气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性

2022-6-24 07:20:09

气候、物质、生命和经济建模中时间尺度的多样性*BERNHELM BOOSS–BAVNBEK+，RASMUS K.PEDERSEN+，ULF R.PEDERSEN+摘要。本主题回顾交流了有关过程多重性交互的工作经验。我们的经验来自气候变化建模、材料科学、细胞生理学和公共卫生以及宏观经济建模。我们回顾了近年来在宽带时频采样、多尺度建模和复杂系统的快速大规模数字仿真方面取得的惊人进展，但也看到了许多基于科学的结果的持续不确定性。我们描述和分析了依赖于测量时间尺度的特性；结构失稳；引爆点；阈值；滞后现象；具有失控、稳定或延迟的反馈机制。我们指出，当忽视多特征时间的存在或出现时，在统计抽样、观察结果的解释和控制设计方面会出现严重的迷失方向。我们解释了这些工作经验可以为环境研究证明什么。关键词。宽带时间频率测量、反馈、滞后、极限环、多尺度建模、结构不稳定性、阈值、临界点原子治疗化学分类系统ATC代码A10经济文献杂志代码JEL E32AMS主题分类。初级34E13、93A15、93C70；次级82D30、86A10、91B55、92C301。介绍众所周知，特征时间长度之间的差异给数学建模、统计采样和数值模拟带来了困难。

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2022-6-24 07:20:12

在过去的三十年中，这些难题中的许多已经被高宽带时间频率观测、复杂系统的多尺度建模以及快速大规模科学计算和数值模拟方面的惊人进步所克服。数学、科学和设计界的这些进步令人印象深刻，但我们担心，环境研究中可能缺乏对多尺度方面的重视，相应地，公众对气候、环境、公共卫生和经济挑战的反应中特征时间之间的差异知识不足。忽视问题的多尺度方面可能会在分析和预测趋势、设计对抗、缓解和/或适应手段以及传达威胁和解决方案方面产生误导，请参见第6.1.1节中的结论。政治科学化和科学政治化——胜利与陷阱。多年来，复杂系统的定量测量、科学理论、数学模型和数值模拟激发了环境管理和现实世界许多其他领域的决策。他们阐述了假设的后果、证实或反驳的偏见，并通过设计新方法和替代手段、程序和设计，偶尔扩大决策者的观点。他们的启发价值是无可争议的。*于2020年1月31日举行ARXIV。资助：这项工作得到了CIRCLES-ROSKILDE大学循环经济和可持续性跨学科研究和教育中心的支持。+丹麦罗斯基尔德大学科学与环境系，邮箱260，DK-4000，罗斯基尔德，BOOSS@RUC.DK，HTTPS://ORCID。ORG/0000-0002-8865-7298，RAKRPE@RUC.DK，HTTPS://ORCID。组织/0000-0001-5946-8220，URP@RUC.DK，HTTPS://ORCID。组织/0000-0003-2567-555X。2 B.布斯-巴夫贝克，R。

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2022-6-24 07:20:15

K、然而，最近，我们目睹了生态和其他复杂系统决策的科学（“Verwissenschaftlichung”），其中收集了大量数据、断言的理论、复杂的数学模型、广泛的统计回归和时间序列分析，当面临紧急需求和/或公众压力时，巨大的数值模拟往往会做出影响深远的决定。科学的论据导致了所谓的必要性。这一趋势已在许多不同领域表现出来：宏观经济决策（税收和社会保障法规等）、公共卫生（疫苗接种、早期诊断和预防计划）、环境管理（如渔业配额和富营养化恢复），以及可能最直言不讳的气候变化缓解和适应（如巴黎协议）。可以理解，人们对人口群体的既得利益和普遍偏见产生了对基本模型、模拟、预测和处方的客观性和可信性的怀疑，并对其具有误导性表示遗憾。他们指责复杂的数学模型和大型数值模拟是为了隐藏政治议程而设计的社会结构。同样可以理解的是，对于多年来的一场运动来说，基于科学的条款的支持者根据所谓的不可批评的科学的权威行事，这可能会令人痛惜，因为这场运动具有误导性，难以持续。11月30日至12月12日的巴黎协定。2015年给出了一个将温室气体排放量与全球温度挂钩的例子：“将全球平均温度的升高控制在以下oC通过将排放量减少到400亿吨而超过工业化前水平“[1，第1/CP.21号决定，第17条]。

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2022-6-24 07:20:18

显然，对195个人类成因强迫状态的正式承认是认真对待气候研究人员警告的一个重大进步。然而，有人可能会担心，假设排放量和温度之间存在明确的可量化和定义的联系，这表明估计的可信度比可用数据高得多，现有理论和计算机模拟可以保证此类预测。更糟糕的是，这可能表明，在强制要求扭转这些趋势时，有一种巨大的隐藏的科技力量值得信赖。事实上，过量的排放正在为大气和气候变化研究人员提供实时陆地实验中的大量新数据。年轻的瑞典气候活动家葛丽塔·桑伯格（GretaThunberg）在联合国会议开幕式上告诉世界领导人时，可能无意中引发了类似的担忧“30多年来，科学已经非常清楚……有67%的几率保持在全球气温上升1.5度以下，这是IPCC给出的最大概率，2018年1月1日，全球有4200亿吨二氧化碳排放。”这是一个很好的警告，但如果气候变化研究人员知道的比他们知道的多得多的话，这也是一种误导。政治科学化的胜利导致了科学的政治化，科学家们被诱惑和哄骗来提供图表和方向，而他们应该反对对所选定量数据、复杂数学模型和不透明的利维坦数值模拟的天真信念，以及对否认基本理论和确凿证据的信息不足的怀疑进行反驳。环境、气候、健康和经济变化的统计抽样、数学模型和数值模拟得到了公众的高度关注。

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2022-6-24 07:20:21

相应的科学政治化也有其自身的缺陷：例如，地球物理学家和气象学家已经离开办公室和实验室，成为传播者，有时违背他们的意愿，成为舆论领袖。他们的模型可以沿着三个轴进行呈现和感知：气候、物质、生活和经济3直观的暗示与反多重时间尺度；现实与幻想；基于科学与推测。作为公众日益关注的焦点，作为意见领袖，他们有义务克制自己的专业想象力和作为科学家的怀疑态度，坚持广泛的令人信服的论据、广泛接受的事实和保守、冷静的估计。虽然我们中没有人是大气物理学家，也没有人活跃在气候建模的其他领域，但在本文中，我们可以自由地专注于反直觉，批评过于简单的现实感知，开放基于简单透明数学模型的推测（见第2.1小节），以及我们对物质的工作经验，生命与经济（见第3至5节）和reachbeyond保守估计。1.2. 本文的结构。在第二节中，我们指出了包括建模在内的多个时间尺度，并给出了智人与地球系统动态相互作用的玩具模型。我们回顾了基本的数学概念，以解释具有不同特征时间尺度的多个过程相互作用的最终结构不稳定性，以及专家-公众沟通中的相关挑战。在第3节中，我们介绍了材料科学的一个典型的多尺度示例，并仔细研究了粘性材料液体动力学计算机模拟中出现的多个时间尺度。

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2022-6-24 07:20:24

对我们来说，这个案例提供了多重时间尺度出现的最基本和最引人注目的例子。本案例旨在通过指出特征时间的多样性的普遍性以及关注这些时间的指挥需要，支持环境和能源管理中心态的持续变化。在第4节中，我们总结了生命科学的两个多尺度示例。我们强调了活组织中统计取样的挑战，在活组织中，根据时间步长的选择，可以看到不同的过程。我们进一步研究了血液生成和某些血癌发展以及胰腺β细胞双相胰岛素分泌的建模和计算机模拟。对于公共卫生中有意义的特征时间尺度选择的决定性作用，请参考有关传染病建模的文献。在第5节中，我们总结了资本主义宏观动力学的典型多尺度例子，并仔细研究了长期KondratievSchumpeter波的经验数据和嵌入凯恩斯主义短期商业周期的数学模型。

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2022-6-24 07:20:27

正如在社会系统研究中一样，观察的解释可能取决于，也可能不取决于预设的理论感知或政治目标的应用。在第6节中，我们总结了我们的发现，并就科学、沟通和政治挑战勾勒出一个结论。在附录A中，我们讨论了公众对最基本的多尺度方面的忽视，如多个时间尺度的出现。在每一节中，我们区分（i）局部多尺度问题，其中主要宏观模型必须由微观模型补充，仅限于局部缺陷；二全球多尺度问题，例如，重复的小扰动和反馈可能对全球稳定或不稳定起决定性作用；（iii）演变中的多尺度问题，其中没有需要考虑的模型和尺度的多样性，时间尺度的多样性是动态的一部分。我们提供了具有多个时间尺度的复杂系统的简单显式数学模型，例如，耦合的普通微分方程的简单系统。通过这种方式，我们希望让人们熟悉拥有两个或更多特征时间的反直觉效果。4 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSEN这篇论文是2018年11月28日至29日在联合国哥本哈根市举行的国际可持续性转型会议上发表的综述的扩展版本，可访问http://dirac.ruc.dk/~urp/2018/timescales/oral/。时间尺度和气候变化建模。2.1. 具有两个特征时间尺度的数学玩具模型。2.1.1. 智人与地球系统的动态相互作用。在图1中，我们通过一个关于智人与地球系统动态相互作用的三室玩具模型来可视化挑战。

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能者818

2022-6-24 07:20:31

面对向可持续性转变的严峻任务，关于多时间尺度的技术讨论可能显得相当抽象。谁在乎它们是否存在，是普遍的还是特殊的，是不可避免的还是可以避免的？下面的玩具模型将说明当我们不知道可能的多个时间尺度时，我们可能会做出多大的妥协。通用公共地球系统干扰科学社区-ymFig。1、以平均大气温度T为输出变量的地球气候系统隔间模型，受自然干扰和人为强迫u的影响，由公众在启蒙和政治e的指导下生成，这是在投资者利益r和基于科学的数学建模和模拟ym之间的斗争中形成的。粗略地说，向可持续发展的转变涉及三个部分，即地球系统和智人、公众和科学界的两个部分。车厢地球系统的变化既受控制车厢公众的人为强迫u的影响，也受自然强度的影响，从而产生一个输出变量，这里称为T型温度。为了简单起见，我们这里假设地球系统的状态可以用一个单变量（T）来表示。产出由科学界第三部门进行衡量和分析。隔间公众的活动基本上由箭头e决定，表示启蒙运动和政治。它起源于一个节点，在这个节点上，通过基于科学的数学建模和对科学测量和公共经验的解释，一方自发的、意识形态上或商业上的巨大影响与另一方的影响之间存在着持续的斗争。2.1.2. 公众和科学界之间意识能力不同的情景。

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2022-6-24 07:20:34

对于我们的玩具模型，我们认为公众和科学界对于输出变量T：=年平均地球温度有着截然不同的认知能力。通常，“普通人”会感受到T的巨大变化，媒体和气候、物质、生活和经济的时间尺度的多重性5教育通常会强调，用数学术语T=ddtT，T的第一个导数。人们会关注不断增长的变化率，而减少变化的忘恩负义者往往会被视为一种放松，即使是在出现积极变化的时候。相反，在数学和科学中，我们会认为输出变量T的持续增加是非常令人担忧的，即使增长率应该下降。令人担忧的原因是，各种反馈回路（如反照率降低和温度升高导致天然甲烷释放增加，见下文）可能会迫使我们的输出变量走上截然不同的轨迹。另一方面，我们知道，例如，重量为1个大气的大气的热容【在】×面积，大约等于平均深度约为4000米的海洋的10米水（重量大致相同）的热容。因此，大气和海洋之间有很大的热交换空间。这种热交换依赖于海洋中缓慢且不太好的阻力。

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能者818

2022-6-24 07:20:37

因此，我们可以说，从长远来看，地球系统可以处理人为的温度强迫。然而，“非常长的运行时间”有多长？其他已知的反馈机制又如何？最近对海洋热量的测量表明，实际上，大约93%的辐射能量不平衡（由于人为排放）随着海洋热含量（OHC）的增加而累积在海洋中，参见【3】和【4】报告了最近完成的3000个深水温度计全球网格的测量结果，以及可能有争议的【5】使用海洋变暖排放OA和CO，这可以与人类生态学家任务和COsinks的直接影响隔离开来，以独立估计1991年后OHC随时间的变化。这意味着，除其他外，目前我们只看到地球表面气候变化问题的7%。2.1.3. 不同类型的模型可信度和不确定性。很明显，不准确或无法访问的数据是产出变量未来路径以及不同可持续性转化方式和水平的影响的主要不确定性来源之一。在数学建模和仿真中，这种不确定性被称为任意性。原则上，正如J.Behrens[6，p.286]所强调的那样，传感器网络和研究方面的高投资可以减少这种影响，但正如前面第2.3.2小节所解释的，这种影响很难完全消除。与此相反，上述模型的不确定性很难降低，因为可能存在许多不同的特征时间尺度，例如，一个用于日/年尺度上的辐射强迫，另一个用于世纪或千年尺度上的各种反馈回路。只是有不同的政权，而且还不清楚哪个政权占主导地位以及统治多长时间。

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能者818

2022-6-24 07:20:40

这种不确定性被称为认知的，因为正如贝伦斯提醒我们的那样，“模型的不确定性是通过将自然简化为自然规律来理解自然的过程中固有的。”这对于气候变化建模来说尤其如此，波普尔的错误定位方法论要求无法满足：根本没有对决定性的大气、陆地和海洋过程及其在相关尺度上的相互作用进行实验或观测。我们只有一些具有不同来源参数的数学模型。一些参数是（i）可靠的世界常数，直接源自物理第一原理；有些是（ii）在实验室中可测量的；但有些是（iii）从某种程度上可用的数据序列到选定的不确定方程组的估计。对于（i）和（ii），这种情况是多尺度建模和仿真的典型情况。偏差来自（iii）。6 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENFig。2、具有多个时间刻度的地球温度，改编自[7]，摘自https://commons。维基媒体。org/wiki/File：所有古生物。svg，根据知识共享属性共享3.0未导入许可证进行许可https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/To举个例子：1996年，美国和俄罗斯达成了一项协议（非正式协议，但自那以后，除印度、巴基斯坦和朝鲜外，所有核大国都遵守该协议），以停止所有核试爆。根据核工程师M.F.Horstemeyer[8，第1.3节，第4f页]的证词，他们可以这样做，因为即使是最抽象的核武器多尺度模拟及其方程，气候、物质、寿命和经济7和常数的时间尺度多可用性也可以对照之前的大规模试验观测进行检查，另见下文第6节的注释。像C。

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2022-6-24 07:20:43

萨根和地质学家及地球物理学家主张使用丰富的行星和古生物学数据来检查行星气候变化的方程式和常数；显然，到目前为止，地球气候建模还没有实质性进展。当然，回顾地球历史的早期可能有助于想象2030年、2050年或2100年人类世温室气体持续过度排放的可能结果，正如K.Burke及其合作者在[9，摘要]中所解释的那样：“过去的地球系统状态为未来几十年的暖化世界提供了可能的模型系统（我们的重点）。其中包括始新世早期（约50 Ma）、上新世中期（3.3–3.0 Ma）、末次间冰期（129–116 ka）、中全新世（6 ka）、前工业时代（约1850 CE）和20世纪的气候状态。”另请参见图2。尽管对在科学文献中传播反乌托邦观点持所有可取的保留意见，但在过去和未来气候之间进行对比肯定是值得的。然而，我们同意美国国家大气研究中心的项目科学家F.Lehner对Burke的研究发表的评论【10】，即许多不确定性使得重建和理解水气候变化具有挑战性，即使是在过去1000年中。

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kedemingshi

2022-6-24 07:20:46

正如我们的表1所示，对我们来说，专业的观点是要意识到假设的几年（12年、30年或100年）之间的巨大时间尺度差异，以释放能够使地球系统恢复到上新世中期温度的机制，以及地球系统在之后可能需要数百万年才能恢复到与现在类似的气候。在本文的框架内，我们的主要数学结论不一定是相信现有的气候变化数学模型，因为缺乏更好的替代模型，而是o坚持既定的智慧，即我们分别非常了解基本的大气、陆地和海洋过程，o指出存在多个时间尺度，以及o为科学界和公众的心态进行相应的改变。2.2. 两种特征时间尺度的出现——教科书中的一个例子。我们总结了处理地球系统多个特征时间长度的沟通挑战（见表1），即1。处理那些在短时间内没有预期那么可怕的情况，2。防范可能引发连锁反应的情况，这种连锁反应可能会使温度在很长、很长的时间内不可阻挡地进一步升高（如笼形枪假设，见下文第2.3.2小节），以及3。扭转当前政治意图和行动之间的不平衡，现实世界的数据领先于现实世界的意图。2.2.1. 一个简单的Landau–Langevin结构失稳模型。一个简单的二维数学模型，灵感来自赫希和斯梅尔[11，p。

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2022-6-24 07:20:49

203f]并且很容易在实验室用Landau Langevin Diffusion演示，说明了方面（1）和（2）：在图3中，我们将图1中的当前地球系统描述为两个变量的动力系统，即全球平均温度T（水平轴，横坐标）和通用控制参数α（垂直轴，纵坐标）。我们设想该系统受到广泛的地球物理定律的制约，8 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENFig。3、水平曲线为V（T，α）=T（T）的动力系统- 1） +α，梯度线f（T，α）=- V级（T，α）和（0，0）和（1，0）的井代表相对稳定和相对温和的当前气候，以及可能触发和相对稳定的未来热层。另请参见图5，其中有一个简单的Landau–Langevin模型和我们在http://dirac上的模拟。中国人民大学。丹麦/~urp/2018/timescales/oral/此处由单个聚合电位的水平曲线V（T，α）=T（T- 1)+ α.倾斜图8的水平曲线为V-1(). 绘制的梯度线表示动态系统（t，α）=-梯度V（T，α），鞍点位于（，0），介于（0，0）和（1，0）的两个稳定平衡之间。阈值线x左侧的轨迹=倾向于（0，0）（如t→ +∞)与我们的短期预期一致，即通过转变为可持续性，应该有可能恢复到良性气候平衡（0，0）。然而，向右的轨迹倾向于（1，0），这可能表明远离当前温度的热床，受到强烈的内部反馈机制的影响，超出了人类的控制范围。在这个简单的模型中发生的最糟糕的事情是，我们习惯了乐观的人类管理的有效短期机会，这是H。

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2022-6-24 07:20:53

罗斯林（Rosling）[12]，但没有注意到阈值的接近，愚蠢地滑过阈值，进入一个过程在更大的时间尺度上接管这项工作的区域，因此一开始不容易注意到，但这将是长期地球周期不可逆转的，对人类有害甚至致命。气候、物质、生命和经济的时间尺度多样性92.2.2。假设气候轨迹之间的跳跃。诚然，这只是一个简单的二维模型，用来说明两个特征时间尺度的出现。这是一个玩具模型，如图1所示，是从教育的角度设计的。然而，令人遗憾的是，一些（不一定具有代表性，也可能不够全面）对气候轨迹的地球物理调查产生的结果从质量上让我们想起了图3，参见最近的图4【13】。我们引述：目前，地球系统正处于温室-地球路径上，由人类温室气体排放和生物圈退化驱动，在~ 2.oC、除此之外，系统遵循内在生物地球物理反馈驱动的基本不可逆路径。另一条路径通向稳定的地球，这是一条地球系统管理的路径，由人类创造的反馈引导到一个准稳定的、人类维持的吸引盆地。“稳定性”（垂直轴）在此定义为系统势能的倒数。处于高度稳定状态（deepvalley）的系统具有较低的势能，将其移出这种稳定状态需要相当大的能量。处于不稳定状态（山顶）的系统具有很高的势能，它们只需要少量的额外能量就可以将其推离山丘并朝着低势能的方向下降。图4：。

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2022-6-24 07:20:55

稳定性景观显示了地球系统走出全新世和全新世，走出冰川-间冰期极限循环，并在更热的人类世达到目前位置的路径。图3中的岔路口在这里显示为未来地球系统的两条不同路径（折断的箭头）。来自Steffen及其合著者【13，图2】，根据知识共享署名非商业性NoDerivatives许可证4.0（CCBY-NC-ND）发布的开放存取文章。10 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSEN 2.2.3。不可逆性和滞后性方面。因此，我们的简单数学玩具模型类似于[13]中描述的系统。如上所述，它说明了手头的时间尺度问题。在一维温度系统T中，参数α取决于温室气体的人为排放水平。对于α=0，该系统具有两个相同稳定性的最小值，但温度不同，且T<T。这在图5的左面板中显示为一条完整的蓝线。对于较大的α，两个极小值中的稳定性开始变化，使得高温极小值变得更稳定（增加势垒高度以恢复到较低的温度平衡），而低温极小值变得稳定（降低势垒高度以过渡到较高的温度平衡），并最终平滑并消失，如图中的红色虚线所示。在这个玩具模型中，随机性模拟可以说明地球温度的可能发展以及相应的稳定性。地球的温度根据朗之万动力学（见第3.2小节）进行移动，温度的时间导数随稳定性的电流梯度发生小的随机跳跃，参见，例如，【14，Ex.8.26】。

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2022-6-24 07:20:58

有了这样一个系统，地球的温度可能会保持在接近当地最低温度的水平，尽管在短时间内可能会发生微小的变化。在图5的右侧面板中，显示了一个示例，其中初始温度接近最低温度稳定性。在图中表示变化的时间点，α参数开始随时间线性增加（在图中，轨迹颜色随α值变化）。这一变化意味着地球系统中大规模的人类干预导致了温度稳定性景观的变化。在模拟中，超过临界点增加α最终导致地球从低温盆地移动到高温盆地。图5中地球温度轨迹的意义在于温度的突然变化（无可否认，这只是臆测的，目前的气候学水平既不能证明也不能预测）。虽然在低温极小值附近，短时间尺度上的振荡有些不明显，甚至在α开始随时间增加时，似乎也没有特别的警报原因。然而，在这本教科书的模型中，突然间，稳定势中间的隆起被越过，温度继续不受控制地上升，直到达到高温盆地。此外，逆转人为问题，例如设置α=0，不允许稳定返回到原始状态。事实上，为了逃离高温盆地，α将变为负值，从右向左穿过隆起。回归不仅需要阻止人为导致的α增加，还需要积极的作用来产生相反的影响，从而产生负的α。

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2022-6-24 07:21:01

这一现象类似于弹性变形的滞后现象，从环境研究中可以看出，当压力超过给定阈值时，系统的变形/退化几乎立即发生，而在松弛状态下恢复到之前的状态则在更大的时间尺度上发生（如果有的话）。2.3. 气候变化建模中的多时间尺度。2.3.1. 对地球稳定性景观的历史洞察。地球是在45亿年前形成的。由于晚期构造，地球历史的许多细节都丢失了。然而，有地质证据表明，在气候、物质、生命和经济的时间尺度的稳定性多重性方面，气候与地球主要位于冰河期盆地（图4中的蓝色盆地）的最近地质时期的气候有很大不同11图。稳定性对温度的依赖性说明。左侧面板显示α=0时的高稳定电位（蓝色曲线）和T失去稳定性时的修正电位（红色虚线曲线）（见正文）。右侧面板显示了一个典型的Langevin模拟，最初α为零。在给定时间（注意到变化），参数α开始随时间增加。注意，在这个模型中，在大腿处跌入水池后，即使将电位从红色反转为蓝色，也不允许从大腿处返回到TLOW。景观气候演变为较短的暖期，人类最终发展为文明（图4中的红色盆地）。随着人类对气候的巨大影响，我们不禁要问：地球的气候会有多大的不同？通过简要讨论地质学中的两个例子，我们了解到地球可以有广泛不同的气候，反映出稳定景观中的几个盆地。示例A.雪球地球。

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nandehutu2022

2022-6-24 07:21:05

想象一下，在地球上，冰川从两极一直延伸到赤道。这一假说被称为“雪球地球”，由J.Kirschvink在一篇简短且信息丰富的论文中提出。根据不完整和不完善的岩石记录所要求的保留意见，地质学家认为地球处于一个循环中，大约在7亿年前，冰盖了地球好几次。冰的反照率效应（冰盖上的光反射，见下文第2.3.3节）是一种反馈机制，可以稳定地球处于这种寒冷状态。然而，二氧化碳也可能起到了至关重要的作用，有趣的是，这一时期以寒武纪爆发结束，在那里，多细胞生命似乎不多。这种生命的爆发表明二氧化碳的产生量增加，使地球脱离了寒冷状态——正好在温度进一步下降之前，最终会结晶并释放二氧化碳，使地球处于永久冻结状态。地质学家和古生物学家有证据表明，地球经历了温室效应加速和反照率反馈周期之间的振荡，消灭了地球上的大多数生命，从而为新型生命的发展创造了窗口，但迄今为止，每一个都有一个转折点，即对立的12 B.BOOSS–BAVNBEK，R.K.PEDERSEN，和U.R.PEDERSENTable 1气候变化的特征时间尺度：人为排放发生在活跃的自然碳循环之上，该循环将碳在大气、海洋和陆地生物圈的储层之间循环，时间尺度从亚每日到千年，同时反转笼形图（见下文），与地质储层的交换发生在更长的时间尺度上[15]。反馈机制可能会接管。

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2022-6-24 07:21:08

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。

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何人来此

2022-6-24 07:21:11

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。

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2022-6-24 07:21:14

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。

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2022-6-24 07:21:17

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。

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2022-6-24 07:21:20

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）。

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2022-6-24 07:21:23

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）。

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2022-6-24 07:21:26

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。

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