# 气候变化

> 生物 SL · IB 文凭课程 生物 SL
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-climate-change/

本模块讲解温室效应的作用机制、人为驱动的变暖加剧因素、气温上升的经验证据，以及气候变化对海洋和陆地生态系统的生物层面影响。

**先修:** [生态系统中的碳循环与能量流动](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-carbon-cycling/)

## 学习目标

- 识别主要温室气体及其自然来源与人为来源
- 区分自然温室效应与人为加剧的气候变化
- 解读气候变化的经验证据，包括冰芯和大气CO₂数据集
- 分析已记录的气候变化对珊瑚礁、北极生态系统和粮食安全的生物层面影响

## 自然温室效应的作用机制

太阳发出的短波辐射穿透大气层后被地球表面吸收，地表随后以波长更长的红外辐射形式重新释放能量。温室气体分子会吸收这类红外辐射，将其中一部分重新辐射回地表，而不是让它直接逃逸到太空。

**温室气体** — 可吸收红外辐射的大气气体分子，包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和水蒸气

*记法:* GHG

*例:* 水蒸气是含量最高的天然温室气体，但它的浓度由全球温度控制，不受人类活动直接影响。

**例题:** 已知当前全球平均气温为15°C，温室效应贡献了33°C的增温，计算不存在自然温室效应时的全球平均气温近似差值。

1. 提取给出的两个数值：当前全球平均气温=15°C，天然温室气体带来的总增温=33°C
2. 从当前平均气温中减去温室气体的增温贡献，得到不存在温室气体时的假设温度
3. $$15 ^\circ C - 33 ^\circ C = -18 ^\circ C$$
4. 这一结果证明自然温室效应是地球维持液态水和生命的必要条件。

> **tip**
>
> 考试作答时绝对不要说温室效应是「有害的」：自然温室效应是生命生存的必要条件，只有人为导致的增强型温室效应才会带来问题。

## 人为驱动的变暖加剧因素

自工业革命以来，人类活动将大气CO₂浓度从1750年前的280 ppm提升至2025年的420 ppm以上。最大的单一排放源是能源、交通和工业领域的化石燃料燃烧，其次是会破坏天然碳汇的毁林行为。

- 甲烷来自牲畜消化、水稻种植和泄漏的天然气基础设施
- 一氧化二氮来自工业化农业中使用的合成氮肥
- 氟氯烃是历史上用作制冷剂的合成气体，属于增温效应极强的温室气体

**例题:** 1公顷热带森林每年可吸收22吨CO₂，已知其地上生物量共储存180吨碳，若该森林被全部砍伐焚烧，计算额外释放的CO₂总量。

1. 牢记转换系数：燃烧1吨碳会生成3.667吨CO₂
2. $$180 \times 3.667 = 660.06 \text{ 吨 } CO_2$$
3. 加上损失的年固碳量：660.06 + 22 = 682.06吨，即每砍伐1公顷森林净释放的CO₂总量。

**概念自测**

1. 以下哪种是完全由人为产生的温室气体？

   - 水蒸气
   - 氟氯烃
   - 二氧化碳
   - 甲烷

   *解析:* 氟氯烃在自然界中不存在，大气中的所有氟氯烃都来自人类工业生产。

## 气候变化的经验证据

南极冰芯数据提供了80万年的历史大气记录：压实冰川冰中封存的气泡让科学家可以直接测量过去的CO₂浓度，而氧同位素比值则可作为历史全球温度的替代指标。

**例题:** 解释为什么冰芯数据被认为是地质时间尺度上CO₂与温度存在相关性的可靠证据。

1. 步骤1：通过年度尘埃沉积模式逐层确定钻取冰芯的年代，实现精确的年龄控制
2. 步骤2：提取冰形成时封存的气泡并分析其CO₂浓度，不存在现代污染
3. 步骤3：利用冰本身的同位素比值数据重建沉积时的当地温度
4. 步骤4：80万年记录中的全部8个冰期-间冰期循环都显示CO₂与温度存在紧密的正相关性。

**考试命令词**

- **Evaluate climate change evidence** — 你必须至少提到一个替代数据的局限性，例如冰芯记录中冰消期的温度变化滞后于CO₂变化

## 气候变化的生物影响

海洋温度上升会引发珊瑚白化：共生的虫黄藻藻类会被珊瑚组织排出，如果胁迫持续就会导致珊瑚死亡。北极海冰减少会压缩北极熊和海豹的栖息地，破坏整个极地食物网。降雨模式的改变会降低全球主粮作物的产量，威胁粮食安全。

**例题:** 梳理大气CO₂浓度上升导致海洋珊瑚物种钙化速率下降的因果链。

1. 步骤1：过量的大气CO₂溶解在海水中，生成碳酸
2. 步骤2：碳酸发生解离，降低海洋pH值，同时降低游离碳酸根离子的浓度
3. 步骤3：珊瑚需要溶解态的碳酸根离子来构建碳酸钙骨骼，因此碳酸根离子供应减少会减缓珊瑚的生长速率。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称温室效应是由人类活动导致的有害问题
  - 原因: 这混淆了自然温室效应和增强型温室效应，是IB考试中非常常见的扣分点
  - 正确做法: 明确区分两者，说明自然温室效应是生命生存的必要条件，而增强型温室效应是人为导致且具有破坏性的
- **错误做法:** 声称水蒸气是当代气候变化的主要驱动因素
  - 原因: 水蒸气浓度是反馈效应而非强迫因子：它的含量由全球温度控制，并非来自人类的直接排放
  - 正确做法: 指出CO₂是驱动当代气候变化的最主要人为强迫因子
- **错误做法:** 声称冰芯数据证明CO₂上升一定会导致温度上升
  - 原因: 在冰消期，初始的温度上升会促使海洋释放CO₂，随后进一步放大变暖，形成正反馈
  - 正确做法: 说明冰芯数据仅显示相关性，而现代观测到的CO₂上升早于温度上升，才能确认因果关系
- **错误做法:** 混淆臭氧层损耗和气候变化
  - 原因: 这两个是不同的环境问题，成因和影响都不相同，尽管氟氯烃会同时加剧两者
  - 正确做法: 考试作答时绝对不要把两个主题混为一谈，明确区分它们的作用机制
- **错误做法:** 声称所有物种最终都能适应温度上升
  - 原因: 当前的变暖速率是冰期后自然变暖速率的约10倍，大多数物种无法足够快地进化或迁移分布范围
  - 正确做法: 指出快速变暖是当代气候变化成为主要物种灭绝威胁的核心因素

## 速查表

| 温室气体 | 主要人为来源 | 100年相对全球变暖潜势 | 大气寿命 |
| --- | --- | --- | --- |
| 二氧化碳 | 化石燃料燃烧、毁林 | 1 | ~300年 |
| 甲烷 | 畜牧业、水稻种植 | 28 | 12年 |
| 一氧化二氮 | 合成肥料 | 265 | 120年 |
| CFC-12 | 历史制冷剂使用 | 10200 | 100年 |

## 下一步

掌握气候变化相关内容后，你就拥有了分析生态系统韧性、人类对生物地球化学循环的影响以及濒危物种保护策略的基础框架，这些都是IB生物SL Paper 2中分值占比很高的主题。接下来你将学习温度上升如何与生境丧失等其他胁迫因素共同作用加剧生物多样性丧失，评估碳定价、重新造林等现实世界的减排政策。这些内容也会直接为你准备Paper 3中的数据分析题做铺垫，该题型要求你解读长期环境数据集的变化趋势。

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