大冰期对应造山运动 地球活动让自身冷热交替

关键提示

      2019年4月，Swanson-Hysell团队及合作者，使用地理学模型“重建”了过去5亿年中地质板块的变动情况，发现这期间所有3次冰河期都出现在大陆板块和火山岛弧在热带地区相撞事件之后。

      火山岛弧指大洋中成弧形分布并有火山活动的群岛。这种撞击形成的蛇绿岩能大量吸收二氧化碳，把大气中的二氧化碳封存在岩石中，从而给地球降温。

       当这类撞击慢慢停止，就不再有新的蛇绿岩裸露到地表。如果新生成的蛇绿岩不是处于温暖潮湿的热带，其“固碳”效率也会降低。而火山爆发等事件继续释放二氧化碳，地球温度又重新上升。相关论文刊登于《科学》。

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       科学家们认为，当热带地区出现高温的时候，就会引发一场化学反应，从而这些暴露出来的“海洋岩石”就会从大气之中吸收大量的二氧化碳，从而导致地球出现降温的情况，也就是说赤道区域的地震引发“海洋岩石”的出现可能对全球变暖具有重大作用，正如人类在工业化之中，不断上升的二氧化碳导致全球气温升高一样，去除它会产生相反的效果，导致气温下降并可能引发冰河时代。

       海洋岩石的裸露原因是造山运动，是大陆向一极集中的结果。例如，在石炭-二叠纪大冰期到来之前，发生了石炭-二叠纪大褶皱；第四纪大冰期到来之前，发生了第三纪大褶皱。造山作用不仅使新岩石裸露吸收二氧化碳，而且筑成高耸山脉形成山地冰川。喜马拉雅山就是在这一时期由海洋隆升为高原山脉（见表2）。

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相关文献

是谁终结了“冰河时代” 地球活动让自身冷热交替 

作者：唐凤 来源：中国科学报 发布时间：2020/3/13 16:08:55 

      猛犸象、剑齿虎、树懒、松鼠……冰河时代让无数动物离开家园寻找食物。虽然这只是动画片的情景，但“结伴一起去南方”，却也是第四纪冰期的写照。

      第四纪（250万年前开始的地球历史时期）通常以一系列的冰期和间冰期为特征，这期间大陆规模冰盖反复消长，尤其是北半球的大部分地区出现了冰冻潮汐。

      在中更新世转变之前，第四纪全球冰期大约每4万年重复一次。然而，在中更新世转变期间，第四纪冰期的模式发生了根本性转变并扩展到10万年的间期。尽管人们普遍同意， 4万年的周期是由地球轨道倾斜或倾角的周期性变化驱动的，但轨道推动力理论未能充分解释中更新世转变之后的冰川—间冰周期为何会延长。

      澳大利亚墨尔本大学的一项新研究显示，当地轴的倾斜度接近最高值时，过去100万年的冰河时代就结束了。相关论文3月13日刊登于《科学》。

      这项由博士生Petra Bajo及其同事进行的研究还表明，这些冰期终结时的夏季能量水平控制着冰原崩塌所需的时间，而更高的能量水平则会导致冰原迅速崩塌。

      该研究为最近11次冰川消退提供了一个新的高分辨率记录，并揭示了倾角和日射在测量地球冰期—间冰期循环中的持续影响。“地球轨道的倾斜是整个第四纪（跨越中更新世转变及之后）的冰川—间冰期周期的主要驱动因子。”Bajo说。

      冷热交替   循环往复

       寒冷—温暖—寒冷……地球的历史似乎总是在冰期和间冰期之间来回切换。

      事实上，地球默认的气候似乎温暖宜人。在过去的10亿年里，非冰期占了3/4。然而，其间的6次冰河时代使地球变冷，其中两次严重到足以把地球变成一个冰雪覆盖大部分表面的雪球。

       而在冰期之间，更长、更强烈的夏季，融化了北半球的大冰原，推动地球气候进入温暖的间冰期，就像人们在过去11000年经历的那样。但人们一直不清楚，什么原因导致了持续数千万年的冰期结束。

      在很大程度上，地球的气候是由大气中二氧化碳含量所驱动的，二氧化碳会留住热量，使地球变暖。尽管自工业革命以来，化石燃料的燃烧已经将二氧化碳水平推高到了300万年未见的高度，但在地球历史上，二氧化碳水平甚至更高，并与温暖时期相吻合。

     “地球本身有长期固碳的能力，我们知道这些过程使地球的气候保持平衡，但确定是什么原因导致非冰川气候和冰川气候在百万年的时间尺度上发生变化是一个长期存在的难题。”未参与上述研究的加州大学伯克利分校地球和行星科学系助理教授Nicholas Swanson-Hysell说。

      板块撞一撞  寒冷就到来

      地球温暖宜人的气候偶尔会被寒潮打断，寒潮使两极被冰雪覆盖，为何地球会进入冰河时代？之前研究发现，关键的触发点可能是热带大陆板块与火山岛弧碰撞时形成的山脉，比如阿拉斯加的阿留申群岛。

      2019年4月，Swanson-Hysell团队及合作者，使用地理学模型“重建”了过去5亿年中地质板块的变动情况，发现这期间所有3次冰河期都出现在大陆板块和火山岛弧在热带地区相撞事件之后。

      火山岛弧指大洋中成弧形分布并有火山活动的群岛。这种撞击形成的蛇绿岩能大量吸收二氧化碳，把大气中的二氧化碳封存在岩石中，从而给地球降温。

       当这类撞击慢慢停止，就不再有新的蛇绿岩裸露到地表。如果新生成的蛇绿岩不是处于温暖潮湿的热带，其“固碳”效率也会降低。而火山爆发等事件继续释放二氧化碳，地球温度又重新上升。相关论文刊登于《科学》。

      不幸的是，对地球的未来来说，消耗二氧化碳的地质过程是缓慢的，而且无法与当前石油、煤炭和天然气燃烧产生的大量二氧化碳排放相抗衡。Swanson-Hysell说，在数千年时间尺度内，地球有可能恢复自然的碳平衡，但对现代文明来说，这是过于漫长的等待。

      那么，冰河时代又为何来了又去？

      自19世纪中期以来，科学家一直怀疑，地球轨道的几何形状的变化是导致冰河时代结束的原因，但人们不确定的哪个轨道特性最重要。

      地球弯弯腰   冰河说拜拜

      在过去的100万年中，地球轨道在整个中更新世过渡期及之后的小幅变化，是否触发和终止了全球性的冰川活动？Bajo等人计划通过确定冰河时代结束的时间，进一步解开冰河时代为什么会结束的一些谜团。

      评估地球冰河期周期理论的一个主要挑战是无法确定海洋深处沉积记录的年代。于是，研究小组将来自意大利石笋的数据与来自葡萄牙海岸的海洋沉积物的信息结合起来。利用最新的放射性年代测定技术，研究小组确定了两个分别发生在96万年前和87.5万年前的冰河时代终止的年代。这些年代表明，这两次终止的开始与地球倾斜角度的增加更为一致。 

     “剑桥大学和葡萄牙研究所的同事对北大西洋冰盖崩塌情况做了详细记录。”论文通讯作者、副教授Russell Drysdale告诉《中国科学报》，“我们可以在石笋生长层中发现与海洋沉积物中记录的变化相同的变化。这使我们能够将石笋的年龄信息应用到海洋沉积物记录中，而这个时期的海洋沉积物记录是无法确定日期的。”

      Bajo和同事还将研究扩展至过去100万年的11次成冰—消冰事件。结果证明，中更新世转变之后的前两次消冰事件被两个倾角周期隔开。研究人员还表示，在北半球冰盖所在的地区，气温升高会导致夏季变暖，导致冰层融化。

       Drysdale说：“当北半球夏季冰盖上的能量接近峰值时，这两次冰期都进入了结束阶段。将这些发现与之前发表的更晚期的终结数据进行比较，就会发现这种模式在过去100万年反复出现。”

       研究人员仍在试图了解这些周期发生的频率，以及人们多久可以“等到”另一个周期的到来。他们还计划进一步研究更新世中期，那时冰期周期的平均长度突然增加一倍。

相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1126/science.aav5300

http://dx.doi.org//10.1126/science.aaw1114

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为什么地球大冰期对应地球自转减慢?

已有 1011 次阅读 2019-5-30 14:00 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流| 次小冰期, 巨大火成区, 重力分异, 圈层差异旋转, 潮汐摩擦    推荐到群组  

为什么地球大冰期对应地球自转减慢?

杨冬红^1,2, 杨学祥³

（1. 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春  130026; 2. 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春  130026;

3. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春  130026）

    摘  要  本文通过资料分析和模型计算，得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在质量向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。圈层角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为热幔柱和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

    关键词  大冰期，地球自转，重力分异，差异旋转，潮汐

Why is ice-age concern with slow variation of Earth’s Rotation speed

YANG Dong-hong ^{1, 2}, YANG Xue-xiang ³

(1. Research Center of Palaeontology & Stratigrfaphy, Jilin University,Changchun 130026,China; 2. Key-Lab for Evolution of Past Life and Enviroment in Northeast Asia, Ministry of Eduation China, Jilin University, Changchun 130026, China;

3. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026,China)

Abstract  Based on the data analysis and model calculation, the authors obtain the forming reason of earth’s rotation rate slowing down in long-term and periodic fluctuation laws. Tidal friction is a major factor of earth’s rotation slowing down, the gravitational differentiation and earth differential rotation are the major factor of earth’s rotation cycle change, earth differential rotation which caused by gravitational differentiation is the special factor of earth’s rotation change from slow to fast. Gravitational differentiation divides a uniform rotational earth into layer differential rotation one, when the earth mass is gradually concentrated to earth core, the kinetic energy of earth’s rotation is also to the core, which makes crust and mantle rotation decrease and core rotation increases. Circle layer angular momentum exchange makes kinetic energy of earth’s rotation into heat energy and accumulates in the core-mantle boundary, which make crust and mantle rotation increase and core rotation decreases. The energy periodic makes thermal expansion of outer core, which provides energy and power for thermal mantle plumes and volcanoes, the longest sustained warm period in ancient centuries occurred in the Gretaceousperiod, following the strongest eruption of volcano and high speed of the earth rotation. The calculation model shows that the laws of earth’s rotation rate change, gravitational differentiation and differential rotation are the major power for crustal movement, earth’s volume constrainted by the rotational rate change can not swell-shrinking greatly, the measurement results at home and abroad confirm the conclusion.

Keywords  ice-age, earth rotation, gravitative differentiation, differential rotation，tide

1  均匀模型的假象和分层模型的圈层差异旋转

全球变化是一个复杂而庞大的过程，由众多简单的过程叠加而成。最近研究发现，当一个均匀的自转地球通过重力分异变为一个分层的差异旋转的地球，质量向地心集中将导致地球转动惯量变小，地球自转应该变快，可是地球表象并非如此。理论推导和实际测量表明，由于科里奥利力的作用，上升轻物质西移，下降重物质东移，地球表层自转变慢，地核自转变快。给人的表面现象是，地球在重力分异后自转变慢，地核的自转变快被掩盖了，总体的转动惯量变小被掩盖了。潮汐摩擦导致的地壳自转减慢又加强了这一假象。

差之毫厘，谬以千里。用均值密度模型代替分层模型，会得出与实际相反的结论。

Whyte指出，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。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制。图1-2 和表1给出了相关数据。

图1  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ^[17]]

Fig. 1  The change in number of days in synodic month in recent 5 hundred million years [after Ren, 1990 ^[17]]

比较图1和图2，其形状的相似性表明地球自转与火山活动的相关性：自转加速对应火山活动高峰，自转减速对应火山活动低谷。白垩纪后地球自转速度的急剧变化在火山活动曲线上没有表现，其原因可能与地核重力分异、小行星或彗星撞击地球等突发因素有关。

图2  北美火山活动曲线[据 Engel and Engel, 1964^[23]]

Fig. 2  The cure of volcanic activity in North America[after Engel and Engel, 1964^[23]]

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，核幔角动量交换使部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界（赤道处的核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱在海底赤道区喷发，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，形成中生代全球无冰温暖气候。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℃，大气冷却了10~15℃。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。表5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。

图3 巨大火成区

图4 巨大火成区规模对比

表1  地球自转周期与地质旋回

Table 1  Earth’s rotation periods and geological cycles

    根据地质和气象等综合数据，表6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1和图2的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。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转

Table 2  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse

大冰期对应地球自转减慢，这与简单的模型模拟遇到难题：因为大冰期时期低纬度圈100-200米海水层变为两极冰盖，地球的转动惯量变少，地球自转不是变慢，而是变快。

那么，地球自转变慢的因素有哪些呢？

2  地球自转的长期减速的原因

自从20世纪60年代J. W. Wells 发现生物钟现象以来，对珊瑚、双壳类以及层叠石的研究发现，500Ma年前每年有420天，现在为365天，这表明，地球的自转速度是长期减慢的。Scrutton、Pannella和Lambeck综合了古生物钟的最近进展，对比结果表明，由生长韵律求出的结果与现代天文观测的结果符合的相当好。

根据潮汐理论，潮汐摩擦导致的地壳自转减慢，使日长每世纪增加2.3±0.1ms（毫秒）。利用古代关于日月食、月掩星、天体会合等天象的观测记载，可以研究得到地球自转的长期变化，一些结果表明，在过去二、三千年间，地球自转长期减慢的平均效果是每世纪日长平均增加约1.7±0.05ms，小于潮汐摩擦理论得到的结果。因此，人们认为一定存在着使地球自转加快的因素（人们将它们统称为非潮汐因素）。利用卫星激光测距资料推算的结果表明，冰期后的地壳反弹和下地幔的粘滞性基本可以解释地球长期自转减慢变化中的非潮汐部分。

地球各圈层成分的不同，是重力分异造成的，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢，这就造成了重力分异使地球自转变慢的假象^[11-15]。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°^[14]。当核幔角动量交换将动能转变为热能积累在核幔边界时，由于重力分异导致地球转动惯量减少，地球各圈层的平均转速将加快。这一非潮汐加速因素一直被地表假象所掩盖。因此，重力分异导致的地球转动惯量减少是地球自转速度长期加快的非潮汐因素，它引起的相关效应不能忽视。这表明，地球长期自转减慢变化中的非潮汐加速因素并没有完全找到。

模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω₀为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。这一时期的特征为：内核自转变快，地壳和地幔自转变慢，圈层自转速度差变大，地球表面出现自转变慢的假象，与大冰期时期的自转减慢相对应。

核幔差异旋转最终导致核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w₀自转（即地球整体自转变快），地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。现在地球的自转角速度为1.2w₀，日长T为初始均匀地球的5/6，大约减少了17280s，自转速度加快了20%。核幔边界的热能积累导致热幔柱和超级火山强烈喷发，这是全球温暖期对应地球自转变快的原因。

3  结论

重力分异导致地球圈层差异旋转，导致地壳地幔自转减慢，内核自转变快，形成地表自转变慢的假象，对应地球大冰期。

核幔角动量交换，将内核动能变为热能，集中在核幔边界，形成热幔柱和超级火山喷出地表，导致地壳地幔自转变快，对应全球温暖期。

参考文献

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赤道区碰撞或导引发冰河时代：造山运动才是真正的功臣

已有 1051 次阅读 2019-3-15 18:38 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流| 大冰期, 造山作用, 吸收二氧化碳, 降低温室效应   推荐到群组  

赤道区碰撞或导引发冰河时代：造山运动才是真正的功臣

                 杨学祥，杨冬红（吉林大学）

       关键提示：科学家们认为，当热带地区出现高温的时候，就会引发一场化学反应，从而这些暴露出来的“海洋岩石”就会从大气之中吸收大量的二氧化碳，从而导致地球出现降温的情况，也就是说赤道区域的地震引发“海洋岩石”的出现可能对全球变暖具有重大作用，正如人类在工业化之中，不断上升的二氧化碳导致全球气温升高一样，去除它会产生相反的效果，导致气温下降并可能引发冰河时代。

       海洋岩石的裸露原因是造山运动，是大陆向一极集中的结果。例如，在石炭-二叠纪大冰期到来之前，发生了石炭-二叠纪大褶皱；第四纪大冰期到来之前，发生了第三纪大褶皱。造山作用不仅使新岩石裸露吸收二氧化碳，而且筑成高耸山脉形成山地冰川。喜马拉雅山就是在这一时期由海洋隆升为高原山脉（见表1）。

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      自然调节的作用远远超乎人类想象，不要过高估计人类的能力。

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冷还是热？科学家：赤道区碰撞或导引发冰河时代，但全球正在升温

原创环球科学猫5小时前

作者：文/罗兆春

在科学中，对于地球的变化其实我们大体的趋势是说明全球变暖，地球气温在上升。但是也有少部分的科学家认为，我们地球可能会进入到一个冰川时期，因为太阳活动在逐步降低中，所以这都是各有各的证据，具体地球会进入到一个什么样的模式，我们都是无法确定的，就看未来科学家们还会不会有更多的证据去证明自己的观点，我们这里就不讨论是否会进入到冰川时期或者地球的新时期。

根据《科学 》杂志报道，科学家们在研究冰河时期的事件之中又有了新的发现，根据一项新的科学研究表明，在赤道区域发生的巨大地震事件，可能是导致地球冰期逐渐降低，全球气温下降的原因。科学家们是通过地壳之间的撞击，然后产生大面积的“海洋岩石”进行分析得出的，也就是说主要出现作用的就是这个“海洋岩石”。

科学家们认为，当热带地区出现高温的时候，就会引发一场化学反应，从而这些暴露出来的“海洋岩石”就会从大气之中吸收大量的二氧化碳，从而导致地球出现降温的情况，也就是说赤道区域的地震引发“海洋岩石”的出现可能对全球变暖具有重大作用，正如人类在工业化之中，不断上升的二氧化碳导致全球气温升高一样，去除它会产生相反的效果，导致气温下降并可能引发冰河时代。

在科学记录之中，我们地球经历过3次较大的冰河时期，并且冰川和冰冻区域远远超出了极地冰盖，每个冰河时期持续数百万年，这里确实也说的没错，冰河时期肯定是全球的事件，当然是超过如今的冰盖覆盖区域。而最近的冰河时代始于3500万年前，并且可能仍在进行中，其特点是格陵兰岛和南极洲的冰盖蔓延（这个数据跟实际性的监测存在差异，我们如今的监测是冰盖在不断的减少之中，只是偶尔会出现增加的情况，大家参考下即可）。

科学报告指出，在两块板块相撞的位置，科学家们还发现了“缝线”的山脉形成，包含了“新暴露岩石”的清晰“断层线”。麻省理工学院的科学研究人员意识到，在几千年的过程中缝合线的出现恰逢每个主要冰河时代的开始。但是有个明显的特点就是每一个“缝合线”都起源于热带地区。麻省理工学院的地质学家Oliver Jagout博士也称，每次热带地区的“缝合区”出现高峰时，就会发生冰川事件，当热带地区出现10000公里“缝合线”时，你就会达到一个冰河时代真实情况。

科学家表示，虽然岩石中钙和镁等物质与二氧化碳的反应是全球降温的起点，但它也起到了结束每个冰河时代的作用。一旦可用于与二氧化碳反应的所有岩石都已经“风化”，它就不再能再存储气候变暖的气体，从而导致地球气温升高。（重点）尽管地球目前正经历一个相对冰冷的时期，但随着人类活动将大量的碳排放到大气中，全球气温正在上升，所以说，我们人类对地球的改变还是最为主要的，要是地球没有在“冰冷”时期，可想而下，地球会是什么情况。

http://www.yidianzixun.com/article/0LV5q8GC

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http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1167768.html