冰期与间冰期之间的转换机制.ppt

第六章 第三节冰期与间冰期之间的转换机制,一、冰盖与海水反馈 （气温对水固液态转换的影响）,北半球冰盖随冰期间冰期的转换而发生大幅度的往复进退，但冰雪积累冰盖扩展的过程十分缓慢，冰雪融化、冰盖退缩的过程却十分迅速，成不对称变化的特点，这一过程既是对全球温度变化的响应，同时也对全球温度变化起到强烈的正反馈作用。气候变冷导致高纬度地区冰盖的积累与扩展，而陆地冰盖与海冰的扩大进一步促进了变冷；当气候变暖时，冰盖退缩，也存在同样的正反馈过程。 与冰盖的扩张与收缩相关联的是全球海平面的升降。,全球海平面的升降,1、间冰期到冰期的转换 在从间冰期向冰期转换的过程中，气温下降，大量的水分被从海洋转移到冰盖中固定下来，导致全球海平面随着冰盖的强烈扩张而发生大幅度下降。由于冰期大洋缩小，海面蒸发减弱，导致全球降温减少，气候变干，陆地冰盖因缺少水分供应而不会无限制增大，使冰盖反射率反馈不至于无限制增加。,全球海平面上升,2、冰期到间冰期的转换 当从冰期到间冰期的过程开始后，气温升高，大量的水分从冰盖中返还到大洋中，导致海平面上升。 1）融冰机制一：海平面上升会托起搁浅在陆架上的冰盖，使他们破碎并随海流向外海流动。这一过程的一个重要后果是，原先由浅海海冰支撑的位于陆地高处的冰体开始流动，内陆冰穹上大量的冰流可能会因此而开始快速移动，快速流动的冰流会把内陆的冰体送到海边，随着内陆部分冰盖冰体的流失，会使冰盖变薄，这种冰盖消退过程通常被称为“下削”。 这种机制的意义在于，冰盖作用的增强不是靠大气的增温使冰体融化，而是靠崩裂的海冰随海流飘走之后由海水的热量使冰融化。 类似的过程也发生在陆地上冰盖边缘的冰水湖泊中。,2）融冰的另一反馈机制：是使水汽减少，早期的融冰使大量淡水进入大西洋，如果这些淡水在咸水之上形成一个淡水层，寒冷的淡水限制了咸水的蒸发，并且使海水的范围扩大（淡水的冰点为0摄氏度，海水的冰点为-1.9摄氏度），减少向陆地上冰盖供给水汽，促使冰盖进一步瓦解。,二、大气温室气体的反馈与气溶胶反馈,南极冰芯记录显示，温室气体C02与CH4，呈现与温度变化相同的趋势。这种强相关暗示着存在着大气通过温室气体的变化影响温度的反馈作用，使得变冷或变暖的程度加大。在增暖事件中，C02的变化与温度的变化几乎是同步的，但落后于日射变化。在变冷事件中，温度变化落后于日射变化，而C02的变化又落后于温度的变化。,1）co2含量变化与全球温度变化,大气co2含量变化部分是由与全球温度有关的生物的反馈作用调控的。大气co2变化可能主要是海洋的“生物泵”作用所产生的一种效应。 在冰期的寒冷时期内，海洋表面冷却增强，使得作为海洋表层生物生活空间的海洋混合层的深度增大，混合层的深度愈大，意味着有更多的浮游生物生长，因此有更多的碳被固定到深海沉积之中，相应的海洋表层从大气中获得更多的co2，导致大气co2的减少。相反，当冰期结束，全球温度开始升高以后，生物泵作用减弱，大气中的co2含量开始增加。 此外，冰期大洋温度降低可使海洋溶解co2的能力增大，也导致大气中Co2的减少。 在冰期的冷干环境下，陆地上干旱草原环境的扩张，强烈的黄土堆积，均可使陆地上土壤和沉积物固定碳酸盐的能力增大，导致大气中co2的减少。 无论何种原因造成的大气中co2减少，都会进一步加剧气候变冷的过程。,海洋生物泵,南极沃斯托克站冰层研究检测出过去450 000年中二氧化碳、温度和尘埃变化情况。,2）CH4含量变化与全球变化,陆地上的沼泽湿地是自然界中CH4排放的主要源地，冰期CH4减少可能与冰盖扩展、海面下降、气候变干所CH4的变化可能主要是全球气候变化的结果，但其正反馈作用使得关系复杂化。,3）大气水汽含量与全球气温变化,冰期海面寒冷向大气输送的水汽含量减少，大气重视其含量减少，减弱了水汽作为温室气体的功能，其正反馈同样加剧气候变冷。但水汽减少使得天空云量减少，能增加入射的太阳辐射，对变冷起负反馈作用。,海陆间水汽循环,大气水汽阻挡太阳辐射进入地面,4）大气粉尘浓度与全球温度变化,冰期降水减少，风速增大，经向环流增强，浅海大量出露为大陆，陆地植被覆盖降低，有大量的尘埃由陆地吹向海洋，甚至到达南极中部，冰芯中粉尘浓度在冰期时增大，冰期最盛期冰芯中的粉尘浓度是冰后期的70倍。气溶胶粒子在大气中的载荷增大具有正反馈效应，能将太阳辐射反射回太空，从而加剧地面冷却，使冰期加剧。间冰期时情况相反。,强沙尘暴席卷城市,三、大洋传送带的变化,大气水汽传输与海洋盐分传输之间存在密切的关系。当水分从一个大的流域盆地输出到另一个流域时，盐分仍留在原来的流域盆地。以此方式产生的盐分累计必定由全球海洋范围内的高盐度水体与地盐度水体的相互交换所抵消。由于盐分增加海水的密度，所以水汽运移的变化不仅导致大洋环流速度的改变，而且可导致大洋环流形态的改变。因此，大气与海洋以这样的非线性方式紧密连接在一起，形成一个对环流方式转换十分敏感的耦合系统。,现代海洋中，大西洋水汽的总损失量为450000m3/s，恰好相当于太平洋和印度洋的总获得量。 由于水汽损失而留在大西洋里的过剩盐分通过北大西洋深水外流而运到南极附近的环状环流圈，部分向北流到印度洋，其余的一直向东流入太平洋，在此受温暖和入注淡水的稀释作用，海水密度降低并上升到海面，然后向西运动返回到大西洋，构成一个跨越大洋的海洋“传送带”。,全球海洋传送带,现代海洋中温度盐份环流示意图,北大西洋地区通过此传送带获得的热量远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化导致的增热量，因而有人提出大洋环流气候关系模式来解释冰期间冰期的转换机制。,现代海洋化学研究表明，底栖有孔虫生长环境中水体的PO43-浓度与有孔虫壳体的13C成反比，与Cd/Ca成正比，因此碳同位素和Cd值可以反应深水营养的变化。大西洋深水来自营养匮乏的亚热带水源，而南极水体源于深部上升的富营养水体，因此大西洋深水相对于南极水体富13C而贫Cd，根据底栖有孔虫壳体的13C和Cd的高低可以对大洋深水的源地进行区分。北大西洋深海岩芯（33。41N，57.37W）资料表明，冰期深水（4450m）的13C值比现在低而Cd值高，据此推断，冰期时大洋深部环流形态与现代有很大差别，北大西洋传送带在冰期期间大大削弱甚至不存在，而南极深水却伸展到北大西洋的中纬度甚至高伟地区。北大西洋深水的比例于14kaBP从冰期时的低谷上升到与现代大洋相近的水平，表明大洋环流形式发生了重大改变，此一改变与冰消期开始的时间一致。此高大西洋水通量在维持了2000多年后发生衰减，到11kaBP前后，北大西洋深水流量衰减到仅比冰期极盛期略高的水平，此变化被用于解释新仙女木事件发生的原因。此假说认为，,14kaBP末次冰期终止之初，大洋环流已转换到现代的形式，由于北美劳伦泰得冰盖的迅速消融，大量融水倾泻到北大西洋，海洋表水被淡化，以致无法形成深水层，这样导致传送带环流暂时性关闭，从而引起北大西洋周围陆地明显变冷甚至影响整个世界的气候。在新仙女木事件之后，北大西洋深水的通量重新增大到与现代相当的水平，从而完成向间冰期环境的转换。,四、火山活动的作用,在第四纪历史上，火山活动的强度有过较大的变化，有可能对冰期间冰期的气候变化产生影响。 对深海岩芯的研究表明。近2MaBP以来的第四纪期间是火山活动显著加强的时期。在解释末次冰期间冰期气候变化的阶段性和一些主要事件时，火山活动的影响受到重视。,火山喷发大量火山灰尘进入大气,1、在印度洋深海沉积中。氧同位素阶段5和氧同位素阶段4之间的层位上存在一火山灰层。此火山灰层是73.5kaBP Sumatra岛上的Toba火山强烈喷发形成的。南极冰芯记录中由火山喷发形成的非海相硫酸盐含量在此期间开始显著增加。由在此期间沉积物中普遍存在的火山灰层所表征的强烈火山喷发时期，可能有数十亿吨的火山灰微尘喷发到30km的高空，由此阻碍 了太阳的入射辐射，可造成全球温度降低35摄氏度达数年之久，在高伟地区的降温幅度可达1015摄氏度。这样的降温足以导致在北美的魁北克和拉布拉多形成永久积雪，欧洲的纳维亚地区可能也是如此。此期火山喷发事件可能导致最后冰期开始的触发因素。与此相对应，在深海同位素戒断与阶段4之间，存在表征最后冰期开始的强烈转折事件。,2、Bryson（1989）根据40kaBP以来火山活动的年代数据编制了火山活动指数，用以表示火山爆发频率的变化。结果表明，火山爆发频率最高的时期为25kaBP附近，与最后冰期最后冰期最盛期开始的时期相当。此外还出现许多较小的峰值，如11.9kaBP前后有一个次峰值，略早于新仙女木事件开始的时间。把火山活动作为一个强迫因素与轨道参数一起参与模拟，能较好地模拟出第四纪晚期全球冰体积的变化，像新仙女木事件这样的短尺度变化事件也被模拟出来了。因此，Bryson认为：这些结果表明大多数1001000年尺度上的事件是由火山爆发的频次变化引起的。,五、研究过程中的教训,地球气候系统是非常复杂的，它的变化是非线性的，它同时受多种因素的影响，这其中有长期的，也有短期的，有内部的，也有外部的。突发的历史事件可能会在一个时期内对地球气候产生深刻的影响，任何一个气候模型都不可能完全精确的预测出未来的变化。我们不能仅根据几年的气候变化就对未来做出草率的预测，曾经有科学家根据几年内平均气温的降低就预测全球气候将迎来一个十分寒冷的时期，结果随之而来的是全球大部分地区变暖，成为了科学史上的一个笑话。因此我们认为，在对地球气候系统的研究中，要对所有因素综合考虑的同时，适当的忽略次要因素，从而对气候变化做出大略的估计。 我们在对冰期的学习过程中，发现一个理论的建立总是在不断地被质疑、被修改的，重要的是我们要用科学的方法和科学的思维对整体进行把握，不懈努力，在改进中前进。,谢谢！,