背景大气浓度变化对地表温度的影响及其机制

As background gases, nitrogen (N2) and oxygen (O2) accounts for 99% of the total mass of modern Earth's atmosphere. In the timescale of 10^8 years or longer, their variations are significant, such as surface air pressure in the Archean Eon at 2.7 billion years ago was possibly around 0.5 bar. In this program, we investigate the climatic effects of background gases in the range of surface pressure of 0.5 to 2.0 bars. First, we will modify the radiative transfer and pressure coordinate of the fully-coupled atmosphere-ocean general circulation model CESM1, in order to make it be applied to different atmospheric pressures. Then, using the updated model, we plan to study the effects of background gases on the surface temperature of modern Earth and of deep-past Earth in 2.7 billion years ago. We will focus on three main mechanisms of the effects of background gases on surface temperature: 1) Atmospheric greenhouse strength and planetary albedo; 2) Vertical lapse rate and convection; and 3) Meridional atmospheric and oceanic heat transports. Comparing with traditional studies of greenhouse gases (such as CO2), this program will uncover a new approach to reconstructe and simulate the past climates of Earth, which is considering the effects of background gases.

氮气(N2)和氧气(O2)作为背景大气，占现代地球大气总质量的99%。在亿年时间尺度上，它们的浓度存在显著的变化，比如27亿年前太古宙时期的地表气压可能只有0.5 bar。本项目计划探索一定范围内背景大气浓度（0.5－2 bars）的气候效应。首先，我们将扩充耦合大气-海洋环流模式CESM1的辐射传输与气压坐标，使其可以适用于不同的大气气压。然后，利用该模式针对现代地球和27亿年前地球进行数值模拟，研究背景大气浓度变化对地表温度的影响。我们将重点分析背景大气影响地表温度的三种机制：1）对大气温室效应和行星反照率的影响；2）对垂直温度廓线和对流的调制；3）对经向大气和海洋热量输送的影响。与传统温室气体（如CO2）研究相比，本项目将为重建和模拟古气候提供新的思路，即考虑背景大气的作用。

本项目探索了一定范围内背景大气浓度（0.5-10 bars）的气候效应。首先，我们扩充了大气环流模式和耦合大气-海洋环流模式的辐射传输与气压坐标，使其可以适用于不同的大气气压。其次，我们利用该模式针对现代地球和27亿年前地球进行了数值模拟，研究了背景大气浓度变化对地表温度的影响。我们重点分析了背景大气影响地表温度的三种机制：1）对大气温室效应和行星反照率的影响；2）对垂直温度廓线和对流的调制；3）对经向大气和海洋热量输送的影响。项目的重要结论是：如果背景大气气压升高，地表温度随着升高，如果背景大气气压降低，地表温度也会随着降低。对于早期地球而言，如果其背景大气浓度比现在低的话，那么需要更多的温室气体（如CO2或者CH4）来维持一个比较温暖的早期气候。由于风应力的不同，早期地球的海洋环流也和现代地球有很大不同。这一研究结果对于理解地球早期气候和解决暗弱太阳问题具有重要意义，对于理解其他行星的大气与温度也具有重要的借鉴意义。