The Innovation | 低纬驱动:古气候变化的新理论

时间:2021-08-03浏览:11

导读:

几万年一次的冰期怎么来的?上世纪古气候学最大的发现,是地球运行轨道微小的规律性变化,就会改变地面太阳辐射量的分布,从而导致冰期旋回的发生,其中北半球高纬度的辐射量起决定作用。但是来自中国的发现表明,低纬度地区的水循环和碳循环,本身就随着地球轨道发生周期性波动,驱动着气候变化,用不着都要等高纬过程来推动。如果成立,那么古气候研究就可能向地球系统科学迈出“范式转变”的一步。


两万年前,地球上出现过大冰期。其实近百万年来,地球气候一直有大约10万年周期的冷-暖变化,这被称作“冰期旋回”。找寻冰期旋回的原因,成了古气候研究的核心目标。上个世纪,塞尔维亚科学家Milankovitch提出,地球轨道导致的太阳辐射周期性变化产生了冰期旋回:北半球高纬夏季太阳辐射量的变化直接导致了北极冰盖的生长与消融;北极冰盖的消长引起北大西洋深层水的盛衰,通过“大洋传送带”影响全球气候。这被称作Milankovitch Theory;尽管存在许多尚未解决的问题,但Milankovitch Theory已成为古气候学的普遍共识。


近30年来,中国学者在东亚和南海取得了许多重大发现,在冰期旋回问题上对Milankovitch Theory的传统观念提出了挑战。与关注高纬过程的传统观念不同,中国学者的发现证明低纬的水循环和碳循环具有独立于高纬的周期特征,并在地球气候中扮演着不可或缺的角色。


地球轨道参数与太阳辐射量的周期性变化

地球轨道参数包括斜率、岁差和偏心率。斜率指地球自转轴的倾斜程度,具有4万年周期,它会影响太阳辐射在不同纬度上的分布差异;岁差指地球自转轴像陀螺般周期性的晃动,造成2万年左右的周期;偏心率指黄道偏离正圆的程度(图1A,eccentricity),它会影响地球接收太阳辐射的总量与季节差异,具有10万年与40万年的周期,通过调控岁差的幅度,一起影响太阳辐射季节性变化的强度(图1A,precessional insolation), 因此也是低纬气候变化的驱动力。

图1地球轨道周期以及大洋碳循环。(A)地球轨道参数的偏心率(eccentricity)

与岁差(precession)周期。(B) 大洋有机碳的“生物泵”快循环与“微生物碳泵”慢循环。


2万年岁差周期与低纬水循环

水循环的关键在于其三相(冰、水、水蒸气)转换:高纬以冰-水转换(冰盖消长)为主,低纬以水-气转换(季风强弱)为主。深海沉积物中,气候记录具有10万年的偏心率周期,反映冰盖的变化;而石笋与中国南海沉积物中,则发现了显著的2万年岁差周期,显示出低纬季风的影响。高低纬两种独立的周期并存,意味着低纬水循环具有自己的节律,全球气候变化不仅仅由高纬决定。


全球大洋碳循环的40万年长偏心率周期

全球大洋碳循环也具有独立于高纬冰盖的周期:深海记录发现,40万年的长偏心率周期(图1A)是大洋碳库变化的基本节律,被喻为地球系统的“心跳”。它和水文循环中的2万年岁差周期一样,和气候系统中的低纬过程有关:大洋有机碳储库受到“生物泵”快循环、“微生物碳泵”慢循环两种机制共同影响(图1B),而低纬季风降雨通过河流将陆地养分带入海洋,其强弱能影响这两种大洋碳循环的相对权重;因此通过季风作为纽带,低纬太阳辐射的周期也传递给了大洋碳储库,再加上大洋碳循环本身反应较慢,像“滤波器”,“滤掉”了高频的波动,从而呈现出40万年的长偏心率周期。


气候变化的低纬驱动

上面的讨论讲的是地球上有大冰盖的时期。其实放眼整个地质历史,低纬驱动的意义更加明显:首先,低纬是获得太阳辐射能量最多的地区,理论上低纬才是全球气候变化的能量发动机;再者,地球南北两极同时具有冰盖只是最近几百万年来的事情,而地球历史的三分之二两极都没有冰盖,高纬的冰盖消长不起作用,那时候的气候长周期变化,岂不就是靠低纬区的水循环和碳循环吗?


总结和展望

低纬的古气候记录表明,低纬水循环具有明显的2万年岁差周期,而低纬碳循环则具有40万年长偏心率的特征周期,与高纬冰盖的10万年偏心率周期截然不同。这些证据强调低纬水循环、碳循环在全球气候中具有独立于高纬的作用,“低纬驱动”理论的提出,不仅对传统冰期旋回理论提出了挑战,更是推动古气候研究向地球系统科学进行“范式转变”的关键一步。尽管低纬水循环中关键的“水汽”无论对古气候学还是现代气象学来说都是研究的难点,但困难的问题通常也是科学的突破口。期待在我们的共同努力下,“低纬驱动”理论能对全球气候研究做出自己的贡献。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100145

Wang P. (2021). Low-latitude forcing: A new insight into paleo-climate changes. The Innovation. 2(3),100145.


作者简介

汪品先,海洋地质学家,中国科学院院士,第三世界科学院院士,同济大学海洋与地球科学学院教授、博士生导师。长期从事海洋微体古生物与古海洋学研究,积极推动深潜科学考察、南海大洋钻探、海底科学观测网建设等海洋科学事业。


(本文转载自微信公众号:TheInnovation创新)