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冰凍圈化學/冰凍圈科學叢書 版權信息
- ISBN：9787030684707
- 條形碼：9787030684707 ; 978-7-03-068470-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
冰凍圈化學/冰凍圈科學叢書 內容簡介
地球上水體以固態形式存在的負溫圈層構成了冰凍圈，以冰川、冰蓋、海冰、凍土、積雪、河冰、湖冰和固態降水組成。隨著學科發展和分化、融合，冰凍圈研究形成了獨具體系的研究格局，為此，我們以冰凍圈物理、冰凍圈化學、冰凍圈生物、冰凍圈與其它圈層相互作用以及冰凍圈區可持續發展為核心內容，編寫了我國部系統介紹冰凍圈科學體系的教科書，這也是靠前上率先在該領域系統成書。該書對冰凍圈科學的有關問題進行了較系統的論述。
冰凍圈化學/冰凍圈科學叢書 目錄
目錄
叢書總序
叢書自序
前言
第1章 緒論 1
1.1 冰凍圈化學研究范疇 1
1.2 冰凍圈化學研究意義 2
1.2.1 自然與人類活動歷史 2
1.2.2 生物地球化學循環 3
1.2.3 氣候與環境效應 3
1.3 冰凍圈化學研究內容 4
1.4 冰凍圈化學研究歷史 5
思考題 7
第2章 冰凍圈化學的關鍵過程 8
2.1 物理過程 8
2.1.1 干濕沉降過程 8
2.1.2 清除效率 10
2.1.3 雪冰淋融和離子脈沖 11
2.1.4 多年凍土活動層淋溶過程 12
2.1.5 海冰排鹽過程 12
2.2 化學過程 13
2.2.1 同位素分餾 13
2.2.2 光化學作用 16
2.2.3 氧化還原反應 16
2.3 生物過程 17
2.3.1 甲基化 17
2.3.2 甲烷的產生與氧化 17
2.3.3 硝化與反硝化 18
思考題 18
第3章 冰凍圈化學組成及時空分布特征 19
3.1 無機化學成分 19
3.1.1 主要陰陽離子 19
3.1.2 電導率與pH 值 22
3.1.3 重金屬元素 23
3.1.4 黑碳 25
3.1.5 不溶微粒 27
3.2 有機化學成分 29
3.2.1 持久性有機污染物 29
3.2.2 天然氣水合物 30
3.2.3 有機質 31
3.3 同位素 35
3.3.1 穩定同位素概述 35
3.3.2 放射性同位素 40
思考題 42
第4章 冰凍圈化學成分的來源與傳輸過程 43
4.1 陸地冰凍圈 43
4.1.1 陸地冰凍圈化學成分的來源 43
4.1.2 化學成分由大氣輸入陸地冰凍圈的主要過程 47
4.2 海洋冰凍圈 56
4.2.1 海洋冰凍圈化學成分的來源 56
4.2.2 化學成分進入海洋冰凍圈的過程 57
4.3 大氣冰凍圈 60
思考題 61
第5章 冰凍圈生物地球化學過程 62
5.1 陸地冰凍圈 62
5.1.1 積雪生物地球化學過程 62
5.1.2 冰川生物地球化學過程 64
5.1.3 多年凍土生物地球化學過程 69
5.1.4 河湖冰生物地球化學過程 74
5.2 海洋冰凍圈 76
5.2.1 海冰化學成分的遷移和轉化 76
5.2.2 海冰的生物地球化學過程 79
5.2.3 海底多年凍土的生物地球化學過程 81
5.3 大氣冰凍圈 82
5.3.1 大氣冰凍圈微生物 82
5.3.2 大氣冰凍圈化學過程 84
思考題 85
第6章 近代人類活動的冰凍圈化學記錄 86
6.1 可溶性離子 86
6.1.1 南極和北極 86
6.1.2 中低緯度地區 88
6.2 重金屬 89
6.2.1 南極和北極 89
6.2.2 中低緯度地區 92
6.2.3 青藏高原 94
6.3 黑碳 95
6.4 持久性有機污染物 98
思考題 100
第7章 冰凍圈化學的氣候和環境效應 101
7.1 冰核的氣候效應 101
7.2 海冰的氣候和環境效應 102
7.2.1 海-冰-氣界面對化學成分運移的影響 102
7.2.2 海冰運移對化學成分的遷移影響 103
7.3 碳質氣溶膠的氣候效應 104
7.4 粉塵的氣候和環境效應 106
7.5 冰凍圈碳源匯的氣候與環境效應 106
7.5.1 陸地冰凍圈碳源匯效應 106
7.5.2 海洋冰凍圈碳源匯效應 108
7.6 冰凍圈快速變化的環境風險 109
7.6.1 海洋微塑料污染 109
7.6.2 冰凍圈污染物的二次釋放 111
思考題 113
第8章 冰凍圈化學研究方法 114
8.1 野外觀測與采樣 114
8.1.1 陸地冰凍圈 114
8.1.2 海洋冰凍圈 118
8.1.3 大氣冰凍圈 120
8.2 實驗室分析方法 123
8.2.1 色譜分析法 124
8.2.2 質譜分析法 126
8.2.3 光學分析法 130
8.2.4 熱分析法 134
8.2.5 電化學分析法 134
8.2.6 儀器聯用分析法 136
參考文獻 137
叢書總序
叢書自序
前言
第1章 緒論 1
1.1 冰凍圈化學研究范疇 1
1.2 冰凍圈化學研究意義 2
1.2.1 自然與人類活動歷史 2
1.2.2 生物地球化學循環 3
1.2.3 氣候與環境效應 3
1.3 冰凍圈化學研究內容 4
1.4 冰凍圈化學研究歷史 5
思考題 7
第2章 冰凍圈化學的關鍵過程 8
2.1 物理過程 8
2.1.1 干濕沉降過程 8
2.1.2 清除效率 10
2.1.3 雪冰淋融和離子脈沖 11
2.1.4 多年凍土活動層淋溶過程 12
2.1.5 海冰排鹽過程 12
2.2 化學過程 13
2.2.1 同位素分餾 13
2.2.2 光化學作用 16
2.2.3 氧化還原反應 16
2.3 生物過程 17
2.3.1 甲基化 17
2.3.2 甲烷的產生與氧化 17
2.3.3 硝化與反硝化 18
思考題 18
第3章 冰凍圈化學組成及時空分布特征 19
3.1 無機化學成分 19
3.1.1 主要陰陽離子 19
3.1.2 電導率與pH 值 22
3.1.3 重金屬元素 23
3.1.4 黑碳 25
3.1.5 不溶微粒 27
3.2 有機化學成分 29
3.2.1 持久性有機污染物 29
3.2.2 天然氣水合物 30
3.2.3 有機質 31
3.3 同位素 35
3.3.1 穩定同位素概述 35
3.3.2 放射性同位素 40
思考題 42
第4章 冰凍圈化學成分的來源與傳輸過程 43
4.1 陸地冰凍圈 43
4.1.1 陸地冰凍圈化學成分的來源 43
4.1.2 化學成分由大氣輸入陸地冰凍圈的主要過程 47
4.2 海洋冰凍圈 56
4.2.1 海洋冰凍圈化學成分的來源 56
4.2.2 化學成分進入海洋冰凍圈的過程 57
4.3 大氣冰凍圈 60
思考題 61
第5章 冰凍圈生物地球化學過程 62
5.1 陸地冰凍圈 62
5.1.1 積雪生物地球化學過程 62
5.1.2 冰川生物地球化學過程 64
5.1.3 多年凍土生物地球化學過程 69
5.1.4 河湖冰生物地球化學過程 74
5.2 海洋冰凍圈 76
5.2.1 海冰化學成分的遷移和轉化 76
5.2.2 海冰的生物地球化學過程 79
5.2.3 海底多年凍土的生物地球化學過程 81
5.3 大氣冰凍圈 82
5.3.1 大氣冰凍圈微生物 82
5.3.2 大氣冰凍圈化學過程 84
思考題 85
第6章 近代人類活動的冰凍圈化學記錄 86
6.1 可溶性離子 86
6.1.1 南極和北極 86
6.1.2 中低緯度地區 88
6.2 重金屬 89
6.2.1 南極和北極 89
6.2.2 中低緯度地區 92
6.2.3 青藏高原 94
6.3 黑碳 95
6.4 持久性有機污染物 98
思考題 100
第7章 冰凍圈化學的氣候和環境效應 101
7.1 冰核的氣候效應 101
7.2 海冰的氣候和環境效應 102
7.2.1 海-冰-氣界面對化學成分運移的影響 102
7.2.2 海冰運移對化學成分的遷移影響 103
7.3 碳質氣溶膠的氣候效應 104
7.4 粉塵的氣候和環境效應 106
7.5 冰凍圈碳源匯的氣候與環境效應 106
7.5.1 陸地冰凍圈碳源匯效應 106
7.5.2 海洋冰凍圈碳源匯效應 108
7.6 冰凍圈快速變化的環境風險 109
7.6.1 海洋微塑料污染 109
7.6.2 冰凍圈污染物的二次釋放 111
思考題 113
第8章 冰凍圈化學研究方法 114
8.1 野外觀測與采樣 114
8.1.1 陸地冰凍圈 114
8.1.2 海洋冰凍圈 118
8.1.3 大氣冰凍圈 120
8.2 實驗室分析方法 123
8.2.1 色譜分析法 124
8.2.2 質譜分析法 126
8.2.3 光學分析法 130
8.2.4 熱分析法 134
8.2.5 電化學分析法 134
8.2.6 儀器聯用分析法 136
參考文獻 137
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冰凍圈化學/冰凍圈科學叢書 節選
第1章緒論 在人類活動已深刻影響和改變自然環境的背景下，冰凍圈中各環境介質亦受到人類排放化學成分的深刻影響。冰凍圈的化學成分不僅可以記錄自然與人類活動的歷史，而且參與生物地球化學循環，對全球氣候與環境產生深刻的影響。在全球變暖背景下，研究冰凍圈各要素中化學組分特征、時空格局、遷移轉化歸趨過程及其對氣候和環境的影響機理，可為我們認識和應對當今人類社會所面對的環境問題提供重要科技支撐。冰凍圈化學是冰凍圈科學的重要分支，亦是認識冰凍圈變化及其影響的學科基礎。在冰凍圈科學的總框架體系之下，本章全面闡述了冰凍圈化學的研究范疇、研究意義、發展歷程及研究內容。 1.1 冰凍圈化學研究范疇 冰凍圈科學是研究自然背景條件下，冰凍圈各要素形成和變化的過程與內在機理，冰凍圈與氣候系統其他圈層相互作用，以及冰凍圈變化的影響和適應的新興交叉學科。冰凍圈化學是研究冰凍圈各要素化學組分的時空格局、來源、遷移、轉化、歸趨及其對氣候和環境影響的一門學科。它涉及冰凍圈化學成分的地域特性、源和匯特征、生物地球化學循環過程，以及冰凍圈與其他圈層界面的化學過程等。通過建立立體觀測網絡體系，獲得冰凍圈化學成分及其遷移轉化的觀測資料，結合實驗室分析測試和模擬，科學精準認知冰凍圈化學變化的自然和人為過程、機理和影響，為社會經濟可持續發展服務，是冰凍圈化學研究的主要范疇。 冰凍圈化學主要研究對象包括冰凍圈中微量氣體、無機和有機化學組分、穩定和放射性同位素、微生物等，研究空間范圍包括大氣冰凍圈（如冰晶、冰核、冰雹等）、陸地冰凍圈（冰川、凍土、積雪、河冰、湖冰等）和海洋冰凍圈（海冰、冰架、海底多年凍土等），研究時間范圍覆蓋多個不同的時間尺度。廣義的雪冰化學研究包括冰川、積雪、海冰、河冰、湖冰等介質化學成分及其化學過程等；廣義的凍土化學研究包括陸地多年凍土和海底多年凍土的生物地球化學過程等。在人類活動已深刻影響和改變自然環境的背景下，冰凍圈中各環境介質亦受到人類排放化學成分的深刻影響，如雪冰或凍土中含有各種不同歷史時期或不同環境狀態下源自人類工農業活動釋放的化學組分信息。因此，研究冰凍圈各要素化學組分特征、時空格局、遷移轉化歸趨過程及其對氣候和環境的影響機理，可為我們認識和應對當今人類社會所面對的環境問題提供重要科技支撐。 1.2 冰凍圈化學研究意義 冰凍圈是氣候系統中昀為敏感的圈層，也是全球變化的放大器。由于遠離人類活動區，冰川和冰蓋內記錄的地球各圈層化學信息相對容易分辨，有利于提取各環境因子的全球或區域本底。例如，北極、南極和青藏高原的海陸格局、氣候特點、距離人類活動區的遠近等差異顯著，有利于獲取不同自然環境因子和人類活動強弱的信息。因此，冰凍圈化學研究的昀終目標是通過多化學指標時空分布，了解過去全球環境變遷歷史和機理，并預測未來變化和服務人類發展。同時，冰凍圈是全球生物地球化學循環中的重要圈層，特別是多年凍土在全球碳、氮循環中扮演重要角色。在冰凍圈快速萎縮的背景下，冰凍圈在生物地球化學循環中的地位越來越重要。冰凍圈的快速變化導致冰凍圈化學過程的改變，為氣候變化和環境帶來強烈的反饋效應。因此，開展冰凍圈化學研究具有重要的科學意義。 1.2.1 自然與人類活動歷史 自工業革命以來，人類活動在加速改變社會發展歷史進程的同時，也給環境造成了巨大破壞，并逐漸成為影響環境中化學成分再分配的重要因素；瘜W成分一般以很低的天然含量廣泛存在于自然界中，但人為排放污染物的增多已經造成了全球范圍的環境污染。冰凍圈自身人類活動稀少且遠離工業污染源區，受人類活動直接排放的干擾較小。然而，人類活動釋放的污染物通過大氣傳輸對全球環境已產生了重要影響，冰凍圈成為評價人類活動污染程度和歷史變化的理想研究場所。因此，人類釋放污染物在極地和山地冰川等冰凍圈環境中的時空變化可以作為評價人類活動對大氣環境影響的代用指標。 冰川和冰蓋是記錄全球氣候變化信息重要載體，其化學記錄作為一種獨特的氣候和環境變化代用資料，與其他資料相比具有記錄連續、分辨率高、保真性強、沉積后變化微弱的優勢，能夠較為準確地記錄古氣候和環境的變化歷史，可以用于重建軌道尺度和亞軌道尺度（萬年到幾十萬年）的變化。因此，冰凍圈化學記錄就像一部史書，記錄不同時期雪冰物理化學狀況，為我們“解讀”過去的氣候和環境變化提供基礎。特別是冰川（冰蓋）作為冰凍圈的主要組成部分，其化學成分來自大氣的干濕沉降，是大氣成分的天然檔案庫。針對冰凍圈化學指標記錄的季節變化及地理分布格局等現代過程研究，以及冰凍圈化學與地球系統要素之間相互作用與相互耦合過程研究，是全球變化研究中重建古環境和監測當代全球環境變化的重要內容。國際地圈 –生物圈計劃（ IGBP）中的數項核心計劃都將冰凍圈記錄列為重要組成部分？傊，鑒于對未來氣候和環境變化的準確預測在一定程度上依賴于對古氣候和環境變化的認知水平，雪冰化學記錄的氣候和環境變化仍是當前全球變化研究的熱點和優先研究領域之一。 1.2.2 生物地球化學循環 冰凍圈化學對于認知地表生物地球化學循環規律具有重要的研究意義，同時也是全球變化研究中探討全球尺度地表物理、化學及生物地球化學循環過程的重要內容。冰凍圈化學成分參與冰凍圈與大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、人類圈的相互作用，冰凍圈的變化將顯著影響化學組分在各圈層之間的格局，遷移、轉化和歸趨等過程。在氣候持續變暖和人類活動增強的背景之下，亟須研究冰凍圈生物地球化學循環對自然和人文雙重變化的響應。隨著全球變化研究的開展，對各種成分在地表的生物地球化學循環研究逐漸成為熱點科學問題。 凍土是冰凍圈的重要組成部分，多年凍土約占北半球陸地面積的 24%，季節凍土約占 30%。由于凍土分布廣泛且具有較為獨特的水熱特性，使它成為陸地表層環境過程中非常重要的氣候和環境因子。凍土和氣候系統之間的相互作用顯著。一方面，凍土是氣候變化的敏感指示器，氣候變化將引起凍土地區環境和凍土工程特性的顯著變化；另一方面，由于凍土所具有的水熱特性以及其廣泛分布的地理區域特征，凍土的變化對氣候系統的反饋作用顯著。近年來由于氣溫升高而導致凍土活動層加深、生態系統各種要素（如植被群落結構、生物生產量以及生物多樣性等）發生了顯著變化，同時釋放大量溫室氣體，并引起區域水循環發生深刻變化，繼而對整個氣候系統將產生重要影響。 全球變暖導致的多年凍土退化亦會使存儲的有機碳分解釋放，從而驅使多年凍土可能由碳匯變為碳源，特別是凍土溫度升高和水分的變化，將會導致微生物活動增強。多年凍土中儲存的碳在微生物作用下以溫室氣體的形式釋放到大氣，使得大氣中溫室氣體的含量進一步增加，進而促使全球變暖加劇。多年凍土退化對全球變暖的正反饋效應，是目前全球變化極為關注的科學問題之一。開展多年凍土的生物地球化學循環研究，探討化學組分的遷移轉化過程（特別是碳循環過程），對于揭示凍土環境對全球變化的響應特征，及探究凍土變化與氣候系統相互作用關系具有重要意義。 1.2.3 氣候與環境效應 冰凍圈化學組分的變化將深刻影響當今的氣候與環境現狀。例如，通過改變輻射強迫和雪冰反照率以及與云的相互作用等反饋機制，大氣中黑碳和棕碳氣溶膠能顯著影響大氣與冰凍圈之間的能量平衡，對氣候系統具有獨特而重要的作用，被認為是除溫室氣體之外昀強的人為輻射強迫因子。當黑碳、粉塵等吸光性雜質沉降到雪冰表面之后，能夠顯著降低表面反照率，進而導致雪冰加速消融。積雪 –氣溶膠反照率反饋效應可以改變冰凍圈地表的能量和水分平衡，對區域和全球氣候系統帶來顯著影響。冰凍圈化學組分（如黑碳、吸光性雜質等）引起的雪冰加速消融將深刻改變水文和水資源現狀，從而進一步影響到社會經濟的可持續發展。 冰凍圈退縮（冰川、多年凍土、海冰等）引起化學成分的快速釋放已受到國內外眾多學者關注。當今正在執行的化學品禁 /限用國際公約（如關于持久性有機污染物的《斯德哥爾摩公約》、關于汞的《水俁公約》等）所涉及的污染物均可以在全球冰凍圈中檢測到其“蹤影”，這些污染物大多具有半揮發性，極易沉降和積累于高寒的冰凍圈區域，且諸多證據均指明其來自人類活動的釋放，并經過遠距離傳輸沉降到冰凍圈。對于人類居住區更為接近的中低緯度陸地冰凍圈而言，冰川徑流是干旱區動植物和人類賴以生存的重要水資源。隨著全球氣候變暖加劇，冰川融水將大量“二次釋放”的污染物帶入河流，將改變水質狀況并對下游地區生態系統產生潛在的環境風險。例如，從冰川消融釋放進入河流中的有毒重金屬元素（如汞），在濕地及河湖沉積物中發生甲基化作用，生成毒性增強的甲基汞。甲基汞可以在生物體內富集，對營養級較高的動物甚至人類產生潛在危害。因此，開展冰凍圈化學研究可以更好地預測和評估未來冰凍圈水資源和水質變化，為減緩有毒污染物對冰凍圈影響區生態系統的環境影響提供應對策略。 1.3 冰凍圈化學研究內容 冰凍圈化學是綜合物理學、化學、生物學、大氣科學、生態學和環境學等知識內容的一門新興交叉學科。冰凍圈化學主要闡述冰凍圈中重要的化學組分的時空格局、遷移、轉化和歸趨規律及其與氣候和環境變化的直接和間接關系，并涉及經濟社會的可持續發展，是當前冰凍圈科學體系中重要的新興研究領域。冰凍圈化學的學科架構如圖 1-1所示。研究內容主要包括三個方面： （1）冰凍圈化學相關的基本物理、化學和生物過程：大氣成分的干濕沉降、清除過程、雪冰離子淋融和脈沖、凍土淋溶作用、海冰排鹽等過程；化學過程主要包括同位素分餾、光化學作用、氧化還原反應等；生物過程包括甲基化、微生物過程、硝化與反硝化等。 （2）冰凍圈化學組分的時空格局及其來源：研究大氣冰凍圈、陸地冰凍圈、海洋冰凍圈中的無機成分（化學離子、不溶微粒、元素、黑碳等）和有機成分（如有機質、持久性有機污染物等）的時空分布、傳輸和來源等，特別是利用同位素的指紋特征研究化學成分的自然和人為來源；利用雪冰記錄研究人類活動排放污染物的變化歷史。 圖 1-1 冰凍圈化學學科架構 （3）冰凍圈生物地球化學循環的影響與效應：研究冰凍圈不同要素的關鍵生物地球化學過程，評估氣候變暖和人類活動加劇雙重影響下，冰凍圈生物地球化學循環的氣候和環境效應，為應對未來氣候環境變化提供支撐。 1.4 冰凍圈化學研究歷史 自 20世紀 70年代末以來，人類面臨著嚴峻的資源、環境和發展等重大問題。人類活動在很大程度上已改變了人類原有的居住環境，威脅著人類的生存家園。 20世紀 80年代，科學家提出“全球變化”概念，并逐步將地球的大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、冰凍圈和人類圈的變化納入“全球變化”范疇，并突出強調地球多圈層相互作用及其環境變化。作為連接不同圈層的核心紐帶，冰凍圈化學為全球變化的各個方面，如環境污染、氣候變化、生物地球化學循環、人類活動、海平面變化、地質和宇宙事件等諸多科學研究提供了直接或間接依據。 雪冰作為冰凍圈昀為核心的組成要素，其中的化學成分種類繁多，不同的成分有其特殊的環境意義。自 20世紀 60年代以來，極地冰蓋和中低緯度冰川的雪冰化學研究發展迅猛。較早的研究建立了雪冰中氫、氧穩定同位素比率與氣溫的關系，并通過這種時間序列重建了古氣候變化。隨后通過不溶微粒、硫酸鹽等研究火山噴發，并利用放射性元素來研究核爆試驗等人為污染。此后在雪冰中主要陰陽離子、生物有機酸、重金屬元素等方面有了很大進展，近十幾年在左旋葡聚糖、有機碳、黑碳、非傳統穩定同位素等方面開展了大量的工作。 我國的雪冰化學研究始于 20世紀 60年代，早期僅限于喜馬拉雅山脈的希夏邦馬峰和珠穆朗瑪峰（簡稱“珠峰”）地區的冰川，主要針對雪冰開展化學組分調查。 1979年之后，隨著冰川考察的迅速展開，冰凍圈化學研究在青藏高原地區迅猛發展，研究區域涉及阿爾泰山喀納斯冰川、天山托木爾峰西瓊臺蘭冰川、烏魯木齊河源 1號冰川、祁連山水關河冰川、敦德冰川、橫斷山脈貢嘎山冰川和玉龍山白水河冰川
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