气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性

地球物理学家和天体物理学家可以想象出各种各样的控制机制，如极端火山活动或地球倾角的极端偏差，这些机制有效地释放了反馈机制，并且已经或可能再次防止两种反馈机制中的一种失控。有关详细信息，请参见[19]及其参考文献。气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性13图。当环境温度升高时，甲烷包合物以气体形式释放到周围的水柱或土壤中。图表基于【16】中的数据。这项工作由维基百科贡献者发布到公共领域，https://commons。维基媒体。org/wiki/File：甲烷水合物相图。jpg，根据https://creativecommons.org/licenses/bysa/3.0/.ExampleB.温暖的土地。五千五百万年前，发生了古新世-始新世的热最大值。在这个时候，我们将体验到与地球相反的气候，在北极可以发现棕榈树和鳄鱼。在此期间，全球气温比今天高8度。作为参考，中世纪（约1100年）和小冰期（约1600年）仅代表约0.2度的温度异常。因此，与所讨论的场景相比，历史时间的这些变化很小。Steffen和合著者提出的假设温室地球是一种假设，人类排放二氧化碳导致地球生态系统崩溃，导致地球变暖。稳定性景观中温室地球盆地的一个反馈机制是甲烷包合物的释放，将在下一节中讨论。2.3.2. 结构不稳定性——笼形枪假设的例子。

在上文第2.2小节中的教科书模型中，我们提到了笼状结构假设，即：。，当我们的玩具模型的输出变量T超过临界值且目前仍未知的值时，海洋和永久冻土区的地面会产生巨大的甲烷释放威胁，而大气中的温室气体水平将不再受人类活动的控制，而是由自然源温室气体的热强制释放的自主过程控制。这纯粹是假设。然而，在部分科学文献中，有人声称，我们不是处于一种虚幻状态，而是处于气候结构不稳定的真正危险之中，也许超过阈值，人类防止灾难性气候变化的努力将因反馈循环而变得徒劳。举例说明可能的14位B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENFig。2000-2009年期间全球甲烷存量和流量估计。黑色箭头表示1750年以来非直接由人类活动引起的洪水，红色箭头表示人为洪水，浅棕色箭头表示自然和人为洪水的组合。摘自ZF间气候变化专门委员会【17，图6.2，第474页】。PLSclear许可申请9月26日，威胁反馈机制，人们通常会指出本小节将讨论的笼形枪假设，以及将在下一小节讨论的反照率递减效应。

这两种反馈机制都基于多个时间尺度的出现，其中具有不同特征时间的过程的相互作用可能导致结构不稳定，即加速和可能无法控制的失控效应，具有未知的临界点、极限点或极限环。关于物理科学基础和笼形枪假设，我们参考了ZF间气候变化专门委员会（IPCC）2007年和2013年的综合报告【20，17】。对于关键论点，我们引用化学家J.S.Avery的话：如果我们着眼于遥远的未来，到目前为止，最危险的反馈回路涉及甲烷水合物或甲烷包合物（甲烷气体和冰的部分冻结淤泥混合物，通常存在于沉积物中，即物理上类似冰的结晶水基固体，其中主分子为水，客体分子为甲烷；其详细的形成和分解机制尚不完全清楚，请参见[21，22]，由作者添加）。当气候、物质、生命和经济中的有机物在时间尺度上的多重性15被河流带入海洋时，它会腐烂形成甲烷。然后甲烷与水结合形成水合物晶体，该晶体在目前海洋中存在的温度和压力下稳定。然而，如果温度升高，晶体就会变得不稳定，甲烷气体就会起泡到表面。甲烷是一种相当于二氧化碳70倍的温室气体。令人担忧的是，海洋地板上的甲烷水合物沉积物中含有大量的碳：大约10000亿吨。要正确看待这一巨大数量，我们可以记住，自1751年以来，世界碳排放总量仅为3370亿吨。

涉及甲烷水合物的失控、指数级增长的反馈回路可能会导致一次大规模的地质灭绝事件，这一事件周期性地灭绝了当时生活的大多数动植物。摘自【23，第4.6节】，经ofc许可再版DanishPeace学院。甲烷溶解取决于压力和温度，见图6。在讨论甲烷包合物的可能释放时，我们必须考虑到甲烷在大气中七年的短半衰期，并区分不同海平面上的包合物沉积。事实上，甲烷包合物是浅海地圈的常见组成部分，它们出现在深部沉积构造中，并在海面上形成露头。全球甲烷储量和年流量的预测见图7。让我们考虑一下1000 m深处海面上的笼状沉积物。该深度的压力为100个大气压~ 10000千帕【kps】。显然，即使全球平均海平面（GMSL）出现实质性上升，比如说上升10-15米（在[3，Ch.4，Section 4.2]中，到2100年，大多数预期在0.5-2.3米的范围内），也只会给该压力增加微不足道的1 at，而当地温度则会上升8 atoC（第3.2.1.2.1节和第5.2节中的最新期望值）从目前的5oC热带水域的平均值，因此超过了oC在100 at的压力下，将释放包合物。很明显，浅水区的释放已经发生，并且会随着大气和海洋温度的升高而加速。海洋深层的情况完全不同。

在平均4000米深的海洋中，温度上升了23o释放需要C，在12000米深处的深裂谷和暗礁处，由于中温升高而导致的释放是不可想象的。那么，应该如何模拟甲烷（CH）的气候变化潜力？正如在物理学中一样，我们可以继续分离感兴趣的物体，这里是CHstocks、FLOWS和辐射效应。因此，我们从以下原始隔间模型开始，研究CHon气候变化的影响。作为第一个近似值，黑猩猩行为被视为与共同影响相关的加性行为。显然，假设这两个过程相互独立，图8的叠加模型在定性上会产生误导，这与图9所示的理论上更坚实的相互作用模型相反。然而，原始叠加模型似乎与我们的历史和地球历史数据非常吻合。以下是已建立的关键数据：如上所述，我们有地壳中巨大沉积层的模糊数据：永久冻土表面区域、大陆斜坡内和下方以及海洋深处。钻取16个B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENcmHeat（c）热量（m）+H（c，m）=H（c）+H（m）κ78κ图8。大气CO（上支）和CH（下支）辐射气候强迫的叠加被认为是两个独立的过程。这里，c表示与前工业化水平的涂层时间t相关的过度集中。c保持不变，比如20年，并通过辐射强迫，以速率κ诱导地球上吸收太阳能量的额外热量吸收H（c）。

相应地，m表示降解指数的过量浓度，半衰期为7年，并诱导吸收太阳能的额外热量吸收H（c），吸收率为84κ，导致H（c，m）=H（c）+H（m）的总热量增加。商业开发开始提供一个更清晰的画面，至少对于深度为1000-2000米的区域来说是这样，见【24、25、26】。关于大气CH，我们可以获得更精确的知识。早期地球历史上的一些大规模灭绝（虽然不是最后一次形成MMAL）可以解释为由于灾难性的天体物理碰撞、地质喷发、海洋热浪或构造断层而从地壳释放CHF。在过去400千年的冰芯记录中，大气CHonly的振荡介于~ 350和750 ppb，很可能与冰期和间冰期重合。自1750年左右工业革命开始以来，浓度增加到1850 ppb，增长率为~ 近几年10 ppb/10年（2000年左右停滞不前，可能是由于高能源价格迫使对天然气生产和分配进行更加经济的处理）。大气CHM主要通过氧化降解为COA和HO，如前所述，其半衰期为7年。它在波长7.7和3.3um处有吸收峰，即由于地球表面的热发射，在红外辐射的较低区域，而二氧化碳和水蒸气只有很低的orno吸收。根据直接辐射强迫和退化导致的间接强迫，有不同的方法来估算与CO过量GPW（相对于工业化前几个世纪的辐射热平衡的过量）相关的过量全球升温潜能（GWP）。

CH的最新估计值（见[22，表1]）得出的GWP为~ 100年28人，20年84人。与相应的COdata相比，稍加计算，人们发现，自工业化前以来，全球平均气温上升的四分之一或三分之一可以用CHincrease来解释。这些数据与图8的原始模型非常吻合：它们表明，从历史上看，甲烷的释放主要与全球平均温度无关，无论是自然灾害还是农业和工业活动。然而，这几乎是一个教科书上的例子，说明了多尺度建模和模拟的必要性，即当我们真正意识到两个辐射过程的可能相互作用时，我们不应该相信原始模型，无论它与给定数据的匹配程度如何。令人担忧的也许不是笼形枪假说本身，而是我们从物理化学中了解到的甲烷相图中温度的作用，这在最近的沿海天然气勘探钻探中变得显而易见（见上文），从数学上，我们可以从气候、物质、生命和经济17个不同特征时间的多重时间尺度的线性过程的相互作用中得出什么类型的失控影响。因此，我们通过绘制一个综合隔间模型的示意图来结束这一部分，该模型通过甲烷和二氧化碳过程的相互作用对气候变化的辐射强迫。这是推测性的，因为没有人有关于永久冻土区和海底包合物沉积物的位置、深度和体积的数据。但这是现实的，因为我们知道简单的机制。再讲一句关于结构不稳定性的话，这通常与具有多重特征时间的过程的相互作用有关。

然而，失控效应的数学可能性只是所述反馈的一面。同样，我们可以像控制理论一样，指出反馈机制对其他结构不稳定过程的潜在稳定作用。在冰期和间冰期观测到的较高和较低大气chlevel之间的振荡可能对其他高度不稳定的气候发展产生了稳定作用。过量的大气污染物释放（Excessatmospherecomaritimereleasedchexcesseatheattatto）包合物解冻致病菌排放物κ84κ包合物释放（forcingFig）。具有不同特征时间的两个过程的相互作用/耦合。最重要的新特征是将大气温度和海洋（以及土壤）温度分开，并通过使笼状物的释放取决于海洋和土壤的温度来产生反馈。2.3.3. 冰盖融化、海平面上升和反照率下降的反馈机制。全球平均气温的显著升高及其在亚极地地区的特殊特征推动了冰盖的融化和海平面的上升。冰盖面积的减少和陆地面积的减少都会降低地球的反照率，并加速气候变化——与甲烷排放量的增加类似。然而，有一个重要的区别：与前面对甲烷的讨论相反，现在似乎叠加模型，即将过程视为独立的，是没有意义的。必须应用类似于图9的交互模型，见图10，隔间模型比图9.2.4更简单。气候变化建模中的挑战、失败和误解。综上所述，我们强调了气候建模中的一些常见误解，而忽视了多种时间尺度的出现。

这种迷失也可能发生在环境管理和气候变化缓解与适应基层运动中，利益相关者偶尔只关注感觉和政治趋势，只关注短期或长期影响。关于多尺度采样、建模和模拟的基本一般数学问题，我们参考了J.D.Logan的教科书【27】、《百科全书》【28】、学习过的杂志，如暹罗的多尺度建模和模拟（MMS）和18 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN、，而U.R.Pedersenexcess全年或季节性温室气体无排放区无排放热量对温室气体的致热排放αβ反照率无决定性影响。大气和海洋辐射加热的相互作用/耦合速率为α，导致地球反照率降低，导致冷却效应降低速率β。与图9的决定性差异在于，在该模型中，阿尔贝多的变化仅由气候变化驱动，与甲烷模型不同，外部驱动因素可以忽略。像[29、30、31、8、32]这样的专著。2.4.1. 采样问题。系统的属性可能会变得与时间相关，因为您测量的内容取决于测量的时间尺度。我们将在下面的第3至5.2.4.2节中讨论这一点。多尺度数值模拟中的截断误差。撇开气候建模中的多尺度问题不谈，我们将根据地球物理学家R.Kleinin【33，p.1002和p.1004】在大气科学中的每日模拟经验，仅举一个例子，说明气候建模中多尺度计算方法的重要性。粗略地说，我们区分了非绝热温度变化和绝热温度变化。

非绝热变化非常缓慢，速率很小，但从长远来看，它是不可逆的，因此对温度变化具有决定性作用，而更频繁、速率更大的非绝热变化，从长远来看是可逆的和不可逆的。因此，有两个不同的特征时间，tdfordiabatic changes和TaFordiabatic changes with td 助教。绝热过程离散化产生的截断误差具有不可逆性，从长远来看，截断误差可以支配基本的非绝热变化。最糟糕的是，我们不能不模拟绝热过程：它们是计算绝热变化所必需的。2.4.3. 基于多模型的预测的偏差。为了解决多尺度问题，自然一阶近似是将问题分解到多个子模型中，每个子模型都有自己的特征尺度，然后通过平均过程修补结果。丹麦气象学家马德森（Madsen）、兰根（Langen）、博伯格（Boberg）和克里斯滕森（Christensen）指出，在基于多模式的预测中，这种处理多尺度问题的方法存在系统性故障：在[34]中，他们显示了基于多模式的区域气候预测的不确定性。粗略地说，大气物理学的复杂性不允许精确的全球和长期气候模拟。因此，区域长期预测通常基于将多个模型拼接在一起，以获得多模式平均结果的地理分布。琐碎的是，该过程会遇到采用不可比较震级的方法的概率复杂性。因此，正如丹麦人所写，在更大范围内，有害影响的风险可能被高估（或低估，我们的插入），因为气候变化影响永远不会被视为世界各地最坏（或最好，我们的插入）的情况。气候、物质、生命和经济的时间尺度多样性192.4.4。