全球变暖源于温室气体 第四纪冰期源于南极洲环流形成

                             杨学祥，杨冬红（吉林大学）

关键提示：密歇根大学和亚利桑那大学的研究人员利用最先进的气候模型首次成功模拟了始新世早期的——始新世早期（约4800万至5600万年前）是过去6600万年中最温暖的时期——极端变暖，这被认为是地球未来气候的模拟。研究人员在预定于9月18日发表在《科学进步》杂志上的一篇论文中报告说，他们发现，随着二氧化碳水平的上升，变暖的速度急剧增加，这一发现对地球未来的气候有着深远的影响。

地球地质历史现有记录中出现的一次最快、强度最大的全球变暖事件，被称为古新世-始新世极热事件(PETM或IETM)的发生，地球温度迅速升高，始新世就此开始。始新世温暖的全球气候是由深埋于大洋底部的甲烷气水包合物被大量释放引起的失控的温室效应造成的。该种包合物本埋于泥层之下，但是受到了大洋升温的扰动。甲烷的全球变暖潜能(即暖化能力)比二氧化碳高22倍。

尽管始新世的全球气候仍然比较温暖，但也正是在始新世后期，开始了全球变冷的缓慢趋势，这可能是由发生于北冰洋的绿萍事件以及在冈瓦纳古陆最终破碎之后形成的南极洲环流共同造成的。这种变冷趋势最终导致了更新世冰期的出现。

Van Andel等人（1975）在分析了太平洋所有不整合之后提出，德雷克通道的打通可能形成了南极大陆环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水。

综合分析表明，全球变暖源于温室气体，第四纪冰期源于南极洲环流形成（图1中的西风漂流）。在温室气体异常增加和南极环流依然存在的条件下，目前的全球变暖不会超过始新世的全球气候变暖的水平。

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全球气候变暖的速度将急剧增加

2019-9-19 18:23  

根据对5000多万年前一个类似暖期的最新模拟，未来地球因持续积聚的二氧化碳气体而变暖的速度可能会增加。

密歇根大学和亚利桑那大学的研究人员利用最先进的气候模型首次成功模拟了始新世早期的——始新世早期（约4800万至5600万年前）是过去6600万年中最温暖的时期——极端变暖，这被认为是地球未来气候的模拟。

研究人员在预定于9月18日发表在《科学进步》杂志上的一篇论文中报告说，他们发现，随着二氧化碳水平的上升，变暖的速度急剧增加，这一发现对地球未来的气候有着深远的影响。

另一种说法是，随着地球变暖，始新世早期的气候对额外的二氧化碳变得越来越敏感。

联合国地球与环境科学系博士后研究员、第一作者Jiang Zhu说：“我们很惊讶，随着二氧化碳含量的增加，气候敏感性增加了。”

“这是一个可怕的发现，因为它表明，未来气温对二氧化碳增加的反应可能比现在对二氧化碳同样增加的反应更大。这对我们来说不是好消息。”

Study of ancient climate suggests future warming could accelerate

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190918142035.htm

Journal Reference:

Jiang Zhu, Christopher J. Poulsen, Jessica E. Tierney. Simulation of Eocene extreme warmth and high climate sensitivity through cloud feedbacks. Science Advances, 2019; 5 (9): eaax1874 DOI: 10.1126/sciadv.aax1874

http://blog.sciencenet.cn/blog-39731-1198654.html 

古新世-始新世极热事件

据网上资料，始新世(约距今5300万年~距今3650万年)第三纪的第二个世。始新世(Eocene)是地质时代中古近纪(Paleogene)的第二个主要分期，大约开始于5780万年前，终于3660万年前，介于古新世(Paleocene)与渐新世(Oligocene)之间。

始新世(Eocene、Epoch)Eocene之名，字源来自希腊文εω(eo，黎明)和καινος(caenos，新)，指的是现代哺乳动物群开始出现。始新世常被划分成早期(距今5,780万~5,200万年)、中期(距今5,200万~4,360万年)和晚期(距今4,360万~3,660万年)。始新世早期最令人受到注意的是，原始的现代哺乳动物开始出现。始新世结束于一个被称作Grande Coupure(the "Great Break" in continuity)的生物大灭绝事件(extinction event)，此一事件可能与一或数颗的大火流星(bolide)撞击西伯利亚及当今的契沙比克湾(Chesapeake Bay)相关。

由于地球地质历史现有记录中出现的一次最快、强度最大的全球变暖事件，被称为古新世-始新世极热事件(PETM或IETM)的发生，地球温度迅速升高，始新世就此开始。这次迅速而剧烈的升温(在高纬度地区温度上升了7°C之多)持续的时间少于10万年，但是导致了大量物种急剧灭绝，从而形成了古新世和始新世生态系统的分野。

始新世的全球气候可能是新生代中变化幅度最小的;从赤道到极地的气温变化幅度只有今天的一半，而深海洋流则异常温暖。极地地区比当今温暖得多，接近于现今西北太平洋的温度;温带森林已经扩展到了极地地区，同时多雨的热带气候区则延伸至北纬45°地区。温带地区的气候与当今相比大有不同，而热带地区的气候则可能接近于当今。不过在哥伦比亚发现的一种可能生活于始新世的巨蛇残骸(约有校车大小)表明，可能相反的，当时的热带比现今温暖的多，这也与计算机模拟出的始新世气候相符。

尽管始新世的全球气候仍然比较温暖，但也正是在始新世后期，开始了全球变冷的缓慢趋势，这可能是由发生于北冰洋的绿萍事件以及在冈瓦纳古陆最终破碎之后形成的南极洲环流共同造成的。这种变冷趋势最终导致了更新世冰期的出现。

始新世初始，澳大利亚和南极洲仍然相连，同时温暖的赤道洋流汇入寒冷的南极水域，使得热量在全球范围内获得分配，从而保持全球的较高温度。但是在4500万年前，当澳大利亚从南方大陆中分裂出来时，温暖的赤道洋流开始偏离南极地区，在两块大陆之间形成了一个孤立的寒冷水道。南极地区持续变冷，南极水域开始结冻，并向北方输送冷水和海冰，使寒冷局势进一步加剧。

假说认为始新世温暖的全球气候是由深埋于大洋底部的甲烷气水包合物被大量释放引起的失控的温室效应造成的。该种包合物本埋于泥层之下，但是受到了大洋升温的扰动。甲烷的全球变暖潜能(即暖化能力)比二氧化碳高22倍。

始新世经常被分为早期和晚期，或经常被分为早期、中期和晚期。其对应的岩层分别为下始新世岩层、中始新世岩层和上始新世岩层。根据不同的动物的活跃，始新世又可以细分为:

普里阿邦期 (37.2 ± 0.1 – 33.9 ± 0.1 百万年)

巴尔顿期 (40.4 ± 0.2 – 37.2 ± 0.1 百万年)

卢台特期 (48.6 ± 0.2 – 40.4 ± 0.2 百万年)

伊普雷斯期 (55.8 ± 0.2 – 48.6 ± 0.2 百万年)

在始新世早期，因为高温的气候以及温暖海洋，所以创造了一个潮湿而温和环境。除了干旱的沙漠之外，地表完全被森林所覆盖。

在始新世中期开始的气候变冷，致使到了始新世末期时大陆内部开始变得干燥，在某些地区，森林分布区域萎缩。此时新发展起来的草原也仅限于河岸和湖畔地区，还未扩展至平原地区和现今的热带或亚热带大草原地区。

气候变冷亦导致了季节变化的出现。落叶树种能够更好的适应剧烈的温度变化，于是比之常绿树种，开始占有优势。在始新世末期，落叶林覆盖了北方大陆的大片区域，包括北美洲、欧亚大陆和北极地区;雨林则只分布在了赤道和近赤道的南美洲、非洲、印度次大陆和澳大利亚。

在始新世开始之时，南极大陆上还覆盖着大片的温带雨林，乃至是亚热带雨林，但是随着时间流逝，气候变得越来越寒冷;喜热的热带植被消失了，到渐新世开始之时，这块大陆上的植被变成了落叶林和广袤的苔原。

古新世-始新世极热事件(距今大约5500万年前)突然爆发了一次比较严重的全球变暖事件-导致深海温度增加约5℃，表层海水温度增加4~8℃，深海氧气含量严重降低的古新世-始新世极热事件(Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM) 。这次全球变暖(global warming)事件导致许多物种的消亡，最为突出的是30~40%深海有孔虫类的灭亡。

渐新世过渡(距今大约3350万年前)是一次重大全球气候事件。始新世末气候异常温暖，南极洲没有明显的冰，但到渐新世，南极洲有了永久冰层。Dupont-Nivet等人分析了来自青藏高原的沉积记录，发现大气中含水量有所下降，这种下降引起与南极变冷同时发生的变冷和干旱化。以前的研究工作将这一现象归于青藏高原的迅速隆起，但这一新的研究工作表明，青藏高原的区域气候受全球事件的影响。在另一篇关于同一气候过渡事件的论文(与前一篇论文无关)中，Zanazzi等人对当时北美的气候变冷情况进行了探究。他们利用来自化石牙齿和骨头的稳定同位素测定结果来生成一个代理温度记录，发现年平均气温降低了8.2℃，这个下降幅度大于海洋中的温度下降幅度。这一大陆气候过渡事件也许可解释为什么很多冷血爬行动物和两栖动物灭绝了，而哺乳动物由于能够调节其体温却躲过了一劫。

大置换，即物种连续性上的"大断裂" ，是3,350万年前欧洲范围内的一次物种大灭绝，标志着始新世的最后一个阶段--普里阿邦阶的结束，此后，亚洲的物种大量迁入欧洲。大置换以大范围的物种灭绝和小规模、孤立孑遗种群的异地物种形成为标志;这个名称由瑞士古生物学家汉斯·乔治·斯特林(Hans Georg Stehlin)所取，被用以形容始新世和渐新世交迭期间欧洲地区哺乳类动物的大规模灭绝。而在亚洲发生的类似规模的物种灭绝则被称为"蒙古重建"(Mongolian Remodelling)。

许多科学家认为大置换并非是由单一的原因造成的，不管这个原因是与初期的极地冰蚀和海平面下降相联系的气候变化，还是来自亚洲的物种的竞争。另一个假说是一颗或多颗撞击向西伯利亚和切萨皮克湾的火流星造成了这次物种大灭绝。与这一事件相关的、发生在之前的一系列全球性事件则进一步证实大置换发生于渐新世最早期，大约比亚洲首批迁徙物种进入欧洲早35万年。

https://baike.so.com/doc/1754089-1854766.html

德雷克海峡形成对全球气候变冷的影响

已有 210 次阅读 2019-9-19 14:22 

德雷克海峡形成对全球气候变冷的影响

                                       杨学祥，杨冬红（吉林大学,）

关键提示：德雷克海峡形成对全球气候变冷的影响十分重大：其一，导致中始新世和早渐新世之间的总的温度下降和南极冰盖的形成。其二、是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。其三、控制赤道热流向南极的热输送，形成厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生。构造活动决定了气候变化的冷暖交替规律。这是地质学家比气象学家看得更远的原因。

1 南极大陆冰盖形成的原因

中生代时期，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极其巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。在南、北两半球，一个单的环流系统作用范围至少达到纬度55度，以致宽阔的、深而缓慢的赤道流在穿过低纬度大于180度弧的旅途中被大大加热。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：①德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；②由于澳大利亚—新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；③特提斯海关闭，不能使赤道环流通过[1-3]。

         图1. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

                Fig.1 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

2 南北半球冰期同步的原因

20世纪晚期古气候研究的最大突破，在于证实了地球轨道参数变动造成的冰期旋回即“米兰科维奇周期”[4]。但是，冰期天文理论的一些结论与实际并不完全符合，其中最明显的问题是：根据冰期天文理论，地球南北两半球都将以23000a（近日点相对春分点的周期）为周期交替发生冰期，这就是冰期天文理论关于南北两半球交替发生冰期的学说。但是，到目前为止，所获得的地质纪录却证明南北半球的冰期是同步进行的[5]。在第四纪，历次冰期中的冰川主要分布在北半球。

Van Andel等人（1975）在分析了太平洋所有不整合之后提出，德雷克通道的打通可能形成了环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水。对第三纪早期普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，因而限制了大西洋与太平洋之间赤道水体的交换[6]。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失，是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因[2, 3, 7]。

3 厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生的原因

在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退控制气候变化的一个可能模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷，加强沃克环流及增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海水减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，使部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，造成秘鲁海流变弱和东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流；结果使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，称之为南极环大陆海冰的气候开关效应（图1）。

当南极洲的温度变冷时，存在很多海冰的德雷克通道处于封闭状态，阻塞环南极大陆的海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，从而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存很少海冰的德雷克通道处于开放状态，打通环南极大陆海流，减慢南太平洋环流，并从向极方向隔离南极洲热输送，因而使南极洲变冷。如图1所示，非洲海冰开关I，澳大利亚海冰开关II和德雷克海峡开关III控制了环南极大陆海流，并从向极方向隔离或连接向南极洲的热输送，因而增加或减少在非洲、澳大利亚和南美洲西部的海洋寒流流量。因此，南太平洋海温的增加和减少在环南极三个“海冰开关”的控制下不断交替发生，与南太平洋环流速度减慢与增加相对应[1-3,7]。

4 结论

      德雷克海峡形成对全球气候变冷的影响十分重大：其一，导致中始新世和早渐新世之间的总的温度下降和南极冰盖的形成。其二、是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。其三、控制赤道热流向南极的热输送，形成厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生。构造活动决定了气候变化的冷暖交替规律。这是地质学家比气象学家看得更远的原因。

参考文献（References）：

[1] Frakes, L. A., Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company[M], Amsterdam—Oxford—New York, 1979. 182, 192, 200, 223, 315.

[2]杨学祥。太平洋环流速度减慢的原因[J]。世界地质，2003，22（4）：380-384。

[3]杨学祥。厄尔尼诺事件产生的原因与验证[J]。自然杂志，2004，26（3）：151－155。

[4]汪品先，翦知湣。寻求高分辨率的古环境记录。第四纪研究。1999，（1）：1~17

[5]周尚哲. 冰期天文理论研究中的几个问题. 冰川冻土. 1994, 16(1):85~92

[6]Van Andel T H, Heath G R, Moore T C. Cenozoic history and paleooceanography of the central equatorial Pacific Ocean[J]. Geol. Soc. Am.,Mem., 1975, 143: 134

[7]杨冬红，杨学祥。澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关。地球物理学进展。2007，22（5）：1680-1685。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1198626.html