冰冻圈教学课件

冰冻圈教学课件第一章冰冻圈概述什么是冰冻圈？冰冻圈（Cryosphere）是地球表面所有永久或季节性冻结的水体总称，它是地球气候系统五大圈层之一这个巨大的冰雪王国覆盖了地球表面约10%的面积，储存着地球上约

68.7%的淡水资源冰冻圈的形成需要特定的气候条件温度长期保持在冰点以下，降水以雪的形式积累它不是静态的存在，而是一个动态系统，随着季节和气候的变化而不断变化着冰冻圈的主要组成部分冰冻圈由多个相互关联的组成部分构成，每一部分都在地球气候系统中发挥着独特而重要的作用了解这些组成部分有助于我们更好地理解冰冻圈的复杂性和重要性大陆冰盖与冰架山地冰川南极冰盖面积达1400万平方公里，厚度可超过4000米，储存着分布在喜马拉雅山、阿尔卑斯山、安第斯山等世界各大山系全地球上约90%的淡水格陵兰冰盖是北半球最大的冰体，面积约球约有20万条冰川，总面积约70万平方公里山地冰川是许多170万平方公里这些冰盖的融化直接影响全球海平面变化河流的重要水源，为全球约20亿人提供淡水资源海冰冻土和永久冻土层主要分布在北极海域和南极周边海域北极海冰面积在夏季最小时约为500万平方公里，冬季可达1500万平方公里海冰影响海洋环流和全球气候调节地球最大的淡水库南极冰盖储存着地球上约70%的淡水，如果全部融化，将使全球海平面上升约58米冰冻圈的全球分布冰冻圈在地球上的分布具有明显的地理规律性，主要受纬度、海拔高度和气候条件的影响理解这种分布模式对于预测气候变化的影响至关重要010203极地地区南极大陆高山地区北极圈内的海冰、冻土和冰盖构成了地球最大的南极大陆及其周边冰架形成了地球上最大的冰体高山冰川和雪盖分布在世界各大山系中，包括喜连续冰冻区域北极地区包括北冰洋海冰、格陵集中区南极冰盖分为东南极冰盖和西南极冰马拉雅山脉、阿尔卑斯山、洛基山脉、安第斯山兰冰盖、西伯利亚和北美的永久冻土带这里的盖，周围环绕着罗斯冰架、朗尼-菲尔希纳冰架等脉等这些地区虽然纬度不高，但由于海拔高度气温常年保持在冰点以下，形成了稳定的冰冻环巨大的冰架系统带来的低温条件，形成了重要的冰冻圈组成部境分第二章冰冻圈的形成与物理特性冰冻圈的形成是一个复杂的物理过程，涉及温度、压力、时间等多种因素的相互作用了解这些物理特性有助于我们理解冰冻圈的动态变化和演化规律冰川的形成过程冰川的形成是一个漫长而复杂的过程，需要特定的气候条件和足够的时间这个过程展现了自然界的神奇力量和精确的物理规律冰川冰形成粒雪形成阶段当粒雪的密度达到每立方米830公斤以上时，转变为冰川冰这个过程通常降雪积累阶段经过1-2年的压实和重结晶过程，雪花转变为粒雪（firn）粒雪的密度增加需要数十年到数百年时间冰川冰具有塑性，能够在重力作用下缓慢流在高纬度或高海拔地区，年降雪量超过融雪量时，雪花开始长期积累新到每立方米400-830公斤，冰晶颗粒变大，孔隙度下降这个过程中，空气动，形成我们所见的冰川鲜的雪花具有低密度（约每立方米100公斤）和高孔隙率的特征随着降雪被排出，结构变得更加紧实的持续，下层的雪受到上层雪的重量压迫冰川冰的物理特性•密度约每立方米900公斤•抗压强度5-10兆帕•流动速度每年几米到几百米•年龄可达数十万年冻土的定义与特征冻土是冰冻圈中一个极其重要但常被忽视的组成部分它不仅影响着北方生态系统的稳定性，还储存着大量的碳，对全球气候变化具有深远影响冻土的科学定义根据国际冻土协会的定义，冻土是指地面或海底温度持续保持在0℃或以下至少两年的土壤、岩石或任何含水地层这个严格的时间标准确保了冻土的相对稳定性冻土的分层结构冻土系统通常分为三个主要层次活动层（每年夏季融化，冬季重新冻结）、过渡带（部分融化的不稳定区域）和永久冻土层（常年保持冻结状态）活动层厚度通常在

0.5-3米之间，随纬度和气候条件变化温度特征碳储存甲烷释放永久冻土层温度通常在-5℃到-15℃之间，在极地地区可低至-20℃全球冻土储存约1700亿吨碳，是大气碳含量的两倍，主要为有机碳冻土融化时释放甲烷和二氧化碳，甲烷的温室效应是CO2的28倍以下气候敏感性警告冻土是气候变化最敏感的指标之一即使全球平均温度上升1-2℃，也可能导致大面积冻土融化，释放大量温室气体，形成正反馈循环，进一步加剧全球变暖海冰的形成与消融海冰是海洋表面冻结形成的冰层，它在调节地球能量平衡、海洋环流和全球气候方面发挥着关键作用海冰的形成和消融过程具有明显的季节性和年际变化特征初始冻结冰层增厚当海水温度降至约-

1.8℃时开始结冰，盐分被排除，形成相对纯净的海冰海冰通过底部冻结持续增厚，第一年海冰厚度可达1-2米环流影响夏季消融海冰消融改变海水盐度和密度，影响海洋环流模式春夏季节，太阳辐射增强，海冰开始从表面和边缘消融海冰对气候的重要影响海冰具有高反照率（约

0.7-

0.9），能够反射大部分太阳辐射，而开阔海面的反照率仅约

0.06因此，海冰消融会显著增加海洋对太阳能的吸收，导致进一步的升温和冰层融化，形成正反馈循环海冰还影响海洋与大气之间的热量和水汽交换冰覆盖的海面大大减少了蒸发，影响了局地和全球的水循环模式冰川如缓慢流动的塑料冰川在重力作用下表现出塑性流动特征，年流动速度从几米到数百米不等第三章冰冻圈与地球气候系统冰冻圈是地球气候系统的重要调节器，它通过多种机制影响全球和区域气候理解这些相互作用对于预测未来气候变化具有重要意义冰冻圈的反照率效应（Albedo）反照率效应是冰冻圈影响地球气候系统的最重要机制之一这种效应不仅影响局地气候，更对全球能量平衡产生深远影响冰冻圈对海平面影响冰冻圈的变化是导致海平面上升的主要因素之一不同类型的冰体融化对海平面的影响程度各不相同，理解这些差异对于预测未来海平面变化至关重要米米米毫米

587.

40.

43.2南极冰盖格陵兰冰盖山地冰川年平均上升如果南极冰盖完全融化，将导致全球格陵兰冰盖完全融化将使海平面上升全球山地冰川完全融化将贡献海平面21世纪以来全球海平面年平均上升速海平面上升约58米

7.4米上升约

0.4米度约

3.2毫米需要特别注意的是，不同冰体对海平面的影响机制不同陆基冰体融化海冰融化热膨胀效应大陆冰盖和冰川的融化直接增加海洋水海冰融化本身不直接影响海平面，因为海冰冻圈变化导致海水升温，热膨胀也是海量，导致海平面上升这是最直接的海平冰已经漂浮在水面上但海冰消失会改变平面上升的重要因素，约占总上升量的面上升机制海洋环流和热量分布40%沿海城市面临威胁到2100年，如果当前趋势持续，全球海平面可能上升

0.5-2米，将威胁到全球10%的人口，包括纽约、伦敦、上海、孟买等主要沿海城市冰冻圈与全球碳循环冰冻圈在全球碳循环中发挥着双重作用既是重要的碳储库，又在气候变化过程中成为碳源冻土融化释放的温室气体正在成为气候变化加速的重要因素冻土碳储库的构成全球冻土储存的碳主要来自数千年来积累的植物残骸和有机物在低温条件下，这些有机物分解极其缓慢，逐渐形成了巨大的碳储库北方永久冻土区储存的碳约为1700±200亿吨，其中约88%储存在永久冻土层中，12%储存在活动层中010203碳的历史积累融化释放过程正反馈循环形成在末次冰期和全新世期间，北方地区的植被死亡后在寒冷条件下缓慢分解，有机碳逐渐积累在土壤中并被冻气候变暖导致冻土温度上升，活动层加深，原本冻结的有机物开始解冻微生物重新活跃起来，开始分解这释放的温室气体进一步加剧全球变暖，导致更多冻土融化和碳释放这种正反馈循环可能导致气候变化失结保存这个过程持续了数万年，形成了今天庞大的冻土碳储库些有机物，释放二氧化碳和甲烷控，是科学家最担心的气候临界点之一北极海冰消融对比图2000年vs2025年卫星图像清晰展示了25年来北极海冰面积的显著减少第四章冰冻圈的变化与全球变暖全球变暖正在深刻改变着冰冻圈的面貌冰川退缩、海冰消融、冻土融化等现象在世界各地加速发生，成为气候变化最直观和最令人震撼的证据北极海冰消融速度惊人北极海冰的快速消融是全球变暖最显著的标志之一科学观测数据显示，北极正在经历前所未有的变化，这些变化不仅影响北极生态系统，还对全球气候产生深远影响40%13%50%夏季海冰减少年消失速度冰层厚度减少过去40年中北极夏季海冰面积减少幅度北极海冰面积每十年的减少百分比多年海冰平均厚度的减少幅度历史性记录不断刷新生态与气候影响2020年，北极海冰最小面积创下了历史第二低记录，仅为374万平方公里更令人担忧的海冰消失对北极生态系统造成严重冲击北极熊、海豹等依赖海冰生存的动物面临生存是，多年海冰（存在超过一年的海冰）几乎完全消失，现在的北极海冰主要由薄弱的一危机同时，海冰减少改变了海洋环流模式，可能影响全球天气系统年海冰组成海冰消失还开启了新的航道，如西北航道和东北航道，这既带来经济机遇，也引发了地科学家预测，如果当前趋势继续，北极可能在2050年之前出现夏季无冰的情况，这将是缘政治紧张和环境担忧300万年来首次出现的现象南极冰盖的动态变化南极冰盖虽然相对稳定，但在全球变暖的影响下也出现了显著变化不同区域的南极冰盖表现出不同的变化趋势，需要分区域进行详细分析东南极冰盖西南极冰盖南极半岛东南极冰盖相对稳定，甚至在某些地区由于降雪增加而略有增长这里的冰盖厚度大，对短期气候变化的西南极冰盖正在加速融化，特别是阿蒙森海和别林斯高晋海地区这里的冰盖底部接触海水，更容易受到南极半岛是南极变暖最快的地区之一，过去50年升温超过3℃拉森冰架的崩塌成为南极变化的标志性事响应相对缓慢海洋变暖的影响件西南极冰盖的融化对全球海平面上升贡献最大Thwaites冰川被称为末日冰川，因为它的完全崩塌可能导致西南极冰盖的连锁反应，最终使海平面上升3-4米山地冰川退缩实例山地冰川是气候变化最敏感的指标之一，世界各地的山地冰川都在经历前所未有的退缩这些变化不仅影响当地生态系统，还威胁着依赖冰川融水的数亿人的水资源安全喜马拉雅冰川阿尔卑斯冰川热带冰川消失喜马拉雅山脉拥有世界第三大冰储量，被称为阿尔卑斯山是欧洲的水塔，但其冰川正在快速消乞力马扎罗山的雪顶是热带冰川消失的典型案第三极过去40年来，喜马拉雅冰川面积减少失过去150年来，阿尔卑斯冰川体积减少了例自1912年以来，乞力马扎罗山的冰盖面积已了30%以上，每年损失约500亿吨冰印度河、60%以上著名的阿莱奇冰川每年退缩约30米，减少85%以上科学家预测，这座非洲最高峰的恒河、雅鲁藏布江等亚洲主要河流都发源于此，预计到2100年将失去90%的体积这将严重影响冰川将在2030年前完全消失，成为气候变化的又冰川退缩威胁着20亿人的水资源安全欧洲的水资源和水力发电一个悲剧性象征全球冰川退缩统计社会经济影响•全球冰川质量每年减少约2500亿吨•威胁20亿人的饮用水安全•冰川退缩速度在21世纪显著加快•影响水力发电和农业灌溉•约80%的观测冰川都在退缩•增加洪水和山体滑坡风险•小型冰川消失速度最快•旅游业受到严重冲击冻土融化带来的生态与社会影响冻土融化是气候变化最严重的后果之一，其影响远超出北极地区，对全球生态系统、基础设施和人类社会都造成深远影响这是一个正在加速的过程，需要引起全球关注基础设施破坏生态系统变化北极圈的道路、建筑物、管道和机场都建在冻土之上冻土融化导致地基不稳，建筑物倾斜、道路开裂、管道断裂阿拉冻土融化改变了北方森林和苔原的生态环境湿地干涸、森林火灾增加、植被类型发生变化同时，冻土中保存的古老病斯加的一些村庄被迫整体搬迁，俄罗斯西伯利亚地区的基础设施损失每年达数十亿美元毒和细菌可能重新释放，对现代生态系统构成潜在威胁温室气体释放社会经济损失冻土融化释放的温室气体量可能超过所有人类活动的排放总和预计到2100年，冻土融化可能释放1500-4000亿吨碳，相冻土融化的全球经济成本预计将达到43万亿美元这包括基础设施重建费用、农业损失、健康影响以及气候变化加剧的其当于过去250年所有化石燃料燃烧的排放量，将把全球升温推高

0.3-

0.8℃他经济损失北极地区的原住民社区首当其冲，他们的传统生活方式受到严重威胁全球变暖加剧冻土开始融化反馈加剧影响释放温室气体时间的见证者对比照片记录了气候变化的无声证据第五章极地科学探险与冰芯研究极地科学研究为我们了解地球气候历史和预测未来变化提供了宝贵的数据从早期探险家的勇敢探索到现代高科技研究手段，人类对极地的认识不断加深冰芯记录的气候历史冰芯是地球气候历史的完美档案，记录着数十万年来大气成分、温度、降水和火山活动的详细信息这些冰冻的时间胶囊为我们理解气候变化提供了无价的科学证据冰芯的形成与保存在极地地区，每年的降雪都会形成一层新的冰层，就像树木的年轮一样这些层次分明的冰层保存了当年的大气成分，包括温室气体浓度、火山灰、海盐颗粒等通过分析冰芯中的气泡，科学家可以重建古代大气的精确成分氧同位素比值反映当时的温度，而尘埃颗粒则揭示了古代的环境条件冰桥行动与卫星NASA ICESat-2现代科技为冰冻圈研究提供了前所未有的精确监测能力NASA的冰桥行动和ICESat-2卫星代表了当今最先进的极地观测技术，为我们提供了关于冰层变化的精确数据冰桥行动ICESat-2卫星数据处理自2009年以来，NASA每年派遣装载先进雷达和激光设备的飞机对格陵2018年发射的ICESat-2卫星使用先进激光高度计，每秒发射1万次激光每天产生的海量数据通过超级计算机处理分析，生成全球冰层变化地兰和南极进行详细测量，精确监测冰层厚度、冰川流速和海冰变化脉冲，测量精度达厘米级，能够精确追踪全球冰层高度变化图，为气候模型提供关键输入参数技术突破与发现国际合作研究这些先进技术让科学家发现了许多令人震惊的现象极地研究需要国际合作目前有30多个国家参与极地科学研究，共享数据和研究成果《南极条约》确保南极用于和平科学研究，成为国际合作的典范•格陵兰冰盖每年损失约2800亿吨冰•南极某些地区的冰层每年变薄超过4米•北极海冰厚度持续减少•冰川加速流入海洋的速度比预期更快极地探险家故事从早期探险家的英勇探索到现代科学家的精确研究，人类对极地的认识经历了从神秘到科学的转变这些勇敢的探险家和科学家为我们了解地球两极做出了巨大贡献困难只是让强者更强我们将永不放弃，永不放弃希望—欧内斯特·沙克尔顿1914年，沙克尔顿率领坚忍号南极探险队，船只被海冰困住22个月后被压碎在这场被称为历史上最伟大的救援行动中，沙克尔顿展现了非凡的领导力，最终拯救了所有28名船员早期探险时代现代科学探索19世纪末20世纪初是极地探险的黄金时代阿蒙森于现代极地科学家面临着不同的挑战他们需要在极端1911年首先到达南极点，斯科特的悲壮探险成为永恒恶劣的环境中操作精密仪器，进行长期观测气候变的传奇这些探险虽然技术条件有限，但为后续科学化使极地环境更加不可预测，科学家的安全风险增研究奠定了基础加北极探险同样充满戏剧性皮尔里和库克关于谁首先但现代技术也提供了前所未有的便利卫星通信、到达北极点的争议持续至今，而弗拉姆号的漂流实验GPS导航、先进的保暖装备使科学家能够在极地进行开创了海冰研究的先河更深入和持久的研究女性极地科学家现在越来越多的女性参与极地研究她们不仅在科研方面贡献突出，还在极地保护和国际合作方面发挥重要作用，成为极地科学发展的重要力量第六章冰冻圈保护与未来展望面对冰冻圈的快速变化，保护这个重要的地球系统组成部分已成为全人类的共同责任这需要全球合作、技术创新和政策行动的共同努力全球气候行动与冰冻圈保护保护冰冻圈需要全球协调一致的气候行动《巴黎协定》设定了将全球升温控制在

1.5℃以内的目标，这对冰冻圈保护至关重要即使这样，我们仍将面临显著的冰冻圈变化减排行动能源转型快速削减温室气体排放是保护冰冻圈的根本措施向可再生能源转型，减少对化石燃料的依赖国际合作适应策略加强国际协调，共同应对全球性挑战制定适应冰冻圈变化的社会和经济策略关键行动领域挑战与机遇碳中和承诺已有130多个国家承诺到2050年实现碳中和，这将大大减缓冰冻圈变化的速度技术挑战需要开发更有效的碳捕获技术、可再生能源技术和极地保护技术北极保护《北极理事会》等组织致力于保护北极环境，制定可持续发展政策经济转型从化石燃料经济向绿色经济转型需要巨额投资和政策支持南极保护《南极条约》的延续和《南极环境保护议定书》确保南极继续用于和平科学研究社会适应帮助受冰冻圈变化影响的社区适应新环境，特别是北极原住民社区科技创新助力冰冻圈研究科技创新正在革命性地改变我们研究和保护冰冻圈的方式从人工智能到量子传感器，新技术为冰冻圈科学开辟了前所未有的可能性人工智能应用AI技术用于分析卫星图像，自动识别冰川边界变化、海冰分布和冻土状态机器学习算法能够处理海量气候数据，发现人类无法察觉的变化模式，提高气候预测的准确性无人机监测先进的无人机装载高分辨率摄像头、激光雷达和热成像设备，能够深入危险的冰川裂缝和海冰区域进行详细测量长续航无人机可以连续监测数天，获得连续的观测数据量子传感技术量子重力仪能够探测地下冰层和冻土的微小变化，精度比传统方法提高1000倍这项技术为理解冻土融化的深层机制提供了新的可能性超算模拟新一代超级计算机能够运行更复杂的地球系统模型，将大气、海洋、冰冻圈和生物圈耦合在一起，提供更准确的气候变化预测创新监测系统预测技术进展新的监测网络正在建立，包括自动气象站、海底传感器、冰层钻数字孪生技术正在创建地球冰冻圈的虚拟副本，科学家可以在虚孔监测仪等这些设备能够在极端环境中长期工作，实时传输数拟环境中测试不同的气候情景，预测冰冻圈的未来变化据深度学习算法能够从历史数据中学习复杂的气候模式，提高长期物联网技术使得分布式传感器网络成为可能，数千个微型传感器气候预测的准确性可以覆盖广阔的极地区域，提供前所未有的空间分辨率冰冻圈地球的白色守护者全球影响未来责任冰冻圈变化影响全球生态与人类生保护冰冻圈就是保护我们的未来，这活，从海平面上升到极端天气，无一需要全球合作和每个人的参与不与我们息息相关行动号召让我们共同关注，积极行动，为后代留下一个美丽的冰雪世界感谢您的学习！愿我们都能成为冰冻圈保护的倡导者和实践者。