全球变化- 杨学祥工作室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/杨学祥 吉林大学地球探测科学与技术学院退休教授,从事全球变化研究。

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南大洋深处的二氧化碳储存和释放 验证海底藏冷效应和海洋锅炉效应

已有 1083 次阅读 2018-11-13 16:54 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流| 海洋碳循环, 温盐循环, 海底藏冷效应, 海洋锅炉效应, 火山双重作用

 

南大洋深处的二氧化碳储存和释放 验证海底藏冷效应和海洋锅炉效应

                                       杨学祥,杨冬红(吉林大学)

 

《海洋科技快报》

2018年第11]情报条目详细信息

Nature:百年时间尺度上南大洋深处的二氧化碳储存和释放

编译者:mall发布时间:2018-11-9点击量:34 来源栏目:海洋科技快报

 


目前,在最近的冰河时代中,大气二氧化碳(CO2)含量变化的原因还没有完全被解释清楚。冰期-间冰期CO2含量变化的机制都以深海的碳交换为中心,因为深海的含碳量体积庞大,与大气的交换相对较快。南大洋被认为在这种循环中起着关键的作用,因为在南大洋大部分的深海都与大气相连通。然而,由于南大洋深处的碳储量变化很难重建,因此对这一假设的直接检验很少。

这项研究展示了深海珊瑚硼同位素数据,追踪了在过去四万年中,南大洋深处的pH值和CO2含量的变化。研究发现,在最靠近南极大陆边缘的地方,最受南部深海海水影响的地方,海洋pH值与大气CO2之间存在着密切的关系:在低含量CO2的间隔期间,海洋pH值较低,反映了海洋碳储量的增加;在CO2含量不断增加的过程中,海洋的pH值会上升,这反映了海洋和大气中碳的损失。相应地,深度较浅的地点上,在CO2含量突然增加的过程中pH值迅速下降(从千年到百年的尺度),这反映了CO2从深海迅速转移到上层海洋和大气。研究结果证实了南大洋在冰河时代CO2含量变化的重要性,并表明深海CO2的释放可作为一百年尺度上气候快速变化的动态反馈。

(刘思青 编译)

原文题目

CO2 storage and release in the deep Southern Ocean on millennial to centennial timescales

原文来源

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0614-0?tdsourcetag=s_pcqq_aiomsg

http://stm.las.ac.cn/STMonitor/qbwnew/cyjbRecordShow.htm?id=3167&periodicalId=802&serverId=108

 

由中科院武汉文献情报中心学科情报中心编辑的最新一期《海洋科技快报》已发布,供您作为情报参考!如要查看更多详情,请访问:http://marine.whlib.ac.cn/STMonitor/qbwnew/cyjb.htm?serverId=108

 

温室气体伴同冷水的深海循环:冰期时代的温室气体去向

已有 5986 次阅读 2015-1-19 18:26  

温室气体伴同冷水的深海循环:冰期时代的温室气体去向

                                  杨学祥,杨冬红

 

关键词:气候变化,温室效应,潮汐效应,“海底藏冷效应”,太阳活动

 

一、20世纪的升温可能标志着气候变化千年周期中的下一个温暖期的开始

 

学者王宁练,姚檀栋和邵雪梅在2001年对20世纪气候变化原因存在的争议进行了综合分析,指出尽管气候变化的“温室气体理论”还存在许多来自冰芯和地质证据的冲击,然而大气温室气体含量增加对于气温的放大作用是肯定的。结合温室气体含量与气候变化这一论题,指出目前应重视的一些研究内容。同时简要分析了不同时间尺度气候变化的原因,认为太阳活动与地球气候系统之间关系研究将是一个活跃的领域。

气候变化的原因在不同时间尺度、不同时期是不同的。例如Mann等利用冰心、树轮、历史记录、珊瑚等资料,高分辨率地重建了过去600年来北半球的气温变化,并通过统计分析认为北半球气温波动在17世纪主要受太阳活动的影响,在18世纪和19世纪主要受火山活动的影响,而在20世纪主要受温室气体含量变化的影响。

然而,20世纪气温是在波动中上升的,这一事实是同期稳定上升的温室气体含量变化不能完全解释的。Rind发现过去100多年全球海面温度变化与太阳黑子数的包络趋势相一致,这一结果给气候变化的“温室气体理论”带来很大的冲击。之后,Friis-Christensen等假定太阳的黑子周期长度可以作为太阳活动的一个指标,并且黑子周期长度越长,表明太阳活动越弱,反之则表明太阳活动越强。他们将北半球陆地观测到的气温变化与太阳黑子长度变化进行对比,发现二者存在相当一致的变化,1865-1985年两系列变化之间的相关系数高达0.95.Cliver等研究发现,1880年以来太阳活动的aa指标与全球气候之间的相关系数高达0.9。最近的模拟研究结果表明,20世纪气候变化存在人类活动的影响,同时只有将自然因素与人为因素相结合才能正确解释这一时期的气候变化,并且可以解释20世纪观测到的年代际气候变化的80%以上(见图1)。

 

1 18601989年北半球气温变化曲线和太阳黑子周期的长度变化曲线对比

 

根据更长时期气候变化的研究结果,现在对于20世纪气候变化的原因又增加了气候千年尺度周期变化影响的可能性。对于高分辨率格陵兰冰芯记录和深海沉积记录的研究,发现其中1500年左右的周期一直从末次冰期延伸至全新世,并且现在仍在继续,那么20世纪的升温可能标志着该千年周期中的下一个温暖期的开始[1]

我们的研究表明,事实正是如此。

 

二、1500-1800年潮汐周期与全球气候变化

 

在十五世纪至十七世纪的二百余年内,全球强震发生频繁,其它自然灾害也很集中,如瘟疫流行,低温冻害严重,被称为小冰期时期。这个时期也正是太阳黑子蒙德极小值时期,太阳活动处于低值状态,有人把它看作是小冰期气候产生的原因。小冰期气候是玛雅文明消失的原因。

1997年邦德通过分析大西洋底的沉积层,发现地球的寒冷期和温暖期出现有规律的波动,波动周期大约为1500~1800年。

2000年加州大学圣地亚哥分校海洋学研究所的查尔斯. 季林说,月球通过影响地球上的潮汐使地球的温度上升,是地球的恒温器。季林认为,地球、月亮和太阳相对位置的变化会引起潮汐强度的逐渐变化,其周期与邦德提出的“气候周期”是一致的。当日、地、月排成一线且相互距离最小时,日月引潮力相互加强而变为最大,地球海洋潮汐规模也最大,这时就有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上的空气。当日、地连成的直线与月、地连成的直线相互垂直时,太阳潮汐减弱月球潮汐,使地球海洋潮汐变小,这时海洋深处的冷水很难被带到海面,世界就变得暖和。据季林的计算,大约在1425年即小冰期的末期,潮汐达到了最大值,从那以后逐渐减弱,直到3100年潮汐又达到最大值。这个周期是过去1万年气候变迁的主要动力。这个效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪,而后随着潮汐的增强,地球的气候将逐渐变冷(见图2)。

潮汐高低潮还有200年左右的明显周期变化。其中,1425年、1629年两次峰值对应小冰期时期,1770年的峰值对应18世纪的低温,1974年的峰值对应20世纪70年代的气候变冷。特别是54-56年周期(“太平洋十年涛动”周期,英文缩写为PDO),在全球气候变化中有非常明显的作用。

过去5000年间,太阳活动较弱或没有的时期与历史记录中的冷期相对应。太阳活动减弱的主要时期有:奥特极小期,沃尔夫极小期,史玻勒尔极小期和蒙德极小期。最近发现,潮汐、火山活动与太阳活动有相同的200年的周期,与200年气候周期相对应。

 

2 潮汐强度变化的1800年周期(据Charles D. Keeling and Timothy P.Whorf2000

 

1  太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期对应的200年周期

太阳黑子延长极小期

时间(年)

坏天

时代

潮汐极大年时间

火山活跃时间

全球

气温

欧特

1040-1080

1010-1110

1062

??

低温

沃尔夫

1280-1350

1165-1360

1264

1275-1300

小冰期

史玻勒

1450-1550

1420-1525

1425

1440-1460

1470-1490

小冰期





1570-1600


蒙德

1640-1720

1600-1725

1629

1640-1680

小冰期

道尔顿

1790-1830

1790-1915

1770

1810-1820

小冰期





1850-1860

1870-1890

1900-1920


21世纪

2007-??

1997-??

1974

1980-??

低温?

注:数据来自文献[72546]

2  1890年以来特大地震、气候变化和PDO冷位相对应关系的准60年周期

年代

8.5级以上地震次数

全球9级以

上地震次数

PDO时间位相

气候冷暖

 全球

中国

1890-1924

64

1

0

1890-1924

低温期

1925-1945

11

0

0

1925-1946

温暖期

1946-1977

117

1

4

1957-1976

低温期

1978-1999

00

0

0

1977-1999

温暖期

2000-2012

66

0

2

2000-2030

低温期?

注:括号内为国外数据,?表示预测。

 

国内外相关研究表明,太阳黑子周期长度的变化与地球冷暖变化也具有相关性。汤懋苍等人指出,依据太阳黑子周期长度(SCL)资料,将过去2500年分为"好天时代"(SCL11)"坏天时代"(SCL11),发现在"坏天时代"中国旱灾频率显著高于"好天时代""()天世纪"与气候暖()期有好的对应;太阳黑子延长极小期、冷气候和SCL (即坏天时代)的对应关系见表1。这表明,SCL长,太阳活动弱,全球气温降低,太阳黑子延长极小期和SCL长(坏天时代)一一对应。从公元850年起,我们可以确定的太阳黑子延长极小期就有5次之多,它们与潮汐最大值对应,与低温和小冰期对应。值得注意的是,1890-1924年和1947-1976年拉马德雷冷位相时期与太阳黑子周期长度谷值相对应,1925-1946年和1977-1999年拉马德雷暖位相时期与太阳黑子周期长度峰值相对应。除潮汐变化外,太阳活动可能是拉马德雷现象的形成原因之一。潮汐增强、太阳黑子延长极小期、太阳黑子周期长度变长、拉马德雷冷位相和冷气候有很好的对应关系。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-735952.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-726547.html

在潮汐1800年周期变化幅度上,目前全球气候正处于变暖的峰期(见图2)。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-860579.html

 

三、冰期时代的温室气体去向

 

Crowley认为,如果人类将已探明的化石燃料全部消耗,那是大气中的CO2含量将是工业化前的67倍,这与白垩纪时期大气中的CO2含量水平相当[1]

据网上资料,二氧化碳浓度有逐年增加的趋势,50年代其质量分数年平均值约315×10-670年代初已增加至325×10-6,目前已超过345×10-6,平均每年增加1.0~1.2×10-6,或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果,在工业革命以前的二氧化碳质量分数为275×10-6。白垩纪时期大气中的CO2含量为18425×10-6。这么多的温室气体从何而来?http://tech.qq.com/a/20131102/002746.htm 

科学家的发现进一步证实,全球表面升温的暂停或许是由于空气中的大量热量被深海所吸收。这项研究通过微型海洋生物贝壳的化学组成间接获得了温度信息,这些海洋生物从太平洋的深处冲刷到了海底沉积物中。这些微生物展现了在1500英尺457)到3000英尺914)深度之间,太平洋在数千年时间里的长期冷却渐变过程,直到公元1100年的中世纪暖期开始,温度才开始有所上升。而随后在1718世纪的小冰河时期,温度再一次下降。

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”。

我们在2006年提出,气候潮汐循环说和海震调温说,阐明了冷气候、强潮汐和强震相互对应的物理机制,对2000年地球进入拉马德雷冷位相后的气候预测有重大科学意义。中国连续18年暖冬的终结是2000年地球进入拉马德雷冷位相和印尼发生地震海啸的合理结果。规律表明,在拉马德雷冷位相时期,全球强震、低温、飓风伴随拉尼那、全球性流感伴随厄尔尼诺将越来越强烈。在20世纪50-70年代,强沙尘暴与流感爆发一一对应,沙尘暴可能传播禽流感。

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(见图3)。

 

   3 太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

 

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(见图3)。

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

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-750399.html

海洋冷循环是以冷源为动力的海洋循环,例如海洋藏冷效应;海洋热循环是以热源为动力的海洋循环,例如海洋锅炉效应。

在大气层,太阳能量加热地表,使低空的空气变热膨胀,密度变小而上升到高空,形成以热源为动力的大气环流。但是,太阳能量不能到达深海,只能加热海洋表面,因此不能形成有效的热对流。所以,在海洋中,冷循环就非常重要。两极的海洋是冷循环的出发点。

据网上资料,温盐环流是一个大尺度的海洋环流,由温度及含盐度的差异所致。在北大西洋,环流的表面暖水向北流而深海冷水向南流,造成净热量向北输送。表面海水在位于高纬度的固定下沉区下沉。

表面风对于100 左右以下深度的海水环流所起的作用微乎其微,而海水温度和盐度的变化则足以使海水密度产生差异。

海水密度的差异使得产生了密度梯度,导致海流的形成。这种方式产生的海流流速非常慢(每年只有若干公里),只有通过特殊的手段才能发现这种海流,也就是通过把不同深度的水团的温度、盐度和氧含量表示在图上,才能发现它的存在。

海洋的温盐环流系统是大洋中最重要的海水运动,一般被形象地称为“大洋输送带”。在这个系统中,北大西洋表面冷而致密的海水下沉到海洋深处,再经过印度洋和太平洋,最终回到大西洋。这整个循环过程要花费数个世纪之久,是调节地球上大陆之间热量的最重要的循环之一。温盐环流在地球上温度和盐度都不同的大洋之间输送着营养物质和热量。


4 两极海洋冷循环的基本模式

 

NASA所绘制的温盐环流分布图。不同的生态系统,其所受到的环境因子便有所不同,而温盐环流对于海洋生态系而言具有极大的重要性,因为它也主导了盐份的循环。而对气候的重要性同样重要,因为其也伴随气候与能量的调节。


 

 5  NASA所绘制的温盐循环图(蓝色表示冷流,红色表示热流)


6 以南极为中心的温盐循环图(蓝色表示冷流,红色表示热流)

 

在南极,冷源在环南极大陆边缘的海洋;在北极,冷源仅有北大西洋的北端。在这里,陆海的分布决定了海洋环流的方式:南极圈内有大片的海洋与赤道海洋相通,可形成高密度冷水的下沉和对流,而北极圈内仅有大西洋北端与赤道海洋相通,北太平洋的白令海峡限制了北太平洋冷源的形成。陆海分布的类型决定了大西洋温盐循环在全球变化中的重要地位。

温室气体在水中的溶解度伴随水温的降低而增大。由于冷水中含有较多的温室气体,所以,伴随冷水在海底的积累,温室气体也被贮存在海底冷水之中。海底冷水温度的降低意味着全球气温变冷。

事实上,大气和海洋的温室气体交换是连续发生的,两极的冷水将温室气体带入海底,赤道处海水上升被加热向大气释放出温室气体,总体处于平衡状态之中。

全球大气表面每年获得5.4×1024J的太阳能量,其中,43%由于反射和散射而折回宇宙空间,14%为大气所吸收,只有43%可以到达地表,每年约为2.3×1024J。全球每年水蒸发所需能量为1.44×1024J,占到达地表太阳能量的63%[1]

地球对太阳光的反射率不是固定不变的,冰川消长、雪线的伸缩、大气透明度的增减、云层厚度的变化,都会影响地球的反光率,其中冰川和积雪的作用最大。在其它因素不变的条件下,微弱因素引发的气候变冷一旦启动,如下步骤将连续反复发生:冷的激发使冰川和积雪面积增加;冰川和积雪面积增加使地球反光率增大;增大的反光率就会导致地球接受太阳能量减少使气温进一步下降;以此形成不断增大的反复循环,可称之为“弱因迭代效应”。微弱因素引发的变暖会起到相反的效果。这是“弱因”打破地球复杂系统平衡的根本原因。

温室气体也具有“弱因迭代效应”:温室气体增加使气候变暖,气候变暖导致海温增加,海温增加将使海洋释放更多温室气体,以此形成反复循环。不过,海洋变暖的速度很缓慢,不如光反射率变化来得迅速。前者适于长周期变化循环,后者适于短周期变化循环。

太阳活动变化也具有“弱因迭代效应”:太阳活动减弱导致全球气温轻微下降,两极变冷导致冷水中溶解更多温室气体,使温室气体进入海底的数量增多;赤道轻微变冷导致上升冷水变热幅度减少,使温室气体进入大气的数量减少,这就打破了原有的进出平衡,导致更多的温室气体滞留在海底,使气温进一步变冷,如此迭代下去,大气中的温室气体越来越少,气温下降也就越来越强烈。

相反,太阳活动增强导致全球气温轻微上升,两极变暖导致冷水中溶解温室气体变少,使温室气体进入海底的数量减少;赤道轻微变暖导致上升冷水变热幅度增大,使温室气体进入大气的数量增大,这就打破了原有的进出平衡,导致更多的温室气体进入大气,使气温进一步变暖,如此迭代下去,大气中的温室气体越来越多,气温上升也就越来越强烈。

配合冰川和积雪面积增加使地球反光率增大的“弱因迭代效应”,太阳活动变化引发全球气候变化的可能性也大大增加(见表1和图1)。

 

四、海洋锅炉效应造就中生代温暖期

 

已有的研究表明,陆地和海洋含碳量远高于大气,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[3]。白垩纪大气碳含量是目前的8~10[4, 5],末次冰期高峰时大气CO2CH4含量分别比现在减少30~40 %50 %[6]。构造运动释气和海洋增温排气是主要原因[5]

 

7  全球巨大火成岩省


8  巨大火成岩省和全球变暖


9  巨大火成岩省的规模比例

 

火山活动是大气温室气体的主要来源。据Gerlach的估算,全球陆相火山以宁静方式放出CO2的速率为每年792 百万吨,而陆相火山喷发出的CO2的速率仅为每年66 百万吨[7]。前者是后者的12倍多。宁静方式火山放气没有明显的火山灰,其增温效果显著。据CoffinEldholm1993)海洋考察结果表明,巨大火成岩省所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球气温和大气CO2高浓度相对应(图7, 8, 9[8]

120 Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台,其释放的热量为6×1026J,海洋的质量为1.45×1024 g,可使全球海水温度增高33,平均每万年海温升高0.1[4]。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以上[9]。海底火山活动引发的海温增高和CO2排放在全球气候变化中的作用不容忽视,这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO2和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20 Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11,最高可以达到大约7。这一南极地区的绿化过程最高峰大致出现在中新世中期,距今大约16.4~15.7 Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600 ppm的大气CO2浓度[1]15~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO2浓度增加的重要原因之一(图8)。

1000 km3熔岩要释放1.6×1013 kgCO23×1012 kg的硫和3×1010 kg的卤素。一个巨大火成岩省的累积过程要发生上千次这样的喷发,它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌[4]120 Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×106 km315~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×106 km3,释放的CO2分别为5.8×1017 kg2.1×1016 kg

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是:小冰期对应强火山活动,小气候最适期对应弱火山活动。但是,火山长周期的对应关系却是:火山活动峰值与全球无冰期对应,而谷值与大冰期对应(见图7[10]。图8、图和图10有很好的对应性。Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化,与图8、图9 和图10的变化趋势基本一致[11]20世纪80年代以来第三代全球洋底磁条带图的研究,揭示了地表三大洋底在距今160 Ma(卡洛期末)、139 Ma(凡兰吟期初)和97 Ma(阿尔布期末)前发生过三次几乎同时的重大裂解作用[12]

 

10  北美火山活动曲线[Engel and Engel, 1964[10]

 

古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期,图11给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线[13]。从图5中可以看出,1.4亿年中生代,地球自转速度处于高峰;2.3亿年前二叠纪,地球自转速度处于低谷。在15~25 Ma期间,地球自转处于增速阶段,目前处于低谷。


11  5亿年来朔望月天数的变化(据任振球, 1990 [13])

 

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[14]

 

3  地球自转周期与地质旋回

时间   地球自转  全球气候   生物灭绝事件              热幔柱喷发

/Ma                                                    形成物        体积/106km3

480     高峰      温暖期                          北美火山活动高峰

437     低谷  奥陶志留纪大冰期                    北美火山活动低谷

370     高峰  泥盆纪温暖期                        北美火山活动高峰

280     减慢  石炭二叠纪大冰期                    北美火山活动减弱

248     减慢                                        西伯利亚暗色岩

230     低谷   二叠纪大冰期末                     北美火山活动低谷

160     加快   中生代温暖期                       三大洋底重大裂解作用

140     加快   中生代温暖期                       香港超级火山

139     加快   中生代温暖期                       三大洋底重大裂解作用

120~124 高峰      温暖期    不明显 (水下喷发)        翁通爪哇海台          36

                                                    北美火山活动高峰

110~115 加快      温暖期  大规模生物灭绝        凯尔盖朗海台       变小

97      加快   中生代温暖期                       三大洋底重大裂解作用

65~69   高峰      温暖期  恐龙灭绝,所有物种近  德干暗色岩         变小

一半灭绝                          

55~59   高峰      温暖期   许多深海有孔虫类和    北大西洋火山       变小

                             陆生哺乳动物灭绝      边缘

25      低谷      低温

15~18   加快      变暖      大规模物种灭绝          哥伦比亚河溢          1.3

                                                      流玄武岩

10~12   高峰      变暖

0~2     低谷   第四纪大冰期                        北美火山活动低谷

 

对比图10和图11 ,两种曲线有相同的变化趋势:火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快,火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。表3给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系,热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝[4]。在15~20 Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11,最高可以达到大约7。这一南极地区的绿化过程最高峰大致出现在中新世中期,距今大约16.4~15.7 Ma。可以对比的是,在15~25 Ma期间,地球自转处于增速阶段,火山活动强烈。这种对应并不是个例,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;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[15]。在此期间,地球自转速度处于峰值。与此相反,437 Ma的奥陶-志留纪大冰期、230 Ma石炭-二叠纪大冰期、2 Ma第四纪大冰期以及25 Ma第三纪变冷期都对应地球自转速度低谷和北美火山活动低谷。

根据地质和气象等综合数据,表4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,与图10和图11地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。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[2]

海底火山喷发强烈,海洋锅炉效应使海底水温增加,终止海底藏冷效应,海洋增温释放出温室气体,导致全球变暖(见图3)。

 

4  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转[1, 2, 16, 167]

 

地质界线

新生代/

现在

中生代/

新生代

侏罗纪/

白垩纪

古生代/

中生代

石炭纪/

二叠纪

下古生代/

上古生代

年代/102Ma

0

0.65

1.36

2.25

2.80

3.45

地壳自转

减慢


加快


减慢


火山活动

喷发最弱

喷发中等

喷发最强

喷发中等

喷发最弱

喷发中等

海陆变动

大陆为主最大海退

由主要是海变为大陆

最大海侵

由主要是大陆变海

大陆为主最大海侵

由主要是还变到大陆

气候变化

第四纪大冰期


温暖期


石炭二叠纪大冰期


陆海分布类型

大陆集中在北极


大陆分散在赤道


大陆集中在南极


造山作用

生物灭绝

第三纪大褶皱


白垩纪恐龙灭绝


石炭二叠纪大褶皱


地磁极性

反向


正向


反向


 

五、结论

 

     气候变化的3亿年周期、10万年周期、4万年周期、2万年周期、1500-1800年周期、200年周期、60年周期与天文轨道周期(包括潮汐周期)、火山活动和太阳活动密切相关,“弱因迭代效应”是打破平衡走向极端天气的关键。

 

参考文献

 

王宁练,姚檀栋,邵雪梅。温室气体与气候:过去变化对未来的启示。地球科学进展。2001, 16(6)821-828

Bond G,Showers W, and Cheseby M, et al. A pervasive millennial-scale cycle in NorthAtlantic Holocene and glacial climates. Science, 1997,278:1257~1266

Keeling CD, Whorf T P. 2000. The 1800-year oceanic tidal cycle: A possible cause ofrapid climate change. PNAS, 97(8): 3814~3819

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杨冬红,杨学祥,刘财。20041226印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展。2006213):1023-1027

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013281):58-70

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-860950.html

 

相关文献

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2. 杨冬红,杨德彬,杨学祥. 2011. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报, 544):926-934

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7. 杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

Yang Dong-hong. 2009.Tidal Periodicity and its Application in Disasters Prediction[D]. [Ph. D.thesis]. ChangchunCollege of Geo-exploration Science and Technology, Jilin   University.

8. 杨冬红杨学祥.2013.a 地球自转速度变化规律的研究和计算模型地球物理学进展, 281):58-70

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2 钟炳 周少祥

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