冰期與間冰期之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制

1、第六章 第三節(jié)冰期與間冰期之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制,,一、冰蓋與海水反饋（氣溫對水固液態(tài)轉(zhuǎn)換的影響）,北半球冰蓋隨冰期—間冰期的轉(zhuǎn)換而發(fā)生大幅度的往復(fù)進(jìn)退，但冰雪積累冰蓋擴(kuò)展的過程十分緩慢，冰雪融化、冰蓋退縮的過程卻十分迅速，成不對稱變化的特點(diǎn)，這一過程既是對全球溫度變化的響應(yīng)，同時(shí)也對全球溫度變化起到強(qiáng)烈的正反饋?zhàn)饔?。氣候變冷?dǎo)致高緯度地區(qū)冰蓋的積累與擴(kuò)展，而陸地冰蓋與海冰的擴(kuò)大進(jìn)一步促進(jìn)了變冷；當(dāng)氣候變暖時(shí)，冰蓋退縮，也存在同樣的正反饋過程

2、。與冰蓋的擴(kuò)張與收縮相關(guān)聯(lián)的是全球海平面的升降。,全球海平面的升降,1、間冰期到冰期的轉(zhuǎn)換在從間冰期向冰期轉(zhuǎn)換的過程中，氣溫下降，大量的水分被從海洋轉(zhuǎn)移到冰蓋中固定下來，導(dǎo)致全球海平面隨著冰蓋的強(qiáng)烈擴(kuò)張而發(fā)生大幅度下降。由于冰期大洋縮小，海面蒸發(fā)減弱，導(dǎo)致全球降溫減少，氣候變干，陸地冰蓋因缺少水分供應(yīng)而不會(huì)無限制增大，使冰蓋—反射率反饋不至于無限制增加。,,,全球海平面上升,,,2、冰期到間冰期的轉(zhuǎn)換當(dāng)從冰期到間冰期的過程開始后，

3、氣溫升高，大量的水分從冰蓋中返還到大洋中，導(dǎo)致海平面上升。1）融冰機(jī)制一：海平面上升會(huì)托起擱淺在陸架上的冰蓋，使他們破碎并隨海流向外海流動(dòng)。這一過程的一個(gè)重要后果是，原先由淺海海冰支撐的位于陸地高處的冰體開始流動(dòng)，內(nèi)陸冰穹上大量的冰流可能會(huì)因此而開始快速移動(dòng)，快速流動(dòng)的冰流會(huì)把內(nèi)陸的冰體送到海邊，隨著內(nèi)陸部分冰蓋冰體的流失，會(huì)使冰蓋變薄，這種冰蓋消退過程通常被稱為“下削”。這種機(jī)制的意義在于，冰蓋作用的增強(qiáng)不是靠大氣的增溫使冰體融化

4、，而是靠崩裂的海冰隨海流飄走之后由海水的熱量使冰融化。類似的過程也發(fā)生在陸地上冰蓋邊緣的冰水湖泊中。,2）融冰的另一反饋機(jī)制：是使水汽減少，早期的融冰使大量淡水進(jìn)入大西洋，如果這些淡水在咸水之上形成一個(gè)淡水層，寒冷的淡水限制了咸水的蒸發(fā)，并且使海水的范圍擴(kuò)大（淡水的冰點(diǎn)為0攝氏度，海水的冰點(diǎn)為-1.9攝氏度），減少向陸地上冰蓋供給水汽，促使冰蓋進(jìn)一步瓦解。,二、大氣溫室氣體的反饋與氣溶膠反饋,南極冰芯記錄顯示，溫室氣體C02與CH4，

5、呈現(xiàn)與溫度變化相同的趨勢。這種強(qiáng)相關(guān)暗示著存在著大氣通過溫室氣體的變化影響溫度的反饋?zhàn)饔?，使得變冷或變暖的程度加大。在增暖事件中，C02的變化與溫度的變化幾乎是同步的，但落后于日射變化。在變冷事件中，溫度變化落后于日射變化，而C02的變化又落后于溫度的變化。,,,1）co2含量變化與全球溫度變化,大氣co2含量變化部分是由與全球溫度有關(guān)的生物的反饋?zhàn)饔谜{(diào)控的。大氣co2變化可能主要是海洋的“生物泵”作用所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。在冰期的寒冷時(shí)

6、期內(nèi)，海洋表面冷卻增強(qiáng)，使得作為海洋表層生物生活空間的海洋混合層的深度增大，混合層的深度愈大，意味著有更多的浮游生物生長，因此有更多的碳被固定到深海沉積之中，相應(yīng)的海洋表層從大氣中獲得更多的co2，導(dǎo)致大氣co2的減少。相反，當(dāng)冰期結(jié)束，全球溫度開始升高以后，生物泵作用減弱，大氣中的co2含量開始增加。此外，冰期大洋溫度降低可使海洋溶解co2的能力增大，也導(dǎo)致大氣中Co2的減少。在冰期的冷干環(huán)境下，陸地上干旱草原環(huán)境的擴(kuò)張，強(qiáng)烈的黃

7、土堆積，均可使陸地上土壤和沉積物固定碳酸鹽的能力增大，導(dǎo)致大氣中co2的減少。無論何種原因造成的大氣中co2減少，都會(huì)進(jìn)一步加劇氣候變冷的過程。,,,,,海洋生物泵,南極沃斯托克站冰層研究檢測出過去450 000年中二氧化碳、溫度和塵埃變化情況。,,2）CH4含量變化與全球變化,陸地上的沼澤濕地是自然界中CH4排放的主要源地，冰期CH4減少可能與冰蓋擴(kuò)展、海面下降、氣候變干所CH4的變化可能主要是全球氣候變化的結(jié)果，但其正反饋?zhàn)饔檬沟?/p>

8、關(guān)系復(fù)雜化。,3）大氣水汽含量與全球氣溫變化,冰期海面寒冷向大氣輸送的水汽含量減少，大氣重視其含量減少，減弱了水汽作為溫室氣體的功能，其正反饋同樣加劇氣候變冷。但水汽減少使得天空云量減少，能增加入射的太陽輻射，對變冷起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?,,海陸間水汽循環(huán),,,大氣水汽阻擋太陽輻射進(jìn)入地面,4）大氣粉塵濃度與全球溫度變化,冰期降水減少，風(fēng)速增大，經(jīng)向環(huán)流增強(qiáng)，，淺海大量出露為大陸，陸地植被覆蓋降低，有大量的塵埃由陸地吹向海洋，甚至到達(dá)南極中部

9、，冰芯中粉塵濃度在冰期時(shí)增大，冰期最盛期冰芯中的粉塵濃度是冰后期的70倍。氣溶膠粒子在大氣中的載荷增大具有正反饋效應(yīng)，能將太陽輻射反射回太空，從而加劇地面冷卻，使冰期加劇。間冰期時(shí)情況相反。,,,強(qiáng)沙塵暴席卷城市,,,三、大洋傳送帶的變化,大氣水汽傳輸與海洋鹽分傳輸之間存在密切的關(guān)系。。當(dāng)水分從一個(gè)大的流域盆地輸出到另一個(gè)流域時(shí)，鹽分仍留在原來的流域盆地。以此方式產(chǎn)生的鹽分累計(jì)必定由全球海洋范圍內(nèi)的高鹽度水體與地鹽度水體的相互交換所抵消

10、。由于鹽分增加海水的密度，所以水汽運(yùn)移的變化不僅導(dǎo)致大洋環(huán)流速度的改變，而且可導(dǎo)致大洋環(huán)流形態(tài)的改變。因此，大氣與海洋以這樣的非線性方式緊密連接在一起，形成一個(gè)對環(huán)流方式轉(zhuǎn)換十分敏感的耦合系統(tǒng)。,,現(xiàn)代海洋中，大西洋水汽的總損失量為450000m3/s，恰好相當(dāng)于太平洋和印度洋的總獲得量。由于水汽損失而留在大西洋里的過剩鹽分通過北大西洋深水外流而運(yùn)到南極附近的環(huán)狀環(huán)流圈，部分向北流到印度洋，其余的一直向東流入太平洋，在此受溫暖和入注淡

11、水的稀釋作用，海水密度降低并上升到海面，然后向西運(yùn)動(dòng)返回到大西洋，構(gòu)成一個(gè)跨越大洋的海洋“傳送帶”。,,,全球海洋傳送帶,現(xiàn)代海洋中溫度鹽份環(huán)流示意圖,,,,北大西洋地區(qū)通過此傳送帶獲得的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球軌道要素所引起的日照率變化導(dǎo)致的增熱量，因而有人提出大洋環(huán)流—?dú)夂蜿P(guān)系模式來解釋冰期—間冰期的轉(zhuǎn)換機(jī)制。,,現(xiàn)代海洋化學(xué)研究表明，底棲有孔蟲生長環(huán)境中水體的PO43-濃度與有孔蟲殼體的δ13C成反比，與Cd/Ca成正比，因此碳同位素和

12、Cd值可以反應(yīng)深水營養(yǎng)的變化。大西洋深水來自營養(yǎng)匱乏的亞熱帶水源，而南極水體源于深部上升的富營養(yǎng)水體，因此大西洋深水相對于南極水體富δ13C而貧Cd，根據(jù)底棲有孔蟲殼體的δ13C和Cd的高低可以對大洋深水的源地進(jìn)行區(qū)分。北大西洋深海巖芯（33。41‘N，57.37’W）資料表明，冰期深水（4450m）的δ13C值比現(xiàn)在低而Cd值高，據(jù)此推斷，冰期時(shí)大洋深部環(huán)流形態(tài)與現(xiàn)代有很大差別，北大西洋傳送帶在冰期期間大大削弱甚至不存在，而南極深水卻

13、伸展到北大西洋的中緯度甚至高偉地區(qū)。北大西洋深水的比例于14kaBP從冰期時(shí)的低谷上升到與現(xiàn)代大洋相近的水平，表明大洋環(huán)流形式發(fā)生了重大改變，此一改變與冰消期開始的時(shí)間一致。此高大西洋水通量在維持了2000多年后發(fā)生衰減，到11kaBP前后，北大西洋深水流量衰減到僅比冰期極盛期略高的水平，此變化被用于解釋新仙女木事件發(fā)生的原因。此假說認(rèn)為，,14kaBP末次冰期終止之初，大洋環(huán)流已轉(zhuǎn)換到現(xiàn)代的形式，由于北美勞倫泰得冰蓋的迅速消融，大量融

14、水傾瀉到北大西洋，海洋表水被淡化，以致無法形成深水層，這樣導(dǎo)致傳送帶環(huán)流暫時(shí)性關(guān)閉，從而引起北大西洋周圍陸地明顯變冷甚至影響整個(gè)世界的氣候。在新仙女木事件之后，北大西洋深水的通量重新增大到與現(xiàn)代相當(dāng)?shù)乃?，從而完成向間冰期環(huán)境的轉(zhuǎn)換。,四、火山活動(dòng)的作用,在第四紀(jì)歷史上，火山活動(dòng)的強(qiáng)度有過較大的變化，有可能對冰期——間冰期的氣候變化產(chǎn)生影響。對深海巖芯的研究表明。近2MaBP以來的第四紀(jì)期間是火山活動(dòng)顯著加強(qiáng)的時(shí)期。在解釋末次冰期——

15、間冰期氣候變化的階段性和一些主要事件時(shí)，火山活動(dòng)的影響受到重視。,,火山噴發(fā)大量火山灰塵進(jìn)入大氣,,1、在印度洋深海沉積中。氧同位素階段5和氧同位素階段4之間的層位上存在一火山灰層。此火山灰層是73.5kaBP Sumatra島上的Toba火山強(qiáng)烈噴發(fā)形成的。南極冰芯記錄中由火山噴發(fā)形成的非海相硫酸鹽含量在此期間開始顯著增加。由在此期間沉積物中普遍存在的火山灰層所表征的強(qiáng)烈火山噴發(fā)時(shí)期，可能有數(shù)十億噸的火山灰微塵噴發(fā)到30km的高空，由

16、此阻礙 了太陽的入射輻射，可造成全球溫度降低3~5攝氏度達(dá)數(shù)年之久，在高偉地區(qū)的降溫幅度可達(dá)10~15攝氏度。這樣的降溫足以導(dǎo)致在北美的魁北克和拉布拉多形成永久積雪，歐洲的納維亞地區(qū)可能也是如此。此期火山噴發(fā)事件可能導(dǎo)致最后冰期開始的觸發(fā)因素。與此相對應(yīng)，在深海同位素戒斷與階段4之間，存在表征最后冰期開始的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)折事件。,2、Bryson（1989）根據(jù)40kaBP以來火山活動(dòng)的年代數(shù)據(jù)編制了火山活動(dòng)指數(shù)，用以表示火山爆發(fā)頻率的變化。結(jié)

17、果表明，火山爆發(fā)頻率最高的時(shí)期為25kaBP附近，與最后冰期最后冰期最盛期開始的時(shí)期相當(dāng)。此外還出現(xiàn)許多較小的峰值，如11.9kaBP前后有一個(gè)次峰值，略早于新仙女木事件開始的時(shí)間。把火山活動(dòng)作為一個(gè)強(qiáng)迫因素與軌道參數(shù)一起參與模擬，能較好地模擬出第四紀(jì)晚期全球冰體積的變化，像新仙女木事件這樣的短尺度變化事件也被模擬出來了。因此，Bryson認(rèn)為：這些結(jié)果表明大多數(shù)100~1000年尺度上的事件是由火山爆發(fā)的頻次變化引起的。,五、研究過程

18、中的教訓(xùn),地球氣候系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，它的變化是非線性的，它同時(shí)受多種因素的影響，這其中有長期的，也有短期的，有內(nèi)部的，也有外部的。突發(fā)的歷史事件可能會(huì)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)對地球氣候產(chǎn)生深刻的影響，任何一個(gè)氣候模型都不可能完全精確的預(yù)測出未來的變化。我們不能僅根據(jù)幾年的氣候變化就對未來做出草率的預(yù)測，曾經(jīng)有科學(xué)家根據(jù)幾年內(nèi)平均氣溫的降低就預(yù)測全球氣候?qū)⒂瓉硪粋€(gè)十分寒冷的時(shí)期，結(jié)果隨之而來的是全球大部分地區(qū)變暖，成為了科學(xué)史上的一個(gè)笑話。因此我們認(rèn)