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世界科技全景百卷书: 气象科学  气候变迁

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  2012年10月18日,《Nature》杂志发表了中国科学院地质与地球物理研究所郝青振等的研究成果。根据对我国第四纪黄土的研究揭示出,北半球每40万年会经历超长的温暖气候期,
认为这与地球运转轨道变化具有40万年周期,引起北半球太阳辐射变化幅度减少有关。
由于当前地球正开始经历新一轮的太阳辐射变幅最小期,即使不考虑人为增加的大气二氧化碳影响,北半球温暖的间冰期气候可能还会持续约4万年。

米兰科维奇理论认为,北半球高纬夏季太阳辐射变化主导了第四纪冰期和间冰期气候交替出现。中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境研究室研究员郝青振根据黄土发育与北极冰盖消长的联系,在之前的研究中提出在地球轨道偏心率40万年周期变化幅度最小的40万年和80万年前后,进入冰期时,北极冰盖增长滞后。该观点暗示深海氧同位素阶段MIS
10,MIS 18 和MIS
20这三个冰期可能是南极过程触发的,与经典理论有出入,因而需要进一步开展冰期驱动机制研究。

  大冰期与气候变化

  北极冰盖的演化是目前人类最为关心的问题之一,它不仅影响着全球气候变化还影响全球海平面的升降。全球古环境研究面临的重要任务之一是研究太阳辐射驱动与现今相似的地质历史时期北极冰盖的变化规律,来推测未来气候的变化趋势。当前地球处在太阳辐射岁差(约2万年周期)周期性变化幅度最小的时期,这种状况每隔40万年出现一次,是地球轨道偏心率40万年长周期调控的结果。因此,地质历史时期距今最近的太阳辐射驱动环境相似型分别出现在40万、80万年前,而这些时期北极冰盖具有怎样的演化规律目前还不清楚。

研究冰盖消长与地球运动轨道参数的关系有两个关键时段:冰盖消融期和冰盖扩张期。学术界针对冰消期开展过大量研究,但是对冰盖扩张期的研究一直进展缓慢,其原因在于,与冰消期气候快速变化相比,冰盖扩张期气候是“渐变”的,难以实现冰盖扩张与轨道参数变化的精确对比。

  关于地球远古时代的气候,随着时代的久远,我们的认识有些模糊不清。

  郝青振及其合作者对黄土高原中部地区的西峰驿马关和洛川坡头黄土剖面开展研究,利用黄土粗颗粒含量和频率磁化率重建了高分辨率的冬、夏季风变化的历史。利用冬季风变化与北极冰盖的联系,详细研究了90万年以来不同冰期北极冰盖增长的规律,在距今约40万年附近,全球进入“冰期”后,黄土粒度指示北半球仍然处于间冰期的温暖状态,表明北极冰盖的增长滞后于全球冰期的发展,滞后时间长达2万年。这种现象不仅发生在40万前,也发生在80万前太阳辐射变幅最低的时期。未来6万年太阳辐射的变幅更低,就此可推测北半球目前温暖的间冰期还将至少延续约4万年。

为克服上述困难,郝青振与合作者根据已有古气候线索,选择整个时期南北半球气候都具有显著差异的冰期作为研究的切入点,对MIS
14时期黄土粒度变化和全球古气候记录开展了集成研究,并系统对比了最近90万年以来不同冰期形成时期两极太阳辐射与轨道参数的配置特征,探讨了冰盖扩张期的驱动机制,具体认识如下:

  地球形成为行星大约在55±5亿年前,从那时候开始直到46亿年前,地球上充满原始大气,并且逐渐逃逸。从46亿年前开始,地球进入到地质年代,逐渐产生次生大气,大约在30亿年前,地球上出现生命,开始改造地球大气,到寒武纪,大气才被生物改造成现在这个样子。但是,对古代以前的古气候,我们几乎是一无所知,到了古生代,古气候状况才逐渐清楚起来。

  作者提出,太阳辐射变化幅度降低、轨道驱动变弱是造成40万年前、80万年前北极冰盖滞后发展的根本原因;上述时段深海氧同位素显示的冰期实际上可能是南极冰盖率先发展的结果。这项工作对进一步深入理解第四纪时期全球气候变化过程和动力学机制等具有重要学术价值,对探讨未来海平面长期自然变化趋势也具有现实意义。

整个MIS
14期间黄土高原黄土记录没有出现粒度快速增加的现象,指示北极冰盖没有发生过显著扩张,这与其他冰期粒度变化形成鲜明对比;经全球集成研究发现,自南半球低纬度地区到北极地区,MIS
14呈现整体温暖的状态(最冷相当于间冰期内部的冰阶气候),而南半球中、高纬地区气候则接近“典型冰期状态”。由此提出MIS
15−13期间,北半球出现“超级间冰期”,间冰期长度超过了10万年。该结果表明过去基于海洋和南极冰心沉积的
“最近80万年来间冰期最长约为6万年”的认识可能是不确切的。

  我们大体上知道,在地质时期反复经过几次大冰期,其中从古生代以来,就有三次大冰期。它们是:震旦纪大冰期,石炭纪二迭纪大冰期,第四纪大冰期。大冰期之间是比较温暖的间冰期。

  郝青振博士的研究工作得到国家自然科学基金长期、持续的资助,他的自然科学基金研究成果曾入选基金优秀成果选编。本项成果的获得也与国家自然科学基金对黄土研究长期、稳定的支持密不可分。

通过地轴斜率与两极夏季太阳辐射岁差周期变化的配置关系研究,发现MIS
14冰期为南极太阳辐射变化驱动所致,表现为,在MIS14初期,南极夏季太阳辐射岁差周期变化与地轴斜率变化同时达到最低值,而在北极地区两者最低值严重偏离。类似的地球轨道参数配置出现在MIS
10,MIS 18、MIS
20等时期,显示南极驱动可能是触发这些冰期的重要因素,为40万年和80万年前后南极率先进入冰期提出了可能的理论解释。

  每两次冰期之间,大约是2~3亿年。为什么有这样长的周期呢?一种意见认为,可能与造山运动有关系。地质上的大造山运动,往往使地面起伏程度加大,全球变冷。因为山脉越高,引起大气的热机效率就越高,上升运动增强,云雨增多,反射率增大,地面接收的太阳辐射能量减少,地表变冷。

中更新世MIS15−13北半球整体温暖的超级间冰期与阿舍利手斧从非洲向欧亚地区大规模传播和人类群体遗传学证据指示的人类扩张在时间上一致。由于间冰期气候能够为早期人类适应高纬度环境提供适宜条件,因此该超级间冰期可能是古人类第二次大规模走出非洲的重要动因。

  三次大冰期与地质时代三次强烈的造山运动相对应。震旦纪大冰期产生在元古代末地壳运动以后,石炭纪~二迭纪大冰期与海西运动相对应,第四纪大冰期与喜马拉雅运动对应。这不是偶然的。现在,喜马拉雅山还在升高,造山运动并未停止,所以第四纪大冰期还远未结束。现在,喜马拉雅运动还不到7000万年,第四纪大冰期还只200多万年。所以这次大冰期还会延续下去,至少还要持续1~2万年。

上述研究成果近期发表于Scientific Reports(Hao et al. Extra-long
interglacial in Northern Hemisphere during MISs 15-13 arising from
limited extent of Arctic ice sheets in glacial MIS 14.
Scientific
Reports
, 2015, 5: 12103, doi: 10.1038/srep12103)。

  另一种意见认为,地质历史上的大冰期和大间冰期,是由于地球的黄道倾斜的大波动造成的。这种观点认为,黄道倾斜的范围是在0°与54°之间,黄道倾斜大的时期代表着冰川流行的时期,在三次大冰期期间,黄道倾斜曾有过10°~23.5°的变化。

论文链接

  那么,造山运动为什么也有2~3亿年的周期呢?地球黄道倾斜为什么也有2~3亿年的波动呢?澳大利亚人威廉斯认为,这种气候变迁与地球在银河系的位置有关系。因为地球不停地绕太阳公转。整个太阳系也绕着银河系中心公转。这样转一圈的时间约2.5亿年,太阳系又回到原来的位置。

图片 1

  第四纪冰期的气候变化

图1 黄土粒度记录的亚洲冬季风变化与全球古气候的对比
亚洲冬季风的复合粒度记录; ODP
980孔底栖有孔虫δ13C记录;“冰筏碎屑带”内IOPD U1308孔Si/Sr比值;DSDP 607
孔碳酸盐含量和冬季海表温度; 热带海表温度复合记录; 来自南半球的记录;
ODP 1123 孔根据Mg/Ca比值计算的大洋底流水温; ODP
1090孔底栖有孔虫δ13C和风尘铁通量变化; EPICA冰心记录的气温变化;
冰心记录的大气CO2记录; 底栖有孔虫δ18O复合记录LR04

  我们说现代正处在第四纪大冰期中,其实,第四纪大冰期中的气候也有很大的变化,曾经出现几次亚冰期和亚间冰期。变化的时间短则几千年,长则几万年或十几万年。

图片 2

  在20世纪初,地质学家根据阿尔卑斯山区的资料,确定那里存在四次亚冰期的规律。这就是:群智亚冰期、民德亚冰期、里斯亚冰期和武木亚冰期。在这些冰期之间是亚间冰期。以后在北欧、北美、亚洲等地也纷纷找到了对应的亚冰期。在我国对应的亚冰期是:鄱阳亚冰期、大姑亚冰期、庐山亚冰期和大理亚冰期。

图2
90万年以来不同冰期初始期附近地轴斜率与两极地区夏季太阳辐射岁差周期变化最小值的配置特征(当地轴斜率最小值与太阳辐射岁差最小值偏差小于5
ka时,近似认为两者同步变化)

  在第四纪的冰期中,仍然有寒冷和温暖更替。在寒冷时期,雪线高度下降,冰川前进,出现亚冰期,以民德(我国为大姑)亚冰期和里斯(庐山)亚冰期的冰川规模最大,群智亚冰期规模最小。在温暖时期,气温升高,雪线高度上升,冰川退缩,出现亚间冰期。民德—里斯
(大姑—庐山)亚间冰期长达17~18万年。在第四纪大冰期,高纬度气温的急剧下降,导致两极地区形成永久冰盖;在亚冰期,冰川一直伸展到中纬度,在亚间冰期才退缩到高纬度。

  根据科学研究发现,从亚间冰期向亚冰期过渡时,气候常呈渐变形式,其中没有清楚的界线。从亚冰期向亚间冰期过渡时,气候常呈突变形式,两者之间有明确的分界线。科学家们称为终止线。在距今1.1万年前后出现了一条终止线,标志着最近一次亚冰期结束了,随之而来的是一次新的亚间冰期,气候由冷增暖。

  在第四纪大冰期中,为什么会有亚冰期和亚间冰期的更替呢?按照南斯拉夫气候学家来兰柯维奇在20世纪30年代提出的理论,是由于地球轨道三要素的自然小波动造成的。地球轨道三要素是指:地球轨道的偏心率、地轴的倾斜度和春分点的位置。

  地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。这样,地球处在轨道的不同位置,距离太阳的远近就不相同,获得的太阳辐射能量就有差异,如冬季在远日点,夏季在近日点,冬季就寒冷而漫长,夏季炎热而短促。地球轨道现在的偏心率是0.164;但是偏心率在0.00~0.06的范围内变动。它的变动周期约为96000年。偏心率的变化影响日地距离,从而影响太阳辐射强度,导致影响地球上的气候。

  地球在春分点处在地球公转轨道上的什么位置,将影响季节的起止时间,也会使近日点和远日点的时间发生变化。地球在春分点的位置,是沿着地球公转轨道向西缓慢地移动,大约每21000年,春分点的位置在地球公转轨道上移动一周。春分节气的时间,每隔70年就要推迟一天。现在北半球夏季远日,冬季近日,夏季比冬季长8天。大约10000年后,就会变成冬季远日,夏季近日,冬季反而会比夏季长8天。就是说,不太冷而且短促的冬季,将会变成寒冷而漫长的冬季。

  地轨倾斜又称黄赤交角,是地球上产生四季的原因。地轨倾斜度的变化,会导致回归线和极圈的纬度发生变化,从而改变地球上的季节。地轨倾斜使回归线在纬度221°~22.4°之间变化,使极圈在67.9°~65.76°之间变化。变动的时间周期41000年。地轨倾斜度增大时,回归线纬度升高,极圈纬度降低,高纬度的年太阳辐射总量增加,冬寒夏热、气温年较差增大,低纬度的年太阳辐射总量减少。地轨倾斜度减少时,高纬度冬暖夏凉,气温年较差减少,夏季温度低更有利于冰川发展。

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