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地学图片之王:the Zachos curve 精选

已有 8134 次阅读 2016-4-27 09:09 |个人分类:H|系统分类:科研笔记

the Zachos curve ©Copyright AAAS 

https://d2ufo47lrtsv5s.cloudfront.net/content/sci/292/5517/686/F2.large.jpg


   2001年初,IPCC发布了第三次气候变化评估报告,在进一步证实全球变暖的同时,还推测人类活动排放温室气体和气溶胶影响气候。在21世纪,人类活动对气候的影响持续,气候变化对人类弊大于利。SCIENCE杂志注意到全球变暖导致极端事件增加威胁巨大,希望古气候记录中寻找镜鉴。他们约请5个顶尖团队撰写不同时间尺度古气候事件研究综述,于427结集成一个专刊在SCIENCE杂志发表。


2001年4月27日Science封面 ©Copyright AAAS 


   专刊内容包括厄尔尼诺-南方涛动和北大西洋涛动对一千年来温度变化的影响、过去4000年里不同文明对气候突变的响应、第四纪陆生植物对快速气候变化的适应、以及海平面升降的时空格局。这些综述都达到了杂志的一贯水准,过去15年中它们都获得了500次以上的引用。但真正出挑的是第五篇,Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present。迄今,这篇文章不仅获得了5000次以上的引用,而且其中的图2更被誉为“the king of all earth science figures”。每一个关心气候变化的学者都会在文献里、教材中、课堂上、会场内无数次地与它相逢,围绕着它讨论着冷暖变迁、冰量消长、构造变动、生物演化、碳库循环等等让几代人前赴后继的问题。当年我尚未正式入学,就被要求去读这篇文章,并且单独打印图2,组内讨论随手拿来查对。还有学长下载了所有支持材料,搜集了文中和支持材料中全部的文献,还逐句翻译了全文。

 

王者是怎样炼成的?

   文章由加州大学圣克鲁兹分校的Jim Zachos领衔,作者除了Zachos的两位长期搭档Lisa SloanEllen Thomas外,还包括他的博士后Mark Pagani和博士生Kate Billups。他们详细搜集了1980年代以来,太平洋、大西洋和印度洋的中高纬度地区、水深1000m以上的深海钻探和大洋钻探的钻孔资料。选择以富含碳酸盐的细粒沉积物为主的岩芯中底栖有孔虫壳体的碳氧同位素数据。最早的数据来自1984年的深海钻探报告书,最新则来自Zachos本人2周前在SCIENCE上发表的另一篇论文,共获得了42个钻孔的数据记录。

   之后,他们逐一检查碳氧同位素的时间标尺。所有古地磁时标逐个统一到当时最新的CK95古地磁极性年表上。对于先前发表的生物地层不可靠的站点,考虑同位素地层后对时间标尺重新厘定。站点的逐一对比不仅保证了数据集内部一致,还使得主要结果不受古地磁极性年表调整的影响。另外,对少量上新世和个别中新世以来由天文调谐方法获得的时间标尺予以尊重。

   所收集的绝大多数同位素记录都来源于两个常见的底栖有孔虫属,CibicidoidesNittallides。按通行标准对生命效应进行校正,氧同位素值前者+0.64 per mil,后者0.4 per mil。所有数据经5点滑动平均后共得到10801个数据点,形成了初步的数据集。为避免不同时间段采样密度差异的影响,再通过局部加权平均得到拟合曲线,代表新生代深海氧同位素和碳同位素的总体趋势。

   到这里,数据准备就绪。作者将集成数据按年龄绘制成散点图,叠加上局部加权平均的拟合曲线,在两条曲线之间按年龄和持续时间加注两极冰盖的发育历史、主要构造事件和生物演化事件。这样,就成了震古烁今的Zachos curve

 

文章还有啥?

   深海氧同位素由深部海水温度和陆地冰量共同控制,同时,深海水体主要来自高纬度地区海水冷却和下沉,因此,深部海水的温度也可反映高纬表层海水温度变化。而深海碳同位素记录的是全球碳循环扰动的信号,首当其冲是深海洋流格局的变化。

   作者将新生代的氧同位素按不同时间尺度来分别论述。构造尺度长达10Ma,刻画新生代气候变化的长期趋势,过去66Ma可分为6650Ma增温期、5034Ma降温期、3426Ma低温期、2615Ma温暖期和15Ma以来的降温期等阶段。每个阶段以若干特征事件为标志,如早新生代的增温期在5250Ma达到高潮,称为始新世气候适宜期;渐新世早期低温期开始于Oi-1事件,标志着南极陆基永久冰盖开始发育,地球进入冰室状态。

   时间尺度为万年-十万年的周期性事件,作者称之为节律。通过对晚始新世以来的四个4百万年的氧同位素序列的分析,作者强调:1) 无论冰盖规模和位置如何,气候都呈准周期性变化;2) 周期以地轴倾角(40ka)和偏心率周期(100ka和~400ka) 为主;3) 至于气候系统的波动幅度,温室地球小于冰室地球,且冰盖稳定的时期小于冰盖有明显消长的时期。

   尺度在十万年级的气候波动被称为异常。作者列举了LPTM极热事件、Oi-1Mi-1冰期事件等持续时间约20万年的突发事件。无论冷暖,这些事件不仅体现在氧同位素记录的突然波动,而且也表现在碳同位素的剧烈变化,直指全球碳循环的显著变化。

   文章的最后一部分是对气候变化驱动机制的探讨:构造尺度上的气候趋势究竟是由CO2浓度变化还是由海道开阖控制?地轴倾角和轨道偏心率信号在气候系统中,尤其是温室地球状态下,如何传递和放大进而主导气候节律?以及甲烷释放、轨道参数配置异常如何突破气候系统阈值导致气候突变事件?相对于第一部分数据集成和第二部分气候历史,这一部分探讨的意味更强,也成为过去15年中古气候研究的主要增长点。

 

下一站是?

   数据集的更新。Zachos本人领衔于2008年初对数据集进行了更新,补充了来自赤道太平洋的渐新世、南大西洋和印度洋的中晚始新世以及渐新世-中新世等等深海记录。更新后的数据集有两个重要变化:渐新世气候的周期性增强但晚渐新世增温事件(26Ma)不显著,中始新世气候适宜期(41.2Ma)凸显。2009年,Cramer等完成了不同洋盆的底栖有孔虫碳氧同位素的集成,并将下限向前延伸到80Ma,突出了洋流格局对不同洋盆同位素梯度的影响。最近(2014)Mudelsee等对集成时间序列进行了更严格的统计分析后,分别构建了高低纬度地区的氧同位素集成曲线。结果发现,高纬和低纬的深海氧同位素记录在3117Ma之间有系统性的差异,提出气候敏感性和极地放大效应都与气候变化的时间尺度有关。

   随着深海碳氧同位素记录不断增加,数据集在扩容的同时,时间标尺也在持续调整。尽管每次数据集成时都统一了年代标尺,但作为磁性地层学的基准——古地磁极性年表也在与时俱进。Zachos等发表的20012008年的数据集参考的古地磁极性年表是CK95CramerMudelsee参考的都是GTS2004Cramer的数据集中甚至提供了CK95GTS2004两种古地磁标尺下时间框架。目前,古地磁极性年表的最新版本是GTS2012。仅在过去65Ma范围内,同一极性倒转事件在GTS2012GTS2004中的最大差别超过0.7Ma (C19n),与CK95的差别更是超过1.4Ma (C26n)。无论是讨论轨道尺度还是构造尺度的气候事件,这种年表差异都不容忽视。

   留意过不同版本的古地磁时间标尺的人不难发现,GTS2004GTS2012在新近纪几乎没有差别,主要原因是二者都建立在天文调谐时间标尺的基础之上。前面曾提到,Zachos作为第一作者在综述论文的两周前还发表了一篇SCIENCE论文Climate responseto orbital forcing across the Oligocene-Miocene Boundary2014年,Zachos曾在某公开场合说过,2001年两篇SCIENCE论文里他本人更喜欢这一篇。一个重要的原因是他首次成功地从ODP 926B孔的晚渐新世氧、碳同位素记录中识别出了完整的地球轨道周期(岁差、倾角以及偏心率),开创了用通过天文调谐建立古近纪时标的先例。这成为后来构建新生代天文调谐时标的基石。2006年,Pälike等建立了渐新世完整的天文调谐标尺。时至今日,在德国和美国学者的共同努力下,新生代深海沉积氧同位素的调谐时标已经基本完成。

   碳循环与气候系统的相互作用也有长足进展。构造尺度上,不同方法重建的新生代大气CO2浓度结果趋于一致,Dannis Kent (CK95K)还提出了极富想像力的“特提斯洋俯冲去气+玄武岩风化”来解释整个新生代碳循环和气候历史。结合数值模拟,碳循环在长尺度气候演化所扮演的角色有更深入的认识。对气候突变来说,PETM事件早已被确认为巨量轻碳快速释放导致的一次增温事件,在IPCC第四次评估报告中被视为现代人为增温的重要相似形。尽管PETM事件本身仍有不少基本过程有待确认,但越来越多陆相和浅海的高分辨率记录不仅推动了对事件过程及影响的认识,也必将促进对事件触发机制的理解。


Jim Zachos, 手中岩芯为某钻孔PETM事件开始阶段的复制样本



p.s.

Zachos本人性格有些闷,课堂也被普遍评价为monotonic。在酒吧里会活跃的多。

Zachos刚刚获得了今年EGU的Milankovitch Medal。之前,曾授予同济大学的汪品先先生,以及Maureen Raymo.




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