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为什么地球90%的冰川在南极?

已有 2691 次阅读 2007-9-21 16:31 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

为什么地球90%的冰川在南极?

广东海洋大学

廖永岩

电子信箱:rock6783@126.com

 

南极有30大地水准面下陷,说明南极有重力正异常。但是,在北极巨大冰川逐渐消融的时期,南极冰川有可能增厚吗?若南极冰川真的在近代(几百年至几百万年)增厚,造成了这30的大地水准面异常,那又是什么原因造成的呢?

冰川的形成和消失,主要由地球大气层的温度控制。而大气层的温度,又主要由阳光强度和大气层保温强度共同制约。若阳光强度基本不变的话,大气温度主要由大气中的温室气体浓度控制。二氧化碳等温室气体浓度越高,气温越高;反之,则气温越低张兰生,2000 Deconto R. M., and Pollard D., 2003; Tripati A., et. al., 2005; Came, et. al., 2007

但是,北极和南极,具有共同的大气温室气体的影响,为什么会出现北极冰川的消失,南极冰川的扩大呢?或者说,在同样的温室气体和同样的大气层及同样的阳光强度作用下,为什么会形成南极和北极的冰川的交替出现呢?

这可能主要与冰川形成时冰川距极心的距离有关;也与冰川形成时冰川位于陆地或位于海洋有关。

现今的冰川及其分布,本身就是一个很好的例证。从以上的冰川分布和体积可知,现今全球90%的冰川位于南极大陆(南极洲),北极只占9%。而北极的9%,又基本上都位于格陵兰岛这个较大块陆地上。除开南极洲和格陵兰岛上的冰川,其它的所有冰川,合起来还不到全球总冰川量的1%。全球拥有一样的二氧化碳浓度,拥有相近的行星轨道,这些目前认为可能造成冰川形成和消融的原因,南、北极都是一样,为什么现在90%的冰川位于南极呢?就是因为南极是南极大陆,而北极是北冰洋。为什么北极的冰川,绝大部分位于并不在北极中心的格陵兰岛上呢?也就是因为格陵兰岛是大块的陆地,而其它部分都是海洋。我们再看南极冰川,目前大家一致公认,东南极的冰川减少得很少或没有减少,甚至可能还在增加(Budd W. F., et. al., 1967; Allison I, 1979);但西南极,特别是南极半岛,冰川正迅速消融(Domack E., et. al., 2005; Thomas R., et. al., 2004)。这又是为什么呢?就是因为东南极大部为陆地,而西南极则大部为海洋。西南极冰川消融得最快的区域,除南极半岛末端外,主要位于南极半岛和南极大陆之间的两个大冰架:Ronne, Blchner冰架和Ross冰架。这两个冰架,大部分位于南纬75度以内,而东南极倒是有很大一部分位于南纬75度以外,按说,纬度越高,冰川越不易消融,纬度越低,冰川越易消融,那为什么纬度低的东南极冰川不易消融,而纬度较高的西南极冰架反而迅速消融呢?也就是因为,东南极是陆地,就算纬度稍低,冰川也不易消融,而西南极的冰架,位于海洋之上,而易于消融。这说明,当二氧化碳浓度降低时(或其它的原因造成冰川形成时),冰川要形成,一,它要位于高纬度区域,二,它必须位于陆地之上。也就是说,除非有像新元古宙及石炭-二叠纪时那样的极冷环境,一般情况下,极地冰川只能形成在大块陆地或大陆上,海洋上无法形成大冰川。

因为海洋上无法形成大冰川,冰川只能形成于大块的陆地或大陆上,所以,当因二氧化碳等温室气体浓度下降等因素造成地球温度下降时,若两极均是大陆,就可能形成双极冰川;当一极是陆地一极是海洋时,就形成单极冰川;当两极都是海洋时,就不形成冰川。两极都是海洋时,并不是永远不形成冰川。当温室气候继续减少,温度继续下降,两极结冰面积也随着逐渐扩大,最终抵达陆地时,阻断了海洋的水平对流,或大部阻断了海水的水平对流时,就有可能形成巨大冰川,如新元古宙和石炭-二叠纪时的巨大冰川。所以,两极都是海洋时,除非地球温度极低,一般不形成冰川。但是,若冰川一旦形成,那肯定是巨大冰川。

大陆在漂移,这是魏格纳证明了的结论(Wegener A., 1912; Wegener A.,1923; Wegener A.,2001),也已得到地学界的公认。大陆漂移,有东西向漂移,也有南北向漂移。当大陆南北漂移时,就可能改变大陆的纬度。有的大陆,可能从高纬度区域移出,有的大陆可能从低纬度进入高纬度区域。

当地球温度下降时,若极区某一大陆块上已经形成冰川,假设地球温度不变或变化不大,当已形成冰川的大陆始终保持在极区,或形成后向极心漂移,则这样的冰川就不容易消融,保存的时间就比较长;或甚至会有所扩大。若极区某一大陆块上已经形成冰川,假设地球温度不变或变化不大,当其逐渐漂离极区时,它上面的冰川就可能逐渐消融。若当地球温度下降时,某一大陆块原本没有冰川或冰川很少,当其逐渐漂移入极地区域,它上面就会逐渐形成冰川。如中始新世末期由于二氧化碳的浓度下降Deconto R. M. and Pollard D., 2003,地球开始降温Prothero D. R., 1999,始新世末期,随着澳大利亚与南极大陆之间的洋中脊扩张,塔斯马尼亚海道的开启Barrett P., 2003,将南极洲推向极区。可能就是这个原因,造成了始新世末期第一次南极大规模冰盖的形成。

始新世末期(35MaBP)地球降温南极冰川开始形成时,及中新世中期南极地区形成大冰川时Zachos et al., 2001),可能北极位于海洋中(北太平洋),所以,虽然同样的温度条件,仅只能在南极形成巨大的冰川。后来,由于大陆漂移,北极点进入欧亚大陆和北美大陆区,当再一次温度下降至足够低时(晚中新世,10MaBP),在北极地区形成冰川Zachos et al., 2001)。第四纪大冰期时,冰川扩展现象几乎都发生在北半球,南半球所占比重不足3%张兰生等,2000。所以,北极冰川规模远大于南极地区(因南极大陆远小于欧亚大陆和北美大陆)。

同时,我们可以从现今世界洋中脊分布图看出(见图7(金双根和朱文耀,2003,在西径0°至西径80°之间,没有南北向分裂的洋中脊。这说明,北美-北大西洋-西欧和南美及南极洲之间,没有扩张,但却有收缩Gripp and Gordon, 1990。所以,北美-北大西洋-西欧和南极洲之间的距离,也即西径0°至西径80°之间的径线长在不断缩短,而东径100-180°径线之间的径线长在伸长。

目前,环南极洋洋脊的60-150°E的段落仍为主要张裂段,澳大利亚与南极大陆之间较快速张裂,同时,南极大陆通过90-30°W仍整体向北运动(见图3)(马宗晋等,2003

这就造成北极点和南极点均向东半球移动。这样,就造成北极从近北美大湖地区通过格陵兰岛逐渐移往北冰洋;而南极则逐渐从较小的西南极半岛移向面积较大的东南极。北极区从大陆中心(如北美大湖地区)或大面积陆地(格陵兰岛)移向了海洋(北冰洋)(也可能还有北冰川洋的大西洋北海峡侧和白令海峡侧通道的开启,打通了封闭北冰洋和其它大洋的联系,加快了冷、暖海水的对流和交换),加速了北极冰川的消融;而南极从陆地面积较小的南极半岛移向陆地面积较大的东南极大陆,则造成了南极冰川的扩大。

冰川的形成和消融,除受二氧化碳等温室气体浓度或其它影响冰川形成的因素影响之外,本身还有一个正反馈作用,在加速冰川的形成和消融。因为冰川仅只能形成于大陆上,所以,当某一冰川下是海洋时(即为冰架),这种冰川因海水的水平对流作用,就容易消融。当冰川形成时,大量的海水转移至极地大冰川上,海平面下降。由于海平面下降,原来的冰架,因海平面下降,而变成了稳定的冰川,这就减少了冰川的消融,增加了冰川的稳定性,甚至有可能使冰川增加。这样,冰川越大,冰川越稳定,冰川增加得就越快。反之亦然,当冰川消融时,大量海水从冰川转移至海洋,海平面上升。由于海平面上升,原来本是稳定的冰川,因下部被海水浸泡,变成不太稳定的冰架。不太稳定的冰架的形成,又加速了冰川的消融。

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社20075月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书

 

参考文献

金双根,朱文耀. 南半球减速膨胀的定量分析. 地球物理学报, 2003, 46(6): 760-766

马宗晋张培震任金卫,冯锐,张进. GPS 水平矢量场对中国及全球地壳运动的新认识. 地球科学进展, 2003, 18(1):4-11

张兰生,方修琦, 任国玉.全球变化.北京: 高等教育出版社. 2000. 142-224.

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Budd W. F., Smith I. L., Wishart E. The Amery Ice Shelf. In: Oura H. ed., Physics of Snow and Ice, Vol. 1, Part 1, Hokkaido University, Saporo, Japan. 1967. 447-467

Came R. E., Eiler J. M., Veizer J., Azmy K., Brand U., Weidman C. R. Coupling of surface temperatures and atmospheric CO2 concentrations during the Palaeozoic era. Nature, 2007, 449: 198-201

Deconto R. M., Pollard D. Rapid cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO2. Nature, 2003, 421: 245-249

Domack E., Duran D., Leventer A., et al. Stability of the Larsen B ice shelf on the Antarctic Peninsula during the Holocene epoch. Nature, 2005, 436: 681-685

Gripp A E, Gordon R G. Current plate velocities relative to hotspots incorporating the NUVEL-1 global plate motion model. Geophys. Res. Let., 1990, 17(8): 1109-1112

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Thomas R., Rignot E., Casassa G., et. al. Accelerated Sea-Level Rise from West Antarctica. Science, 2004, 306: 255-258

Tripati A., Backman J., Elderfield H., Ferretti P. Eocene bipolar glaciation associated with global carbon cycle changes Nature, 2005, 436: 341-346

Wegener A. Die Entestehung der kontinente. (=The origin of continents). Geologische Rundschau, 1912: 3: 276-292 (in German)

Wegener A. The origin of continents and oceans. Translated from the third German edition by J. G. A. Skerl. New York: E. P. Dutton and Company. 1923: 1- 212

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