全球变暖在一亿年后达到高潮：时光倒流与大陆的聚散周期

                                杨学祥，杨冬红

大陆漂移说认为，地球上所有大陆在中生代以前曾经是统一的巨大陆块，称之为泛大陆或联合古陆，集中在南极附近；中生代开始，泛大陆分裂并漂移，从南极向北极集中，逐渐达到现在的位置。

周期性意味着可以按时光倒流来推演大陆的聚散过程：目前，大陆正在进行从北极向南极集中的过程，这期间，类似中生代的全球气候温暖期必然到来，全球变暖在一亿年后达到高潮，大冰期在2.5亿年后在南极“终极盘古大陆”上发生。

大陆为什么从南极走向北极？

2016年08月05日 08:12 新浪科技报道，科学家研究认为，世界各大洲又在逐渐靠拢，并可能将于2.5亿年后形成一个类似于盘古超大陆的“终极盘古大陆”。

新浪科技讯北京时间8月5日消息，据国外媒体报道，地球的陆地一直在不断地位移，根据其反反复复的运动规律，科学家们可以了解其历史形态，也可以预测其未来命运。大陆漂移说认为，地球上曾经存在的盘古超大陆后来逐渐解体形成如今的各个大洲。现在，美国德州大学阿灵顿分校科学家研究认为，如今的大陆又在逐渐靠拢，并可能将于2.5亿年后形成一个类似于盘古大陆的超大陆--“终极盘古大陆”。

http://tech.sina.com.cn/d/n/2016-08-05/doc-ifxutfpf1271210.shtml

大灭绝事件后为何数百万年内无法恢复？或因海洋温度过高

2016年09月03日 09:07 新浪科技报道，距今大约2.5亿年前的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”，该事件发生之后长达数百万年时间内生命都未能恢复元气，远远超出了其他灭绝事件，因而被称作“大死亡”。其成因或与西伯利亚的火山大规模喷发有关。在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”之后，生命的复苏过程大约花费了500~900万年之久。在此次严重的灭绝事件中，地球上海洋生命的96%以及陆地生命的大约70%都消失了.

　　在漫长的地质历史时期曾经发生过多次严重的生物大灭绝事件，这是地球历史上最具灾难性的时刻，它们几乎将陆地和海洋中的生命彻底抹去。而其中最严重的一次大灭绝事件便是发生在古生代二叠纪末期，距今大约2.5亿年前的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”，该事件发生之后长达数百万年时间内生命都未能恢复元气，远远超出了其他灭绝事件，因而被称作大死亡(The Great Dying)，或是“大灭绝之母”(Mother of all mass extinctions)。

　　对于为何在此次大灭绝事件之后在如此漫长的时间内生命都无法恢复这一问题上，科学家们最近取得了一些新的认识。

　　研究人员对加拿大北部高纬度地区进行了考察，该地区当初曾经是超级大陆“泛大陆”(Pangaea)的边缘地带。科学家们发现在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”发生之后，环境中出现了一段显著的营养物质空白时期。

　　这样的情况可能是由于当时海洋温度的急剧上升导致的结果，这种情况可能会阻碍环境食物链底部生物的生产能力并延缓海洋生命的复苏进程。

　　在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”之后，生命的复苏过程大约花费了500~900万年之久。在此次严重的灭绝事件中，地球上海洋生命的96%以及陆地生命的大约70%都消失了。

　　约瑟·柯尼斯(JochenKnies)是北极天然气水合物、气候与环境中心(CAGE)的研究人员，他表示：“这场严重的大灭绝事件起因可能是位于今天西伯利亚地区的大规模火山喷发。”他说：“当时的这场火山喷发持续了数百万年时间并释放出巨量的挥发物成分，如二氧化碳和甲烷，这些都是温室气体，从而造成地球严重升温。”

http://tech.sina.com.cn/d/n/2016-09-03/doc-ifxvqcts9352877.shtml

大陆漂移的历史轨迹

大冰期(ice age)也叫冰河时代(在新生代的第四世)、冰期、冰川期。现在地球上冰川的面积为1497万平方公里，占陆地面积的10%，但在地球的历史上，冰川的面积曾经要大上很多倍，形成大冰期(iceage)。

有记载的大冰期一共发生过三次，周期为将近三亿年发生一次。第一次发生在大约六亿年前的元古代末期，称为震旦纪大冰期，这次大冰期在世界各大陆产生的时间略有不同，当时地球上的动植物还很贫乏。第二次发生在大约三亿年前的石炭纪至二叠纪，这次大冰期主要发生在冈瓦那古陆，其中在南美洲和非洲发生和消退的时间较早，在印度和澳大利亚发生和消退的时间较晚，冰川退却之后，出现大面积的舌羊齿植物群。第三次大冰期就是最著名的第四纪大冰期，也是对现在影响最大的冰期。

大陆漂移说认为，地球上所有大陆在中生代以前曾经是统一的巨大陆块，称之为泛大陆或联合古陆，集中在南极附近；中生代开始，泛大陆分裂并漂移，从南极向北极集中，逐渐达到现在的位置。大陆漂移的动力机制与地球自转的两种分力有关﹕向西漂移的潮汐力和指向赤道的离极力。较轻硅铝质的大陆块漂浮在较重的黏性的硅镁层之上，由于潮汐力和离极力的作用使泛大陆破裂并与硅镁层分离，而向西、向赤道作大规模水平漂移。

根据莱伊尔的陆海分布决定地球气候理论，大陆集中在两极行程极冷气候，大陆分散在赤道形成极热气候，地球气候变迁是大陆在两极间漂移的有力证据（见图1）

我们在1998年提出，太阳辐射和太阳风使彗星产生彗尾、地磁场产生磁尾，通过对地磁场的压缩也会产生液核磁流体的背光偏移形成内磁尾以及内核的向光振动。太阳系轨道周期和地球轨道周期使地球内核振动具有1天、1月、1年、18.6年、29.8年周期，还有2、4、10、40、50000万年的南北方向振动周期以及1万多年和2亿多年的地核向心和离心振动周期。

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图1 大冰期形成原因：太阳风迫使地核南北漂移，导致地幔对流使大陆在南北极集中和分裂，形成大冰期和温暖期的反复交替

表1  地球自转周期与地质旋回

根据地质和气象等综合数据，表1-2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应。

叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO₂的含量十倍于现在；陨石增多。在此期间，地球自转速度处于峰值。相反，437Ma的奥陶志留纪大冰期和437Ma的石炭二叠纪大冰期对应地球自转速度低谷。

巨大火成区来自核幔边界地幔柱的猛烈喷发，核幔边界地幔柱喷发的能量又来自何处？

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转（SteinerJ,1967; 杨学祥等，1998；杨冬红等，2013）

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。最强的太阳辐射加强圈层角动量交换，使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模地幔柱喷发的原因。

化石种类数据的小波分析显示存在大约62Ma和140Ma两个明显周期。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。这些新的结果指出，各种地质过程的一致性可能是与深部地幔的活动变化相关的。银河年280Ma周期在地球大冰期和温暖期转换周期、地球自转长期变化周期、火山喷发长周期、陆海变动周期、造山作用周期、地磁极性变化长周期都有明显的表现。280Ma周期是140Ma周期的倍数周期，是140Ma周期受控于银河年周期的证据，最可能的因素是太阳辐射强度的变化。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的地幔柱活动有控制作用（图2）。

图2  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系：海底藏冷效应和海洋锅炉效应http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-996823.html

巨大火成岩省形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是，导致全球变暖的巨大火成岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。巨大火成岩省的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma）[36, 41]，对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。海洋是CO₂的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源。

杨学祥和杨冬红分别在1997-2011年提出了“海底藏冷相应”、“海洋锅炉效应”、“拉马德雷冷位相灾害链”、200年和准60年“潮汐降温效应”。

海底温度测量表明，海底冷水层的温度为摄氏2度，表层海水水温为27.5度左右，温差为25.5度，为强潮汐调温效应和海震调温效应提供必要的条件。历史资料显示，在全球温暖的白垩纪，海洋底层温度为15度，表层温度为21度，温差为6度。这是强潮汐调温效果在白垩纪显著降低的原因。而在第四纪冰期到来之前，海洋底层水温度逐渐降低到0度，增大的温差为强潮汐和海洋巨震的调温作用准备了条件。超低海底冷水被强潮汐和海洋巨震翻到海洋表面，使大气迅速变冷，导致冰期的到来。

　　赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者。

　　海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度，喷发过程经历了几百万年时间。有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4度以上。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。

http://guancha.gmw.cn/content/2007-12/25/content_715516_2.htm

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-736985.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-521283.html

简短结论：

统一大陆集中在南极或北极，海底藏冷效应，海底温度下降，海洋吸收大气中的温室气体，是大冰期形成的原因；

大陆分散在赤道，海洋锅炉效应，海底火山喷发和海底温度上升，海洋中温室气体向大气的排放，是全球温暖期形成的原因。

人类释放的温室气体可以加剧全球变暖，但是，大冰期的结束和全球变暖高潮的到来最终取决于全球火山大规模的喷发，就像开始于2.48亿年的西伯利亚的火山大规模喷发及其后的一系列大规模海底及其边缘火山喷发，导致石炭二叠纪大冰期的结束和中生代温暖期的产生。

海洋温度，特别是海底温度，是检验气候变化趋势的最可靠标准：近一亿年间海洋底层水冷却了15℃，大气冷却了10-15℃，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃，目前为2℃。海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库，如果海洋底层水温度没有提高到一亿年前的水平，全球就不会重现中生代白垩纪的高温期，强潮汐和强震会不断用海底冷水来冷却大气，使气候变冷。

大规模海底火山喷发导致海底温度上升，这是全球变暖进入高潮的主要标志。

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