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(duì)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(guò)程十分緩慢，冰雪融化、冰蓋退縮的過(guò)程卻十分迅速，成不對(duì)稱變化的特點(diǎn)，這一過(guò)程既是對(duì)全球溫度變化的響應(yīng)，同時(shí)也對(duì)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(guò)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(guò)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(lái)，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(wú)限制增大，使冰蓋—反射率反饋不至于無(wú)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(guò)程開(kāi)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(guò)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(kāi)始流動(dòng)，內(nèi)陸冰穹上大量的冰流可能會(huì)因此而開(kāi)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(guò)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(guò)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(shì)。這種強(qiáng)相關(guān)暗示著存在著大氣通過(guò)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(zhǎng)，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(kāi)始升高以后，生物泵作用減弱，大氣中的co2含量開(kāi)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(wú)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(guò)程。,,,,,海洋生物泵,南極沃斯托克站冰層研究檢測(cè)出過(guò)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(yáng)輻射，對(duì)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(yáng)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(yáng)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(lái)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(duì)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(guò)剩鹽分通過(guò)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(guò)此傳送帶獲得的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(lái)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(chóng)生長(zhǎng)環(huán)境中水體的PO43-濃度與有孔蟲(chóng)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(yíng)養(yǎng)的變化。大西洋深水來(lái)自營(yíng)養(yǎng)匱乏的亞熱帶水源，而南極水體源于深部上升的富營(yíng)養(yǎng)水體，因此大西洋深水相對(duì)于南極水體富δ13C而貧Cd，根據(jù)底棲有孔蟲(chóng)殼體的δ13C和Cd的高低可以對(duì)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(kāi)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(shuō)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(wú)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(guò)較大的變化，有可能對(duì)冰期——間冰期的氣候變化產(chǎn)生影響。對(duì)深海巖芯的研究表明。近2MaBP以來(lái)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(kāi)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(yáng)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(kāi)始的觸發(fā)因素。與此相對(duì)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(kāi)始的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)折事件。,2、Bryson（1989）根據(jù)40kaBP以來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(cè)出未來(lái)的變化。我們不能僅根據(jù)幾年的氣候變化就對(duì)未來(lái)做出草率的預(yù)測(cè)，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(cè)全球氣候?qū)⒂瓉?lái)一個(gè)十分寒冷的時(shí)期，結(jié)果隨之而來(lái)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)