冰川沙漠地形与全球气候演变

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1、第九課 : 冰川、沙漠地形與全球氣候演變一 . 導言:本章中我們要來研討另兩個營力 冰川與風力，並它們所造成的地表外觀與可能災害。有名的鐵達尼號事件是與冰山的流動有關； 大陸華北近年來常有的沙塵暴與風的營力有關；冰川與沙漠地形雖不存在於台灣，但在地表上它們佔有了相當大的面積， 是我們須關切的。二 .冰川 : 冰川 是極大體積的冰，藉著其自身重量並重力的作用，在地表上緩緩移動。 因冰川都存在於高山與高緯度的寒帶地地區， 為一般熱帶、溫帶地區所罕見。 美國境內最富冰川景色之所在是在阿拉斯加州，阿拉斯加位在極地區；夏天晝長夜短，夜間僅二到三個小時 ，冬天則反是；阿拉斯加州境內有 100,000 條冰

2、川 (圖 9.1) ，佔地約 29,000 平方英浬 。 此外加州的優勝美地國家公園 (Yosemite National Park) ， 是冰川留下的自然景觀 ，是巧奪天工之傑作 (圖 9.2) 。1.冰川之構成 :(a) 形成冰川的基本條件非常簡單， 即積雪大於溶雪 ；也就是每年下雪量大於雪的融化與蒸發。大部分的冰川是與極地地區極冷天氣有關；但在熱帶或亞熱帶高山地區亦有冰川存在。因為在潮濕空氣中溫度隨高度每一百公尺下降0.6oC/ km，故在雪線高度以上將終年積雪(圖 9.3) 。(b) 當雪越積越厚，會逐漸凝結成冰，其自身雪的重量會使其往下壓縮，逐出空氣使雪重新結晶 ，成為顆粒較粗且較密

3、的結構 ，稱為粒雪 (firn) 或萬年雪； 雪逐漸形成粒雪期間很長，須幾年甚或幾千年之久； 最終它本身重量使它從高山上滑下，或從冰層最厚處往外移動；其移動速率很慢，大約每日移動幾十公分，最快不超過 1-2 公尺左右。2. 冰川之型態 :(1) 高山冰川或山谷冰川 (又稱阿爾卑斯冰川 Alpine Glaciers) ： 這是今天世界上最多之冰川，佔了高山山谷地區很大面積 (如圖 9.1) 。(2) 大陸冰川 (冰原或冰被 ) ： 這種冰川佔據大陸相當面積 (例如格林蘭與南極冰被，圖 9.4) 。3.冰川系統 : 一個完整的冰川系統包括以下部分(圖 9.6)(a) 積蓄帶 (Zone of A

4、ccumulation) ：其上冰川取得新的來源(b) 消耗帶 (Zone of Ablation) ： 其下冰川因融化與蒸發而減少(c) 平衡線 (Eqilibrium Line) ：亦即雪線，是冰川表面積蓄與消耗相抵銷處(圖 9.5)(d)前進 (Advancing) ： 在冬季，雪降增加 ，溶解與蒸發相對減少，冰川增後並延展， 此時冰川前進 (圖 9.7) 。(e) 後退 (Retreating) ： 在夏季， 雪降減少溶解加速，雪的消耗超過積蓄，此時冰川後退 (圖 9.7 )。(f) 冰隙 (Crevasse): 在冰川上部表面常有裂縫，被稱為裂隙 (圖 9.8) 。4. 冰川的侵蝕與

5、沉積 :(1)侵蝕作用 : 冰川含極大的質量與硬度，使它有極大侵蝕力量，冰川侵蝕的地形如下 :(a) U- 形谷 : 極重的冰川會切割岩壁所形成的冰谷為 U-形谷 (與河流切割河谷成V 形谷不同 )(圖 9.9) 。(b) 條痕 (striation)或刻槽 : 冰川的底部摩擦冰谷，作用如同砂紙作用於硬石壁上，留下了細而平行的刮痕 ，稱為條痕，條痕顯示了古冰川的流動方向 (圖 9.10) 。(c) 磨蝕 (Abrasion): 冰川藉著所攜帶的沉積物摩擦切割其底部平面，稱為磨蝕。(d)拔 (挖)蝕作用 (Plucking): 當冰川移動時，底部若有凸出的石塊會被拔除，稱為拔蝕。(e) 冰斗 (

6、Cirque): 冰川源頭凹進，如同碗的形狀，是由於冰川在源頭處拔蝕造成 (圖 9.11) 。(f) 刃嶺 (Ar te): 當高山冰川在山的兩側流動，高山的岩壁常被削成很薄的尖嶺，稱為刃嶺 (圖 9.12) 。(g) 角峰 Horn: 如果山嶺四圍均為冰川包圍，經過朔源侵蝕的結果，造成一金字塔型的尖峰， 稱為角峰，如瑞士的馬特峯 Matterhorn(圖 9.13) 。(2). 沉積作用 :冰川非常有效的搬運與沉積沉積物，它造成了下列地形：(a)冰磧物 (Till) ：沉積物直接由溶冰沉積而成，稱為冰磧物 (圖 9.14) ， 它沒有經過淘選作用，故多為不規則型並含有大小顆粒不同的碎石與泥土

7、。(b) 冰水沉積 (Outwash): 冰川前端終磧前有融化的水所攜帶流出的砂礫，堆積在冰川前面的山谷或平原中。(c)冰磧石 (Moraine): 冰川融化以後遺留在地面上堆積的冰磧物被稱之冰磧石，其中分為：(i) 側磧 (lateral moraine): 在冰川兩側留下的冰磧石(圖 9.15-16) 。(ii) 中磧 (medial moraine):當兩條側磧交會。成為一條時 (圖 9.15-16) 。 (iii) 終磧 (terminal moraine): 形成在冰川的前端。當冰川開始後退時，會留下終磧，標明冰川所達最遠位置 (圖 9.17-18) 。(d)漂礫 (Erratic

8、Boulders): 是冰川後退時所留下巨大的礫石(圖 9.19) 。三 .風和沙漠地形 :1. 大氣的對流模式 :考慮地球自轉的柯氏力 (圖 9.20)與大氣的冷熱對流，有不少模式被提出以解釋地表大氣的對流現像，其中最符合地表現象者為三胞對流模式 (Three-cell Mode)(圖 9.21) ， 下面為此模式的內涵。ITCZ帶 (熱帶聚合帶 Intertropical Convergence Zone):因柯氏力大小與與(緯度 ) 成正比 ，柯氏力在接近赤道時的值接近為零。 在南北半球盛行的貿易風會集於赤道， 構成了 ITCZ 帶 (圖 9.22) 。 在 ITCZ 帶 因全為上升氣流

9、，在高空冷凝成雨，該處雨量特多，故又是熱帶雨林帶。在近赤道上方風異常平靜，故稱為無風帶 (doldrums) 。東北 (東南 )信風帶 : 信風又稱貿易風， 因在赤道上升之氣流被其上的平流層壓迫，在 30oN 或 30oS 處再下降至地表 (稱為馬緯度 ) ， 並向東南或西北方向移動。該處因全為下沉氣流，故缺雨，是全球主要的沙漠所在。中緯度西風帶 :從 30o to 60o 柯氏力使風向東北 (東南 )方向吹，構成盛行的中緯度西風帶。極地東風帶 : 吹東北 (東南 )風從 60o 到南北極 。亞熱帶噴射氣流 (Subtropical jet):在近赤道處上升之氣流，當達對流層頂時即向南北極流動

10、，因柯氏力關係偏右，在對流層高處20oN 與 30oN 之間成為高空強勁的西風，這道高空氣流稱為亞熱帶噴射氣流(圖 9.23) ， 在搭飛機時感覺最明顯 (例如 : 飛美國去程較回程快 ) 。極鋒噴射氣流(Polar front jet):中緯度西風帶與極地東風帶氣流交會於緯度60o處， 也構成了強勁的向東吹的噴射氣流，稱為極鋒噴射氣流(圖 9.23) 。2. 風的侵蝕作用 :如同水，風也產生侵蝕作用作用於沉積物和岩石上， 但風的侵蝕作用不如其沉積作用和遷移作用 (migration)重要。風的侵蝕作用包括了磨蝕作用(Abrasion)與吹蝕作用 (Deflation)兩種。(a) 風的磨蝕作

11、用 (Wind abrasion): 是藉著風所攜帶的砂粒，對堅硬物體的表面所造成的衝撞，而磨損物體的表面，這種磨蝕作用可以造成建築物的損壞。風磨石 (Ventifacts) 是岩石被磨蝕所形成多面的岩石，有時陵面可達四至六個之多 (圖 9.24) 。(b) 風的吹蝕作用 Deflation:地表的物質若是鬆動的，那麼經由風本身的吹襲，就可把大量物質，特別是顆粒細小的沉積物吹動並移去，這便是風的吹蝕作用。特別在沙漠化的地區，土質鬆軟、地面乾燥、地表沒有植被，當空氣不穩定及地面風速很大時，很容易將地表沙塵吹起，造成沙塵暴 (圖 9.25) 。當地面細小的塵沙被風吹走後，剩下的大石子因體積較大而難

12、以被吹動，便形成一保護層，阻止了吹蝕的進行， 在沙漠地區被稱為漠坪 (Desert Pavement ，圖 9.26) 。 美國在 1930 年代有幾年乾旱期間，農作物都死光，土壤露出地表，經雨水侵蝕及強風之吹蝕，使廣大區域之農耕地喪失，被稱為 “灰盆時期 ” (Dust Bowl) ， 成噸的泥土被強風吹起搬運到它處，掩蓋了許多房屋和農莊。3. 風的沉積作用 :當風搬運並沉積沉積物， 便構成了沙丘 (Sand Dune ，圖 9.27) 。 一個典型的沙丘 高從 3 公尺到 100 公尺， 但 200 公尺高的沙丘也曾發現過。4.沙丘的移動(Migration):(a) 如果風持續的向著同一

13、方向吹，沙丘就會移動；一個沙丘通常在向風面呈緩坡，在背風面呈陡坡；風不斷 ”堆積 ”沙在沙丘頂端，並沿著陡面”滑落 ”(稱為滑落面 slip face) ， 其坡面角度即第八章所說的休止角 (Angle ofRepose) ；此堆積和滑落的淨效應結果使沙丘順著風的向向前緩慢的移動(圖9.28-29) 。(b) 沙丘的種類分為 :(i) 橫丘 (Transverse Dune): 和風向垂直發育沙量多，(ii)縱丘 (Longitudinal Dune): 和風向平行發育， (iii) 拋物線丘 (Parabolic Dune): 在植物較多處發展，(iv) 新月形丘 (Crescent Dun

14、e):和風向垂直發育沙量少，(v)星丘(Star Dune): 發展時風向不定。 (圖 9.30)(c) 黃土 (Loess):黃土是土黃色不成層的沉積物 ， 由細小而具有菱角形的礦物質長時間堆積而成 (圖 9.31) ；黃土具有相當結合力， 故常成垂直的土壁；黃土佔據地表十分之一面積； 山西陜西省居民多據黃土窯洞而居 (圖 9.32) 。四. 沙漠和沙漠化(Desertification):1. 沙漠形成的原因 :世界上主要沙漠分布地帶見於圖9.33 ，它們形成的原因如下 : (1) 受到全球對流模型的影響 : 大多數主要的沙漠均發生在大約 30o N 與 30o S 附近，因為在該處均為下

15、沉的氣流特別發達，故乾燥缺雨。(2) 地形 (Topography) 也是控制降雨量一個重要的因素， 在山的背風面 (leeward side)通常構成一個降雨的陰影帶 ，故常形成沙漠 (圖9.34) 。 (3) 與海洋地理位置的遠近與否，也是構成沙漠的重要因素。2.沙漠化 :這個名辭只限用於有些地區因人類活動的影響，導致該區在短期內變成了沙漠。乾地 (Arid lands): 指該區域之年降雨量少於250 毫米 (10 英吋 ) 。半乾地(Semiaridlands): 指該區域之年降雨量少於250 毫米至 500 毫米間(10 -20 英吋 ) 。“沙漠化 ”一辭並非指沙漠的前進或擴展(如

16、撒哈拉沙漠 ) ， 沙漠化是指一些地方由於農地使用方式之改變，致使原為乾燥的可耕地變成不可耕地， 沙漠化通常與植被受到侵襲有關。巴西亞馬遜河流域，可能因著熱帶雨林持續的被砍伐破壞 ，目前正面臨有史以來最嚴重的乾旱 (圖 9.35) 。五 . 地球過去與現今氣候比較1. 氣候變遷之證據地球上有許多地質記錄，可證明地球過去曾多次發生氣候的變遷。18O 與16O 之比值特別證明這一點 : 研究 16O 與其穩定同位素 18O 時發現， 18O / 16O 值的變化與過去海水的溫度有關。海水中 18O /16O 被保存於有孔蟲 (一種動物性浮游生物 )殼的碳酸鈣成分中 ，在取沉積物的岩蕊中可测得 ，例

17、如圖 9.36 中 18O/ 16O 值的變動，表明過去五十萬年海水溫度曾多次變化。為何 18O / 16O 值表示過去海水溫度的變化呢？ 這是因為 18O 原子比 16O 原子重，海水中水分子 (H 2O)同時含有 18O 與 16O ，但要使含有較重的 18O 的水分子從海洋表面蒸發，需要較多的能量。同時隨著潮濕空氣向南北極流動並逐漸降溫過程（失去能量），含有 18O 的水分子比較容易因降雨而排出。因此天氣越冷，海水中含 18O 水分子越難得到能量蒸發，並且空氣中含 18O 水分子也更容易因降雨而排出，結果有更多較重的 18O 留在海水中，使海水中 18O / 16O 值並平常高，而有孔蟲

18、的殼只是忠實的記錄了這個長期的氣候變化而已，圖9.36 中可看出在過去的五十萬年之間至少有五次的海水變冷記錄 ，這就是我們推論已過地球上有過冰期的有力證據。2. 地質史上的冰期 (Glaciation) 與間冰期(Interglaciation):當地球溫度下降，南北極冰被的擴張期稱為冰期(圖 7.12) ，目前全球處於間冰期，故海平面逐年上升。冰期形成的可能原因:(1) 一說可能由於 太陽黑子 Sunspots 的活動有週期性。(2) 也有人說由於 大陸漂移 : 在原始大陸時大陸為一整塊，故洋流之對流更通暢(沒有任何阻擋 ) ， 赤道附近熱水能更有效流到兩極 ，故全球溫度較低；原始大陸裂開後

19、影響大洋對流。(3) 火山活動 造成火山灰大量噴發，遮蓋了太陽的輻射。(4) 歲差 (Precession): 如圖 9.37 中地球自轉軌道軸心傾斜，其本身一如陀螺般繞著中心轉動 (呈 角度 22o-24.5o) ，在物理學上稱這種現象為進動，在天文學上稱這種現象為歲差，歲差之週期為兩萬六千年，與冰期之週期略為相近，歲差會影響地球的受熱多寡，所以可能與冰期及間冰期的造成有關。3. 溫室效應 (Greenhouse Effect) 與全球暖化現象(GlobalWarming):(a) 二氧化碳 (C O2) and 水汽 (H 2O) 有吸收熱能之功能，使空氣暖和，這就是溫室效應 (圖 9.3

20、8) 。 甲烷 (CH4) ， 二氧化氮 (NO2) 與氟氯碳化物 (CFCS ) 也都能吸收熱能， 這些合稱溫室氣體。(b)全球暖化 : 十九世紀始工業開發以後，大量燃燒汽油，產生二氧化碳：有許多數據證明全球暖化現像，這使海平面上升。下面是一些數據 :- 2005 年是過去 400 年最熱的一年，平均溫度是 58oF, 高於一個世紀前 1oF- 從 1880 年至 2005 年的記錄顯示， 從 1990 年至 2005 年，有十年溫度列前十名。- 預測至 2100 年地表溫度將上升 1 至 3.5 。4. 全球暖化與氣候變遷 :所謂氣候變遷是指著因人類經濟活動的發展，導致大氣中溫室氣體的濃度

21、增加，造成全球暖化、海平面上昇、生態系統失衡，使生物數量銳減，並造成生物生存的威脅 。1996 年聯合國氣候變化政府間專家委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的報告指出，人類活動所排放的溫室氣體，若不採取任何防制措施， 全球平均地面氣溫於 2100 年時將比 1990 年時增加 1 至 3.5 ，海平面將上升介於 15 至 95 公分。我們現有的氣候模式仍無法預測 21 世紀的氣候，但有許多跡象顯示 ，全球暖化似乎已經開始對全球氣候產生一些變化，例如研究美國、瑞士、義大利的許多高山冰川顯示，大多數的冰川目前都在後退中；又如最

22、近發現因冰棚逐漸融化造成北極熊溺斃大增，溺斃原因是由於浮冰不斷融化，北極熊被迫進行長泳覓食，因而體力衰竭；台灣高山上每年在一、二月才開花的山櫻花近幾年也出現提早開花的異常現象，有的甚至八月就已開花；國外許多學者還發現，兩棲類生物尤其屬於環境指標物種的蛙類，近年來種類有減少趨勢。還有許多事例說明全球暖化對氣候變遷的影響，相信未來會對全球帶來更大的衝擊。5. 聖嬰 El Ni?o 與 拉妮娜 La Ni?a:(1)聖嬰 El Ni?o(a) 定義 :定義 :聖嬰 ( 圖 9.39)是指赤道附近太平洋海水水溫周期性的變暖(圖9.40)並導致氣候異常；每隔幾年到近年底時發生，赤道太平洋營養貧乏的表面洋

23、流往東流動，取代了表面較冷、營養豐富的海水； 因為聖嬰發生的條件多半在近聖誕節時，故被稱為聖嬰 (西班牙文神之子 ) 。(b) 機制 : 在正常機制下 (圖 9.41) ， 在祕魯外海之 SSTs 海流是冷的，因海岸的湧昇流 (Upwelling) 從深部被帶到表面， 而在赤道太平洋西部的海水是熱的，往西吹的貿易風使海水在印尼附近堆積，致使其海水面比南美洲海岸高出 ? 公尺， 並使海水較熱及帶來高降雨量。(c) 當聖嬰事件發生時，貿易風減弱甚至反向 (由西向東吹 ) 吹， 前述正常機制改變 (圖 9.42)，因而使 (1) 在祕魯沿岸冷的表面海流被熱水取代，致使魚類大量死亡； (2)印尼附近海

24、水面下降， 但太平洋東部海水面上升。(d) 這個海水較平常溫暖也影響全球氣候變化， 有些地方因缺雨而成乾旱，有些地方因多雨而造成洪水 (圖 9.43) ，例如 1997-98 聖嬰事件造成長江流域水災並數十萬戶房屋受損。(2)拉妮娜La Ni?a:定義 : 拉妮娜 ( La Ni?a) 現象，指赤道附近東太平洋水溫異常下降的現象 , 並導致氣候異常 。在聖嬰事件過後通常貿易風回歸正常； 但如果貿易風過分強烈，則上述聖嬰機制反向運作，冷的海水向太平洋中部與東部移動；這個海水變的較冷的機制通常運作 9 至 12 個月，有時持續兩年。 研究發現颶風發生次數多寡與該年是否為 La Ni? a 年有關，但兩者相關原因仍待更進一步研究。第九章問題1. 冰川如何形成2. 請繪圖並說明一個完整的冰川系統。3. 冰川的侵蝕作用造成那些地形4. 冰川的沉積作用造成那些地形5. 何謂冰磧物它與河流的沉積物有何不同6. 請說明冰期與間冰期形成的可能原因。7. 何謂噴射氣流 它對大氣有何影響8. 風的磨蝕作用與吹蝕作用造成那些地形9. 請簡述沙丘的種類與其形成原因。10.沙漠形成的原因有那些11.何謂聖嬰與拉妮娜現象請說明其機制。