銨態氮（銨鹽）和硝態氮（硝酸鹽），用來合成氨基酸，再進一步合成各種蛋白質。動物則只能直接或間接利用植物合成的有機氮（蛋白質），經分解為氨基酸后再合成自身的蛋白質。在動物的代謝過程中，一部分蛋白質被分解為氨、尿酸和尿素等排出體外，最終進入土壤。動植物的殘體中的有機氮則被微生物轉化為無機氮（氨態氮和硝態氮），從而完成生態系統的氮循環。

8. 硫循環 硫是組成蛋白質的重要元素之一，自然環境中的硫，可經硫化細菌的作用轉變為硫化氫。硫化氫在土壤中與水作用形成硫酸鹽，在被植物利用後可轉而形成含硫的有機物質。石化燃料的燃燒或火山爆發作用而以各種不同形式的硫化物進入大氣中，這些硫化物再經降雨作用回到土壤中。動物攝食植物，含硫的有機物又可進入體內。動、植物屍體和排泄物在微生物的分解作用下，硫化物中的硫又被釋回自然環境中而不斷循環。

9. 碳循環 碳是構成生物原生質的基本元素，雖然它在自然界中的蘊藏量極為豐富，但綠色植物能夠直接利用的僅僅限於空氣中的二氧化碳（CO2）。生物圈中的碳循環主要表現在綠色植物從空氣中吸收二氧化碳，經光合作用轉化為葡萄糖，並放出氧氣（O2）。在這個過程中少不了水的參與。有機體再利用葡萄糖合成其他有機化合物。碳水化合物經食物鏈傳遞，又成為動物和細菌等其他生物體的一部分。生物體內的碳水化合物一部分作為有機體代謝的能源經呼吸作用被氧化為二氧化碳和水，並釋放出其中儲存的能量。由於這個碳循環，大氣中的CO2大約20年就完全更新一次。

10. 恐龍時代的氣候環境

11. 恐龍生長的年代 中生代 (Mesozoic)

12. 三疊紀 (Triassic) 2.5億至2億年前。 三疊紀時的氣候炎熱乾燥，這形成了現在可以看到的當時留下來的典型的紅色沙石。當時季節分明，有強烈的雨季。在兩極比較潮濕溫和。 盤古大陸

13. 侏羅紀 (Jurassic) 約1億9960萬年到1億4550萬年前。 侏羅紀時期的大氣層氧氣含量是現今的130%，二氧化碳含量是工業時代前的7倍，氣溫則是高於今日約攝氏3°。這個紀的氣候比較暖和，沒有冰川的遺跡。

14. 白堊紀 (Cretaceous) 約1億3700萬年前至6550萬年前。 氣候相當暖和，海平面的變化大。白堊紀時期的大氣層氧氣含量是現今的150%，二氧化碳含量是工業時代前的6倍，氣溫則是高於今日約攝氏4°。 新的哺乳類、鳥類出現，開花植物也首次出現。

15. 大氣變化 今天大氣中CO2的已經到了2,000,000年來的最高值。 在非洲海域採集到的古代海洋動物甲殼樣本中，科學家們發現，穩定的CO2應該維持在250ppm左右，但現在卻高達385ppm。 參考歷史上CO2濃度週期，可以發現近幾十年中的CO2的變化幅度已經與過去幾百年的幅度相當。 預估人類如果繼續使用煤及石油，並持續地砍伐森林，則那麼CO2將會在22世紀達到900ppm。

16. 限制CO2 目前各國均聚焦於限制CO2的排放。 目前人們還希望在接下來的100年中，可以把溫度的上升控制在攝氏2度以內。 如果不能對溫室氣體進行有效控制，氣候將加速惡化。洪水與旱災將會出現得更頻繁，甚至可能發生災難性氣候。 目前為止，人類對CO2濃度的最好研究，就是証明了CO2濃度正在史無前例地增加。

17. 正回饋 CO2、CH4與溫度上升之簽有著正回饋的關係。 當地球炎熱時，大氣內的溫室氣體容易會上升，而這又會導致留在大氣中的熱能增加，因此地球會變得更加炎熱。 蓋妞假說認為，生物必須主動控制環境，以維持氣候的穩定。 但是有部分科學家仍認為，我們觀測到的只是在最近一個冰河期與間冰期之間所發生的變化，生物是否會對氣候有所影響仍待驗證。

18. 全球變遷 • 全球變遷包括氣候變遷、陸地與海洋生物生產力的變化、大氣成份的變化、水資源變化及生態系統的變遷。 • 造成變遷的原因可能是自然因素，也可能是人為造成的。 • 全球環境的變化終將影響到地球涵育生命的能力。 • 影響 • 季節性及年間性的氣候波動。 • 平流層臭氧稀薄化及紫外線照射增強。 • 沙漠化及酸雨污染。 • 面對這些問題，科學界普遍的態度是：資料不全、分析零斷、欠缺整合、沒有根據。

19. 全球變遷研就計劃 • 1986年，國際科學總會（ICSU）決議推動國際地圈生物圈研究計劃──全球變遷研究。 • 該計劃的目標是：描述並瞭解調節整個地球系統其中相牽涉的物理、化學與生物的過程，及系統中正在發生的變化，乃至人類活動如何影響這些變化

20. 六大核心計劃 • 國際全球大氣化學（IGAC） • 全球變遷與陸域生態系（GCTE） • 水文循環的生物面向（BAHC） • 海岸帶的海陸交互作用（LOICZ） • 全球海洋通量協同研究（JGOFS） • 古全球變遷（PAGES） • 三個跨組性計劃 • 全球分析、解釋及模式化（GAIM） • 數據與資訊系統（IGBP-DIS） • 分析、研究與訓練系統（START）。

21. 目前的發現 • 20世紀全球平均地表氣溫上升幅度約為0.6℃ • 自1950年以來，出現極低溫的頻率減少，出現極高溫的頻率略增。 • 20世紀全球海平面平均高度已上升0.15公尺。 • 20世紀全球發生嚴重乾旱及洪水的頻率增加。 • 20世紀北半球中高緯度地區發生豪雨的頻率已增加3%。 • 20世紀北半球中高緯度地區每10年降雨量增加0.75%，赤道地區每10年降雨量增加0.25%，但大半的北半球亞熱帶地區每10年的降雨量卻減少0.3%。 • 20世紀中高緯度陸地地區的雲增加2%。 • 地面觀測資料顯示，20世紀北半球中高緯度的湖泊及河面覆冰期已減少約2週。 • 衛星資料顯示，自1960年代末期以來全球覆雪面積已減少10%。

22. 著名事件 • 20世紀的五次高溫記錄分別出現在1990、1995、1997、1998、及2000年。 • 美國2000年初的冬溫創下103年以來的最高記錄。 • 2000年4月英格蘭和威爾斯降雨量創下235年以來的最高記錄；2001年夏天，當地卻飽嘗乾旱困擾。 • 1999年蒙古大乾旱，估計有2,400,000頭家畜喪生。 • 北韓降雨量只有平常的10%。 • 中國的嚴重的乾旱，範圍遍及17個省份，23,000,000人飲用水不足。 • 少雨的波蘭受到暴雨侵襲，泡水的農地超過5千公頃。

23. 若持續惡化 • 颱風及颶風數量將會多出30%，且活動力將會增強。 • 2050年的阿爾卑斯山的冰河將會只剩下目前的10%。 • 非洲第一高峰──吉力馬札羅山的冰帽15年內將全部消失。 • 吉力馬札羅山的冰帽15年內將全部消失。 • 100年內氣溫可能上升5度。 • 全球每年因熱浪死亡人數會增加三倍。 • 全球糧食將減少四分之一的產量。

24. 傾斜的地球 大約在三百萬至兩百萬年前，覆蓋在北極海上的永久冰原已經形成。 從這個時期開始，溫暖與寒冷時期開始明顯地相互交替，並以四萬年為循環週期。 以地球公轉軌道所形成的平面為基準來看，地軸的傾斜角度會在二十二點五度到二十四點五度之間擺動， 每來回擺動一次所需花費的時間， 正好大約四萬年。 根據自然法則，地軸傾斜的角度愈小，地球在冬夏之間的受熱差異也愈小，大約會少數個百分點。

25. 長久以來人們一直猜測地球在冬夏之間受熱差異的改變，可能是冰河期展開與結束的原因，尤其是北半球高緯度地區大型冰原形成的地方。 最值得關切、同時也最令人費解的，可能是科學家的另一個發現..大約八十萬到六十萬年前，兩次問冰期高峰之間變成相距十萬年，也就是說極冷和極熱氣候的循環，變成每十萬年一次。 最近的一次主要冰河期約在一萬年前結束，兩萬年前則是該次冰河期的最高峰。 為什麼八十萬年前，較短且較弱、四萬年一次的冰河期與間冰期循環，會被十萬年的大循環壓過去?又為什麼數百萬年前的地球會一直籠罩在寒冷與溫暖的循環之中?某些想法和推測雖然顯得十分合理， 不過最後的確定答案仍有待發掘。

26. 報告完畢 謝謝!