生物地球化学循环 计算机交互式研究地球系统科学与全球变化PDF电子书下载

第1章 生物地球化学循环及其在地球系统中的作用 1

1.1 引言 1

1.2 开放循环与封闭循环 2

1.3 我们为什么关心生物地球化学循环？ 4

1.4 我们应该研究哪些元素？ 5

建议阅读 7

第2章 化学热力学原理 8

2.1 引言 8

2.2 基本要点 8

2.3 酸－碱平衡 12

2.4 相变 17

2.5 平衡在CO2-H2O-Ca系统中的应用 17

2.5.1 纯碳酸系统 18

2.5.2 碳酸钙系统 20

2.6 氧化还原性质 24

2.6.1 价态 24

2.6.2 氧化还原半反应 26

2.6.3 氧化还原平衡 28

2.7 pe-pH稳定性图 29

2.7.1 水的pe-pH稳定性图 31

2.7.2 简单硫系统的pe-pH稳定性图 32

2.7.3 pe-pH稳定性图中的亚稳态边界 35

2.8 结论 36

建议阅读 36

习题 37

第3章 地球系统 38

3.1 引言 38

3.2 水圈 40

3.2.1 海洋底部 40

3.2.2 海洋的物理性质 41

3.2.3 海洋化学 42

3.2.4 海洋年龄——一个悖论？ 44

3.3 岩石圈 46

3.3.1 地壳中的岩石和矿物质 47

3.3.2 板块构造学说 48

3.4 大气圈 50

3.4.1 大气的组成 51

3.4.2 大气的物理性质 53

3.4.3 大气风与湍流混合 55

3.5 生物圈 57

3.5.1 新陈代谢过程 57

3.5.2 生物圈的组成 60

3.5.3 初级生产 63

3.6 结论 64

建议阅读 67

习题 67

第4章 生物地球化学循环的数学模拟 69

4.1 引言 69

4.2 线性箱式模型 70

4.3 简单的例子：生物地球化学大学－世界循环 70

4.3.1 C1，世界的人数 71

4.3.2 C2，大学的人数 72

4.3.3 k2→1，从大学到世界的转移系数 72

4.3.4 k1→2，从世界到大学的转移系数 72

4.4 运用微分方程模拟大学－世界循环 73

4.4.1 第一组解 75

4.4.2 第二组解 75

4.4.3 完全一般解 76

4.4.4 例1：稳态解 76

4.4.5 例2：大学创立时期的初始状态 77

4.4.6 例3：扰动试验 77

4.4.7 小结 78

4.5 生物地球化学循环中的特征值和特征向量解法 80

4.5.1 含N个储库的一般问题 80

4.5.2 用向量矩阵形式设立问题 80

4.5.3 特征值和特征向量问题一般解的获取 82

4.5.4 应用初始条件获得特定解 84

4.5.5 特征值和特征向量方法小结 84

4.6 运用BOXES模拟生物地球化学循环的方法 85

4.7 结论 86

建议阅读 87

习题 87

第5章 全球磷循环 88

5.1 引言 88

5.2 磷的氧化还原性质 90

5.3 磷循环的生物地球化学反应 91

5.3.1 磷循环与生物圈的耦合——光合与呼吸 91

5.3.2 磷循环与岩石圈的耦合——沉积与风化 92

5.4 磷的循环 93

5.4.1 C1：沉积物储库 94

5.4.2 C2：陆地土壤储库 94

5.4.3 C3：陆地生物储库 94

5.4.4 C4：海洋生物储库 94

5.4.5 C5：表层海洋储库 95

5.4.6 C6：深层海洋储库 95

5.4.7 F2→1：陆地土壤储库到沉积物储库流量 95

5.4.8 F2→3：陆地土壤储库到陆地生物储库流量 95

5.4.9 F3→2：陆地生物储库到陆地土壤储库流量 95

5.4.10 F2→5：陆地土壤储库到表层海洋储库流量 95

5.4.11 F5→4：表层海洋储库到海洋生物储库流量 96

5.4.12 F4→5：海洋生物储库到表层海洋储库流量 96

5.4.13 F→6：海洋生物储库到深层海洋储库流量 96

5.4.14 F5→6：表层海洋储库到深层海洋储库流量 96

5.4.15 F6→5：深层海洋储库到表层海洋储库流量 96

5.4.16 F6→1：深层海洋储库到沉积物储库流量 97

5.4.17 F1→2：沉积物储库到陆地土壤储库流量 97

5.4.18 建立矩阵K 97

5.5 运用BOXES研究磷循环 97

5.5.1 试验1：验证稳态模型 98

5.5.2 试验2：人为活动的影响 99

5.5.3 试验3：光合作用加倍 100

5.6 结论 102

建议阅读 102

习题 103

第6章 全球碳循环 104

6.1 引言 104

6.2 碳的氧化还原性质 108

6.3 工业化前碳的全球生物地球化学循环 110

6.4 人为排放的影响及其“留存大气比例” 112

6.4.1 运用BOXES模型进行简单模拟 112

6.4.2 BOXES模型的“准非线性”模拟 114

6.5 人为干扰的持续性 121

6.6 结论 122

建议阅读 123

习题 123

第7章 全球硫循环 124

7.1 引言 124

7.2 硫的氧化还原性质 125

7.3 硫循环中的重要生物地球化学反应 127

7.3.1 黄铁矿（FeS2）的形成与风化 129

7.3.2 石膏（CaSO4·2H2O）的形成与风化 130

7.4 工业化前的全球硫循环 131

7.5 数值试验1：二叠纪时期石膏沉积物增加的模拟 133

7.6 数值试验2：人为干扰的影响和持续性 136

7.7 结论 138

建议阅读 139

习题 139

第8章 全球氮循环 141

8.1 引言 141

8.2 氮的氧化还原性质 143

8.3 氮循环的关键生物地球化学反应 145

8.3.1 氮的固定——生物固氮与非生物固氮 145

8.3.2 氨的同化或光合作用 146

8.3.3 同化硝酸盐的还原 147

8.3.4 氨化或矿化 147

8.3.5 硝化 147

8.3.6 氨的挥发 148

8.3.7 大气化学 148

8.3.8 反硝化 153

8.4 工业革命以前的稳态氮循环 153

8.5 数值试验：人类扰动的影响及持续时间 157

8.6 结论 160

建议阅读 161

习题 161

第9章 综合循环：大气氧的稳定度 163

9.1 引言 163

9.2 短时间尺度内的氧循环：生物圈的连接 164

9.3 长时间尺度上的氧循环：岩石圈的连接 167

9.4 构建氧循环的数学模型 169

9.4.1 微分方程 169

9.4.2 流量数学表达式的推导 170

9.4.3 方程求解 174

9.5 数值试验1：再论二叠纪时期石膏沉积的加强 174

9.5.1 试验设置 175

9.5.2 试验结果 175

9.6 数值试验2：世界末日情景 176

9.7 数值试验3：利用氧循环来寻找“失踪的碳” 178

9.7.1 试验设置 178

9.7.2 试验结果 179

9.8 结论 181

建议阅读 181

习题 182

附录 平衡常数（25℃） 183

专业术语 187

索引 194

译后记 202