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本书中这些精彩文章的作者,多为荣获英国皇家学会研究基金支持的首席青年科学家;在他们撰写的文章中,除了分别描述了自己的研究成果之外,还评述了有关学科领域的发展前景。这些文章选自英国皇家学会创办的、全球历史最悠久的权威性科学杂志《自然科学会报》的新千年专辑。该杂志主编、皇家学会会员迈克尔·汤普森(J.M.T.Thompson)教授为本书精心遴选的这些重要文章,包括宇宙大爆炸创生学说;人类对太阳系的探测研究;地球深层结构以及现代对全球变暖与气候变化问题的科学分析。全书充满了这些年轻作者积极献身天文学和地球科学研究工作的信念与热情。本书还另有两册姊妹篇,分别是关于物理学与电子学,以及化学与生命科学的。对于任何关心未来科学发展的读者来说,本书的所有文章,都提供了一些具有权威性的科学见解。
本书是科学展望丛书之一,是一部关于天文学与地球科学的科技读物,内容涉及宇宙的创生与演化,恒星与行星的探测研究,地球剖析,全球变暖和气候变化等,适合天文学及地球科学爱好者参考学习。
迈克尔·汤普森,是英国皇家学会《自然科学会报》(A辑)主编。1958年毕业于剑桥大学力学科学系,获得一级荣誉学位(first class honors)和并于1962和1977年分别获得科学博士(PhD)与理学博士(ScD)学位。曾担任斯坦福大学(Stanford University)的Fulbright奖学金研究员,并于1964进入伦敦大学学院(University College London,简称UCL)任职。他已发表了的四部专著,分别论述了有关不稳定性、分枝现象(Bifurcations)、灾变理论以及混沌理论等方面的诸多问题。1977年被聘为伦敦大学学院教授。1985年被遴选为皇家学会会员,并荣获英国土木工程师学会(the Institution of Civil Engineers)授予的Ewing奖章。他曾是科学与工程研究委员会(SERC:Science and Engineering Research Council)资深研究员,并曾服务于国际矿物学协会(IMA,International Mineralogical Association)理事会。
序言
第一章 宇宙的创生与演化
1 大爆炸之谜及其释疑
Joao Magueijo and Baskerville
2 宇宙结构的起源
Juan Garcia—Beuido
3 宇宙暗物质
Ben Moore
第二章 恒星与行星的探测研究
4 温度最高的太空热斑
Malcolrrl n Glray
5 新千年对太阳系及其以外天体的探索研究
Andrlew J.Caotes
6 揭开月球的面纱
Sarah K.Dunkin and David J.Heather
第三章 地球剖析
7 地球的深层结构
Lidunka Vocadlo and David Dobson
8 动态地球的三维成像
Lidia Lonergan and Nicky white
第四章 全球变暖和气候变化
9 地球物理和天体物理涡流现象
N.Robb McDonald
10 地球未来的气候
Mark A.Saunders
作者简介
索引
序言
本书所包含的内容,是一批首席青年科学家按照图文并茂的通俗化格调,撰写的十篇文章;其中包括了他们自己的研究成果以及他们对未来科学进展的看法。本书通篇充满了这些年轻作者献身科学的激情与热情,并为那些对于未来科学发展感兴趣的广大公众——其中包括科学研究人员以及具有科学意向的在校儿童,提供一些具有权威性的观点。
这些文章都是在皇家学会《自然科学会报》新千年三本特辑中正式发表过的权威性学术论文的通俗化版本。创办于1665年的《自然科学会报》,是世界上历史最悠久的权威性科学杂志。三百多年以来,它一直都在发表尖端性的科学论文。自从1672年艾萨克 牛顿在本刊发表自己的第一篇论文“光与色彩的新理论”开始,本刊便一直被他用来详述自己的科学生涯。从1703年牛顿当会长至1727年牛顿去世,英国皇家学会在牛顿的带领下,在欧洲的学者中牢固地树立了科学声望。现在,英国皇家学会成了英国科学院。本书的许多作者都得到了权威的英国皇家学会研究基金的资助。
《自然科学会报》A辑专注于整个物理科学,作为本刊主编,我对所涉及的那些正处于快速增长、并且可能具有长远意义和重要性的课题内容,进行了仔细挑选。每篇文章都描述了最新的尖端研究结果,比较广泛地说明其来龙去脉,并展望其未来的发展前景。这本文集对于处在千年之交转折点时刻的物理学态势,提供了一幅独具特色快照,而书末的作者简历及其照片,则提供了一些对个人的了解。
本刊新千年的三个特辑,由剑桥出版社分为三本书籍出版。其内容分别包括:天文学和地球科学(具体内容见本书正文);物理学和电子学(其中包括量子物理学和引力物理学,电子学,高级计算机和无线电通信);化学与生命科学(其中包括反应动力学,新的处理过程和材料,生物物理技术以及构建描述心脏的理论模型)。
本书所论述的天文学和地球科学题目,包括根据大爆炸理论描述宇宙的创生和演化,人类对太阳系的探测研究,地球深层结构,以及关于全球变暖和气候变化的现代科学见解。
J.M.T.汤普森
皇家学会《自然科学会报》主编
非线性动力学研究中心主任
伦敦大学学院教授
10.4未来气候变化预测
本小节将对2100年之前由于全球变暖导致的地球气候变化,进行一番“最佳化’’的预测分析。对于超越这一时限的未来情况,则暂不进行深入探究。这里列举一些预测结果,乃是采用数、物理方法,根据大气层、海洋、大陆以及冰岩席等重要因素的不同组合、合理构建而成的气候模型推导出来的。虽然这种模型预测结果中存在的不确定性还需要改进,我们还是有充分的理由相信,现有的气候模型能够用来模拟人为原因引起之气候变化的主要特征。这种信念来自于采用这些模型在模拟研究历史上气候变化方面所取得的成功。
如果大气层温室气体的浓度继续按照目前每年0?7%的比率增长,采用现有的一些重要气候模型对1990—2100年期间求出的气候变化“最佳预测”结果是:全球平均温度将大约上升2~C。这一预测结果已经考虑了气溶胶和海洋阻滞效应(delaying effects)对未来气温变化可能造成的影响。即使在2100年之内温室气体的浓度停止增大,海洋惯量的作用也会使地球表面和较低层大气的温度持续变暖l℃一2~C。这种变暖预测值的不确定性范围处于1℃一3.5C。注意,1℃的增幅也将超过过去10000年以来任何一个世纪的增温水平。这种变暖效应引发的另一后果,将会是增加热浪)的出现几率。例如,到了2050年,预计英格兰中部地区每隔3年就会出现1次如像1995年那样的炎热夏季;而在20世纪期间,则要每隔50年才会发生一次这样的酷热季节。
由于变暖效应而增大了的蒸发作用,将导致全球降雨量的增加,到2100年,预计增幅将处于3%一15%之间。尽管局部水平不是太确定,但对诸如欧洲南部和澳大利亚的一些地区,预期将会出现降雨量的减少现象。图10.8示出了采用具有高分辨本领的气候变化模型、对英国以及法国西北部地区分析得出的预测结果。图中,分别把到2020年与2050年期间的冬季平均降雨量表示为相对于1961—1990年期间平均温度变化值的百分比。在此期间,整个英国的冬季到处都非常潮湿;而且,到2050年,英国东南部的潮湿程度,还会再增大10%。
到2100年,预计地球平均海平面将升高大约50厘米。这一预期值具有很大的不确定性,其范围处于15—95厘米之间;而且,变动中的洋流也会在局部区域海平面引起远大于或者远小于全球平均值的改变。随着海平面变暖,其升高值的70%,系由海洋上层水域的热膨胀引起;而高山冰河的溶化,则占其升高值的20%。至于格陵兰和南极的冰岩席溶化作用,则被认为对于海平面的升高,没有重大贡献;因为这两个区域的大量降雪将能够补偿它们因溶化而失去的水分。随着变暖效应向海洋的更深层穿透,在表面温度平稳下来之后,海平面将会继续升得更高。
和风暴有关的未来发展趋势,现在还不清楚。目前,分划网格尺寸约为两度的气候模型,缺乏适合对热带风暴与飓风进行模拟研究的空间分辨本领,因此,不能做出有价值的长期预报。不过本文作者在10.3节提供的研究结果表明,至为止全球变暖现象并没有显著影响北半球热带气旋的发生频度。由于冬季逐渐边得更加温暖,暗示欧洲风暴天气出现的频度和强度,都会增加。一些模拟研究指出,整个英国北部冬季风速的回归周期正在
缩短,到了2100年,每秒18米的日平均风速就会从两年一次改变为一年一次。由于风暴很强劲,整个英国南部的回归周期生的变化很小。
对于未来洪涝泛滥前景的预测,是比较清楚的。在比较温暖的环境中,现有气候模型和强势、但不频繁的降雨量增大趋势,是互相吻合的。在许多地区,和低强度降雨的天数相比,高强度降雨的天数正在增多。这种降雨强度的变化,将导致洪水泛滥、大规模暴风雨以及冰雹风暴天气的发生。
我们能够改变气候变化的进程吗?在现阶段,我们实际上无法改变厄耳尼诺/拉尼娜现象引起的自然变化以及其他原因引起的逐年气候变化,但我们能够改变人类活动引起的全球变暖过程。1997年12月在日本京都市召开的会议上,一些工业化国家同意执行“联合国关于气候变化的协议”中削减温室气体排放量的条款:1900年削减5.2%;到2008年则削减12%。但这样的削减量对于延缓气候变化只有很小的作用。为了阻止大气中温室气体浓度的继续增大,需要把全球二氧化碳的排放量削减60%,才是合适的。