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厄尔尼诺形成及其证据

已有 4140 次阅读 2007-10-21 17:01 |个人分类:地球科学

厄尔尼诺形成及其证据

廖永岩

广东海洋大学

rock6783@126.com

 

厄尔尼诺(El Nino)事件是指,大约圣诞节前后,东太平洋赤道带海域的海水出现非周期性、年际(几年)时问尺度的异常增温现象。 El Nino事件的出现将会引起全球性的气候异常变化,诱发自然灾害,给人类社会酿成巨大的经济和生命损失。例如 1982-1983年的El Nino事件,造成80亿美元的经济损失,并有一千多人在自然灾害中丧生(上海天文台,1995。据气象学家分析,在El Nino事件年份,中国通常也会出现较为严重的南涝北旱的灾情。如在 1998年的El Nino事件时期,中国长江中下游流域出现了较为严重的洪涝灾害,造成了数百亿元的经济损失。对人类社会和全球环境导致灾害性气候异常的El Nino事件,引起了全球性的重视。特别是1982-1983年和1997-1998El Nino事件发生后,El Nino事件的研究成了国际上一个被十分重视的前沿研究领域,研究El Nino事件的发生原理,就成为人类防灾减灾的一个重要课题。应用现有的地球物理学、地质学、天文学、海洋学、气候和气象学资料,我们对厄尔尼诺的形成原理进行了研究。

1  冰川与地球的关系

在大西洋北部的斯堪的纳维亚地区及北美的大湖地区,第四纪大冰期时,被很厚的冰雪覆盖,后由于巨大北极冰川的融化,因地球的均衡补偿作用,目前一直在进行着冰后回升。据测定,最初斯堪的纳维亚地区以10/100a速率抬升,目前仍保持1/100a的速度(傅容珊和黄建华,2001Stacey, 1992。这些曾经是北极冰川形成的广大地区的冰后回弹,说明这些地区在北极冰川形成时,曾经受巨大冰川质量的作用,由于地球的均衡补偿作用而发生下沉。下沉的量,肯定大于现在今回升的量。

地球的外层,是由地壳和上地幔构成的固体岩石圈,其下是具有流体性质的软流圈(孙立广,2003;刘本培和蔡运龙,2000。所以,在一定程度上,我们可以把地球看成是一个由岩石圈圈闭的液体容器,里的液体是软流圈物质。根据流体静力学原理,液体是不能被压缩的,作用于液体的压力,可以以相等的力,传至液体的任何部分及任何方向(赵景员和五淑贤,1981

当巨大的北极冰川被压入地球内部的时候,冰川的巨大质量和体积进入地球内部,进入地球岩石圈围成的这个密闭容器,必然要导致地球膨胀。因为,根据流体静力学原理,若地球不膨胀,北极冰川就不可能进入地球内部。由于固体的岩石圈的弹性有限,地球体积要膨胀,必然导致岩石圈破裂。也只有在岩石圈破裂的情况下,地球才可能发生允许北极巨大冰川下沉所需体积的膨胀。简而言之就是,若地球的其它地区没有岩石圈的下沉或上升的话,北极冰川下沉多少体积,地球将通过最容易破裂的地区破裂,释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质。换句话说,地球通过岩石圈破裂释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质,北极冰川才可能向地球内部下沉多少体积。

就目前而言,海洋的洋中脊部分,是地球最容易破裂的部分。若一旦地球膨胀,首先导致破裂的部分,将是洋中脊。这将引起洋脊处岩浆外流。

所以,我们可以说,由于种种原因,引起地球表面重力正异常(大地水准面负异常),导致地球的均衡补偿作用,使某处岩石圈物质下沉时,在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质上升。若地球的其它地区没有足够的岩石圈物质上升来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈下沉,地球的体积将膨胀,将引起岩石圈破裂,引发洋中脊处岩浆上涌,导致海底扩张,最终导致造海运动。

相反,由于种种原因,引起地球表面重力负异常(大地水准面正异常),导致地球的均衡补偿作用,使某处岩石圈物质上升时,在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质下沉。若地球的其它地区没有足够的岩石圈物质下沉来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈上升,地球的体积将收缩,引起岩石圈皱缩,引起地向斜和地背斜出现,后导致地槽的出现,最终会引起造山运动。

地球到底是引起洋中脊岩浆上涌,或是引起岩石圈皱缩,主要取决于进出地球岩石圈这个密闭圈物质的体积。若岩石圈总下沉体积大于总上升体积,则岩石圈破裂;若岩石圈总下沉体积小于总上升体积,则岩石圈皱缩。

2  目前地球的现状

根据卫星测量,南极大地水准面凹进30,而北极大地水准面凸出10;赤道到南极60°之间的中纬度地区,大地水准面略高;而赤道到北纬45°之间的中纬度地区,大地水准面略低。我们通常所说的地球形状是指大地水准面所圈闭的形状,因此,我们说,地球的真正形状近似倒“梨形”(见图1King-Hele, 1969

1 地球的形状King-Hele, 1969

地球内部具有液体性质的软流圈(孙立广,2003;刘本培和蔡运龙,2000。地球具有固体潮(刘本培和蔡运龙,2000。地球在月球的引力作用下,通过赤道的周长,远大于通过两极的周长,地球不是一个标准圆球形,而是一个椭圆球体(刘本培和蔡运龙,2000。这些说明,地球是一个具有一定粘滞性的球体。所以,我们可以把地球看成一个牛顿粘滞性球体来分析它的受力情况(张赤军,陆洋,1998Kivioja, 1967

根据物理的力学原理,当一个力作用于一个球形牛顿粘滞体时,球体受力作用的一极,将下降;和受力极相对的另一极,将会上升;受力极半球的中纬度部分将上升凸起,而相对的半球中纬度部分将凹陷。

目前,北极冰川已经消失,地球上只有一个南极大冰盖(孙立广,2003。把地球当成一个牛顿粘滞体,来分析南极巨大冰川质量(2.7 × 1019kg)对地球的作用时发现:南极冰川质量作用于处于流体静力学平衡的地球时,在65°-90°S之间,大地水准面将降低,且在南极附近降得最大,其值达115m;而北极则随着重力降低(因重力值增加为负值),大地水准面明显增加,上升达14.8m;南半球的中纬度地区,大地水准面明显升高,且在45°附近升高为最大,其值为37m。北半球中纬度地区,大地水准面将下降(张赤军,陆洋,1998Kivioja, 1967

比较卫星测量和理论推算的两极大地水准面异常数据,我们可以发现:目前南极大地水准面凹陷量仅30,远小于理论推算的115;北极的凸出量仅为10,也小于理论推算的14.8m。南极下沉,已完成(115-30÷115×100%=73.9%,仅剩26.1%;而北极完成(14.8-10)÷14.8×100%=32.4%,还剩66.6%。这说明:

1. 目前地球的岩石圈下沉或上升,主要受南极巨大冰川质量的控制,地球表现出明显的牛顿粘滞体性质。

2. 南极冰川和南极岩石圈一道,正在下沉,已下沉了115中的85,现仍有30要下沉;北极岩石圈正在上升,目前已上升14.8中的4.8,现仍有10要上升。

3. 北极除由于大质量南极冰川下沉引起的凸出外,由于北极冰川消融后,仍在回升。由于北极冰川消融后仍需回升量=10-14.8×26.1%米,约6.14

3  固体地球的形变及证据

3.1  地球南、北半球非对称变化的热力学证据

由地震层析成像得到的下地幔的波速格局,显示北半球是高速区,代表较冷地幔;南半球是低速区,代表较热地幔。计算表明,南半球大陆的地幔热散失量为22.1×1012W,占全球大陆地幔热散失量(32.9×1012W)的67%,是北半球大陆地幔热散失量(10.8×1012W)的2(马宗晋等,2002

全球的大洋洋中脊3/ 4出现在南半球,那里有南大西洋、太平洋、印度洋和环南极洋中脊,而北半球只有一段北大西洋洋中脊(马宗晋等,2002。计算表明,南半球的平均热流值达99.3 mW/m2,高出全球平均值(87mW/m214%;北半球的平均热流值是74.0mW/m2,比全球平均值低15%(傅容珊和黄建华;2001Pollack, et. al., 1993。就热散失量而言,全球热散失量(44.2×1012 W)中的57%,即25.3 ×1012W来自南半球,43%18.9×1012W)来自北半球(马宗晋等,2002Pollack, et. al., 1993

据此,可以说,南半球是热半球,北半球是冷半球;北半球是挤压半球,南半球是膨胀半球。这说明,由于南极冰川下沉,作用于地球这个牛顿粘滞体时,现正在使这个粘滞体南半球中纬度地区不断膨胀,北半球中纬度地区不断收缩。即南极冰川对地球这个牛顿粘滞体的作用正在进行。

2  由板块绝对运动模型HS2-NUVEL1计算的地球纬圈长度年变化率(LGripp and Gordon, 1990

3.2  地球南、北半球非对称变化的板块运动证据

由板块绝对运动模型HS2-NUVELl的资料,可以计算出地球的经圈和纬圈长度的年变化率,结果见图2(马宗晋等,2002Gripp and Gordon, 1990

2表明,南半球的纬圈长度年变化率是增加的,最大值可达 10 mm/a;北半球的纬圈长度年变化率则大多是减少的,最大值可达-5mm/a。这一结果也证实了南半球中纬度地区在扩张,北半球中纬度地区在收缩。这说明,南极冰川对地球这个牛顿粘滞体的作用正在进行。

3.3  地球南、北半球非对称变化的空间大地测量证据

地学板块运动模型,反映的是半径不变的地球表面上几百万年内的平均板块运动;而空间大地测量实测站速度反映的是实际发生的现时全球构造运动。甚长基线干涉测量( VLBI)、全球定位系统( GPS)和卫星激光测距( SLR)等空间大地测量技术测定的结果见表12(马宗晋等,2002;孙付平等,1999

从表1和表2的检测结果可以看出,无论是采用不同技术的实测结果,还是采用不同检测方法的结果都得出在北半球中纬度带内,纬圈长度闭合差均呈负值;在南半球中纬度带内,纬圈长度闭合差均呈正值。这说明,南半球中纬度地区确实在扩张,北半球中纬度地区确实在收缩。

1 北半球检测结果(马宗晋等,2002;孙付平等,1999

2 南半球检测结果(马宗晋等,2002

表中数值单位: mm/a.

ITRF2000速度场和全球IGS速度场统计出南半球台站的垂向运动(见表3),也显示南半球除在赤道附近7个台站是下降,其他91%的台站几乎全为上升,反映南半球中纬度地区处于隆升状态(金双根和朱文耀,2003

3 南半球上升与下降站分布(金双根和朱文耀,2003

 

GPS

VLBI

SLR

总的台站

上升

下降

总的台站

上升

下降

总的台站

上升

下降

0ºS~ 10ºS

11

4

7

1

1

0

1

0

1

10ºS~ 20ºS

11

9

2

0

0

0

4

3

1

20ºS~ 30ºS

12

11

1

2

2

0

3

3

0

30ºS~ 40ºS

10

8

2

3

2

1

6

5

1

40ºS~ 50ºS

5

4

1

1

0

1

 

 

 

50ºS~ 60ºS

2

2

0

 

 

 

 

 

 

60ºS~ 70ºS

7

6

1

2

2

0

 

 

 

70ºS~ 80ºS

3

2

1

 

 

 

 

 

 

ITRF2000速度场求出的南半球纬度闭合环纬线变化率的闭合差显示:平均纬度为15.70的闭合环纬线变化率为16.2mm/a;平均纬度为25.5o的闭合环纬线变化率为  23.1mm/a;平均纬度为34.7o的闭合环纬线变化率为19.3mm/a;平均纬度为67.6o的闭合环纬线变化率为20 mm/a(金双根和朱文耀,2003。由此可知:南半球纬线变化率均为正值,即南半球中纬度地区处于拉伸状态。这也说明,南极冰川对地球这个牛顿粘滞体的作用正在进行。

3.4  地球南、北半球非对称变化的速率在不断变小(南半球在减速膨胀)的证据

现今空间技术测得的全球板块相对运动速度反映最近数十年的相对运动,NNR-NUVEL1 A模型估算的结果代表3Ma内的平均相对运动。将现今空间技术实测得出的洋中脊扩张运动速度与NNRNUVEL1 A模型的估值比较结果见图3(金双根和朱文耀,2003

由图3可见:在3Ma内,北半球相邻板块相对运动速率没有系统性的变化,而南半球各相邻板块相对运动速率变化均减小,如经度方向,太平洋与纳兹卡板块间洋中脊、南大西洋洋中脊以及印度洋中脊均在减速扩张;纬度方向,环南极洲洋中脊均在减速扩张,反映南半球南北方向在减速拉伸,东西方向在减速伸展。即北半球板块边缘相对运动比较复杂,扩张和汇聚速度没有系统性的变化,而南半球在最近3Ma内减速膨胀。这说明,南极冰川对地球这个牛顿粘滞体的作用正在进行,但作用强度在不断减弱。

3 全球板块边缘相对运动速率变化(金双根和朱文耀,2003

综上所述,我们可以说,现今的地球,的确显示出一个牛顿粘滞体的特征:在南极大质量冰川的作用下,引起南极下沉,北极上升;南极中纬度地区上升,北极中纬度地区下沉。

南极冰川已作用于地球相当长的时间,已完成73.9%的效果,仅剩26.1%的效果需继续完成。南半球中纬度地区的上升速度已不断减慢。南极大冰盖对地球的作用效率已降低。由此,我们也可以初步推断,由南极大冰盖作用于牛顿粘滞体的地球,引起的南极的下沉、北极的上升;南极中纬度地区的上升,北极中纬度地区的下沉,均在减慢。

4  厄尔尼诺和拉尼娜形成的原因

目前岩石圈上升的主要区域是原北极冰川区,因冰川消融而反弹;冈底斯山区、澳大利亚东北等区域,因岛弧抬升而上升。主要下降区为南极区域,因南极冰川形成或扩大而下沉。其中,起主要控制作用的,应是南极冰川及其岩石圈的下沉和北极原第四纪大冰川区的上升反弹(傅容珊和黄建华,2001

由于种种原因,当南极冰川扩大Connolley and King, 1993; Thompson and Pollard, 1997,促使南极大冰盖及其它下沉区的下沉体积大于北极冰川区及地球其它上升地区的上升体积,即岩石圈下沉的体积大于上升的体积时,地球将膨胀,导致洋中脊处岩浆外涌。或由于种种原因,南极下沉的速度不变,北极冰川区的冰雪量增加,阻碍了北极冰川区的上升,而造成洋中脊岩浆上涌。

反之亦然,由于种种原因,促使南极大冰盖和其它下沉区的下沉体积小于北极冰川区及其它上升区的上升体积;或由于种种原因,北极冰川区的积雪量减少,加速了北极冰川的上升,将使地球的膨胀停止减弱或停止,洋中脊处的岩浆上涌速度将减弱或停止,并有可能引起岩石圈皱缩。

总的来讲,现在的地球,处于南极冰川下沉,北极已下沉的冰川区反弹性回升的总趋势下,且南极下沉的体积比北极上升的体积大。所以,地球总的来说应处于膨胀期,洋中脊处的岩浆应处于缓慢上涌期。只是因为种种原因(如南极冰川的扩大和缩小、北极冰雪的增加和减少等),在这种总趋势下,有一些周期性的振荡而已。

另外,因为地球可以看成一个近似的牛顿粘滞性球体,在主要受南极冰川作用的情况下,地球膨胀时,主要发生在南半球中纬度地区。所以,当地球膨胀率不大的时候,主要的地球膨胀(洋中脊岩浆外涌),应发生在南半球中纬度地区(张赤军和陆洋,1998。只有当地球的膨胀率周期性地增大时,才逐渐扩展至赤道地区及地球的其它地区。当然,若地球膨胀主要是由于北极冰川区的冰雪量增加(Blewitt et. al., 2001)或上升速度减慢而造成的话,那将造成南、北极共同挤压地球的情况。在这两个力的共同作用下,地球的主要膨胀区应在赤道带地区,然后才应是地球的其它地区。

4 全球热流分布Bott, 1982

海洋的温度变化,主要受阳光强弱和海流的影响,这些能量均来自太阳(刘本培和蔡运龙,2000。一般来说,地热产生的能量对海洋温度的影响比较小。但是,地热来自于地球内部。地球内部,随着深度的增加,温度急剧增加,外核古登堡面处,约2900,地心温度约3200[4]。所以,地球内部是一个巨大的能量库。当大量的地球内部能量(热量),通过岩浆外涌而排入海洋时,在一定的区域内,将会造成该海洋的水温急剧增加。

在正常年份(非厄尔尼诺年,也非拉尼娜年),地球受南极冰川下沉和北极冰川上升的总趋势影响,在南半球中纬度地区的洋中脊,处于微扩张状态,微量岩浆外涌。所以,地球热流高的区域,主要分布于约南纬60度至北纬15度左右的南半球中纬度区域,如东南太平洋及东南印度洋(见图4Pollack, et. al., 1993; Bott, 1982

在厄尔尼诺年份,由于南极冰川扩张或北极地区冰雪沉积增加,导致地球的膨胀加剧,洋中脊扩张区由南半球中纬度区域向赤道扩展或其它岩石圈易破裂的地区扩展。特别是在圣诞节前后,北半球正处于隆冬季节。现今的大陆,主要分布于北半球,北半球大陆的积雪,减慢了北极冰川区域的上升幅度,造成两极挤压地球,这就加剧了地球体积的膨胀。不仅使南半球中纬度地区的洋中脊加剧扩张,岩浆外涌,而且会导致赤道附近的东太平洋洋中脊及赤道附近西印度洋的的洋中脊岩上涌。月球引力对地球产生的固体潮,将加剧这种作用。

由于东太平洋及东南太平洋的洋中脊岩浆上涌,将大量的地热,带至东太平洋及东南太平洋。使东太平洋的水温升高。东南太平洋升高温度的海水,随表面和深水海流向东北方向移动,而东太平洋的暖海水,在赤道流的作用下,由西向东移动(刘本培和蔡运龙,2000。水温增加,海水体积膨胀,导致海平面升高,这也是造成以上海流加强的重要原因(刘本培和蔡运龙,2000。这样,将使东西太平洋的暖水区域由东向西扩展。中太平洋洋中脊岩浆上涌,也可能是导致中太平洋海水温度升高的原因Van Bemmelen, 1972

正常年份,由于秘鲁流和东南季风的影响,在厄瓜多尔和秘鲁沿岸,是由南向北的较低温度的海流;并且由于离岸风的影响,冷水上翻,将深海的营养盐带至海表,造成大量的浮游生物繁殖,为鱼类提供了大量饵料,使鱼类产量大大增加。但在厄尔尼诺年份,科科板块和纳兹卡板块之间的洋中脊扩张,导致岩浆上涌,水温增加。水温增加,体积增大,海平面升高,导致海水由洋中脊处向厄瓜多尔和秘鲁海岸,由北向南流动。这股暖流,抵消了秘鲁流(冷流)。东太平洋大面积异常升温,使该地区大气环流加剧,使东南季风减弱或消失。厄瓜多尔和秘鲁沿岸离岸风减弱或消失,深海冷水上翻消失。浮游生物缺乏营养盐而不能大量繁殖,鱼类因没有饵料而离开或死亡。该地区的大气环流加剧,也使这一地区由在大陆东南季风控制下的干旱气候,转变为多雨,甚至出现洪涝灾害。

这种地球加速膨胀,洋中脊岩浆上涌导致的厄尔尼诺现象,最终是由于岩石圈下沉体积大于岩石圈上升体积而造成的。所以,这种现象一直维持到通过洋中脊岩浆上涌,将多余的岩石圈下沉体积释放完为止。

由于多余的下沉岩石圈体积被扩张的洋中脊释放完。洋中脊将关闭,岩浆上涌停止。由岩浆上涌带给海水的热降低。甚至会出现比正常年份更低热量值。这样,失去了洋中脊带来的地球内部热量正常供给,将导致拥有大量洋中脊的东太平洋及东南太平洋,出现比正常年份更低的温度。这将导致拉尼娜现象的出现。

当然,厄尔尼诺现象出现后,是不是一定会紧接着出现拉尼娜现象,这主要由地球岩石圈总体下沉和上升来综合控制。

5  洋中脊岩浆上涌引起厄尔尼诺的证据

5.1  热力学证据

地球是一个巨大的热库,自地表向地心,温度逐渐增高。自地球形成以来,地球一直在向外释放热量。地球表面的温度受太阳光强度、海流、大气环流等影响较大,没有太大的地球物理学意义。但地表的热流,是表征地球内部热状态的基本物理量,通过它,可以初步估算地球深处的热状况。

通过地表热流的观测发现,就海洋和陆地来说,全球主要构造单元热流平均值海洋为101mW/m2,大陆为65 mW/m2;全球平均值为87mW/m2(傅容珊和黄建华,2001Pollack, et. al., 1993; Bott, 1982。就不同地质时代来说,太古代和元古代地层的平均热流值低,而新生代和中生代的地层热流值高。就新生代来说,第四纪地层的平均热流值,高于第三纪的。总趋势呈现出,在大陆上,古老地盾区的热流值较低,而现代火山带、新生代岩浆活动带的热流值较高。在大洋,洋底的热流值随洋底年龄的增加而减少;洋中脊处海洋热流值最高,并对称地向两侧降低;在深海沟处常为低热流值。热流值和地壳年龄的关系同海底扩张模式一致(刘本培和蔡运龙,2000Pollack, et. al., 1993; Bott, 1982; 徐茂泉和陈友飞,1999

但全球的洋中脊处热流值并不是相等的,热流值高于120mW/m2的区域,主要位于北纬15度至南纬60度之间的东太平洋和东南太平洋洋中脊海域、北纬28度至南纬60度之间东南印度洋及西北印度洋洋中脊海域、北纬28度至南纬60度南大西洋洋中脊海域三个区域。而热流值高于200mW/m2以上的海域,主要位于约北纬10度至南纬45度之间的东太平洋及东南太平洋洋中脊海域及南纬45度附近的东南印度洋小部分洋中脊海域(见图4(傅容珊和黄建华,2001Pollack, et. al., 1993; Bott, 1982

从以上的地球热流值分布情况可见,较早从高温的地球内部涌出的物质,冷却时间长,热流值低;较迟涌出的物质,冷却时间短,热流值高。在一定程度上,热流值的高低,代表地内热物质从高温的地球内部涌出的先后。所以,洋中脊处,是最后从高温的地内涌出的物质凝聚成的岩石圈层。而东及东南太平洋区域洋中脊,是最最后从地内涌出的物质凝聚的岩石圈层。或者说,东太平洋区域的洋中脊,可能是现今仍在涌出地内物质的区域。同时也说明,因为纬度和目前地球特有岩石圈构造的原因,东太平洋及东南太平洋洋中脊处的岩石圈,是目前最容易破裂的岩石圈。

5.2  洋中脊证据

世界大洋洋底年龄图如图5所示(徐茂泉和陈友飞,1999

5 全球大洋洋底年龄(徐茂泉和陈友飞,1999

从图5可以看出,不同的洋中脊,在不同的地质年代,向两侧形成大洋洋底的速度是不一样的。始新世以来,海底洋中脊扩张主要发生在东及东南太平洋和东南印度洋海域,其中以东及东南太平洋区域洋中脊扩张最为明显(刘本培和蔡运龙,2000;徐茂泉和陈友飞,1999。这说明,自始新世以来,由于地球形成的特有构造导致的受力情况,东及东南太平洋和东南印度洋海域洋中脊处,是地球岩石圈最容易破裂的地方。

由海底磁异常计算出的洋中脊扩张速率(见图6)可知,东及东南太平洋洋中脊半扩张速率最大,赤道及赤道以南东太平洋洋中脊半扩张速率为10.3-18.3cm/a(纳兹卡-太平洋、可可斯-太平洋、太平洋-南极洲东段),南太平洋及东南印度洋为5.7-7.7cm/a,其它海域的洋中脊半扩张率均在5.7cm/a以下(刘本培和蔡运龙,2000Chemicoff and Venkatalrishnan, 1995

6 全球板块构造及洋脊扩张率Chemicoff and Venkatalrishnan, 1995

由空间技术测量得到的最近20年内,全球各板块扩张最快的6对板块间扩张速率见表4(金双根和朱文耀,2003

4  相对运动速度最快的板块边缘比较(金双根和朱文耀,2003

相邻板块名称

板块移动速度(mm/a)

AB

差值(mm/a)

板块边

界位置

空间实测(A)

NUVEL1 A模型估算(B)

纳兹卡-太平洋

143.13.5

145.04.1

-1.9

东太平洋

可可斯-太平洋

104.90.5

103.12.5

1.8

东太平洋

太平洋-南极洲

71.90.1

77.11.1

-5.2

东南太平洋

纳兹卡-可可斯

70.52.3

68.93.8

1.6

东太平洋

澳大利亚-南极洲

68.31.5

68.61.5

-0.3

东印度洋

纳兹卡-南极洲

54.21.4

57.12.2

-2.9

东南太平洋

:板块移动没标注者,“+”,表示扩张,“-”表示板块收缩;空间实测与NUVEL1 A模型估算差值,没标者表示加速, “-”表示减速.

从世界洋中脊分布图(见图5)和扩张速度图(见图6)和表4可以看出,东太平洋是地球上洋中脊分布最为密集的区域。这一海域,分布有纳兹卡-太平洋、纳兹卡-可可斯、纳兹卡-南极洲、可可斯-太平洋、太平洋-南极洲等5条洋中脊,且纳兹卡-太平洋、纳兹卡-南极洲、可可斯-太平洋、太平洋-南极洲这4条洋中脊,是地球上现今扩张最快的洋中脊(见表4,图6);纳兹卡-可可斯洋中脊,扩张速度仅次于澳大利亚-南极间的洋中脊,是地球上扩张最快的第6条洋中脊(见表4,图6)。这说明,整个东及东南太平洋海域,不仅是地球上洋中脊分布最为密集的海域,且这里的洋中脊,现代扩张速度较快;而东太平洋的洋中脊,是地球现今扩张最快的洋中脊。

注: 代表El Nino出现的年代

7 南极地区的MSAnssSO4-2历史时期峰值与El Nino具有很好的相关性Legrand and Feniet-Saigne, 1991

15VLBI1979-1996)和SLR1980-1996)观测、以及5GPS1991-1996)观测发现:3种数据及其组合都给出了较为一致的检测结果,即北半球中纬度带存在8-10mma量级的压缩变化;南半球中纬度带存在12-14mma量级的膨胀变化(孙付平等,1999。这说明,在最近15年(1979-1996),南极中纬地区的洋中脊,每年都可能有岩浆上涌,造成每年12-14mma以上的海底扩张。

5.3  冰川学证据

火山喷发,可分为爆炸性火山喷发,和洋中脊式的缓慢喷发(或叫涌出)等多种形式。不管那种形式的火山喷发,都会喷发出一定量的火山气体,只是不同的火山喷发,喷出的火山气体多少有别。火山气体,主要由H2OCO2SO2H2SHClHF等组成(郭正府和刘嘉麒,2002SO2H2S,都可进一步氧化成H2SO4。通过对南极冰川的冰芯研究发现,南极地区的MSASO42-历史时期峰值与El Nino具有很好的相关性(见图7(孙立广,2003Legrand and Feniet-Saigne, 2001

这说明,在每个El Nino年,都有大量的地内岩浆物质涌出,喷发出的大量H2SSO2气体,进入海洋或大气,进一步氧化成H2SO4,并随着冰雪进入南极沉积下来,造成了南极冰芯的高MSASO42-。从以上洋中脊的活动情况分析可知,现今活动性最强的洋中脊,是东及东南太平洋海域的洋中脊。换句话说就是,历史时期东及东南太平洋洋中脊岩浆涌出与El Nino具有很好的相关性。

5.4  地球扁率和自转证据

若厄尔尼诺果真是由东太平洋洋中脊扩张引起岩浆上涌而造成的,那么,在厄尔尼诺形成年,地球肯定会膨胀。因为,只有地球膨胀,造成岩石圈最易破裂处(如东及东南太平洋洋中脊)破裂,才可能造成洋中脊岩浆上涌。若地球膨胀,地球的自转速度就一定会减慢,日长就会增加。

8 1979-2003年的J2×1010变化情况(Cox and Chao, 2002)

9 1982-2001年的J2×1011变化情况(Dickey et. al., 2002)

因冰后反弹和地球的均衡均调整作用,地球扁率(Earth's dynamic oblateness, J2)一直在逐渐减小,但在1997-1998年却明显增大,这种变化刚好与1997-1998年的厄尔尼诺一致(见图8、图9)Cox and Chao, 2002; Dickey et. al., 2002。其实,从图8还可以看出,除1997-1998年外,1982-1983年,地球的扁率也明显增大;1989也稍有增大。虽然1989年的厄尔尼诺不太强烈,但1982-1983年的厄尔纪诺,和1997-1998年的厄尔尼诺一样,也是相当强烈的。从图9也可以看出,除1997-1998年外,1989年和1992年的地球扁率也明显增大。虽然它们没有1997-1998年的厄尔尼诺那第强,但都是厄尔尼诺年。虽然类似地球扁率这样的测量,人类只是从上世纪70年代末期才开始,只有20多年的数据,没有办法对上世纪70年代以前的厄尔尼诺事件和地球扁率进行逐一比较。虽然在重力均衡作用下,南极下陷,北极冰后反弹,南极的重力正异常和北极的重力负异常,均在不断减弱。自南极向北极的作用力在不断减弱;由于这个作用力在不断减弱,地球的扁率也在不断减小。但是,就这20多年的比较,我们就可明显看出,只要是厄尔尼诺年,地球的扁率在总体逐渐减小的趋势下,都有增大,只是强厄尔尼诺年地球扁率增大显著,弱厄尔尼诺年地球扁率增大不太显著而已(见图8、图9)。这说明,厄尔尼诺年,地球的扁率的确在增大,地球赤道附近的确在膨胀。

用高精度天文测量技术在全球观测得到表征地球自转速率变化的日长变化,经扣除太阳和月亮的全部引力、潮力后,用高分辨率多级数字滤波技术作带通滤波获得的日长年际变化曲线,与东太平洋海温变化(SST)进行比较,发现它们之间的确存在相当好的一致性(见图8(上海天文台,1995任振球张素琴,1985;任振球张素琴,1986

8 东太平洋海温变化(SST)与日长年际变化的关系(上海天文台,1995

这说明,在厄尔尼诺年,地球的确出现了膨胀,在非厄尔尼诺年,地球的确出现了收缩;在拉尼娜年,地球收缩程度最大。 这从一个侧面证明,厄尔尼诺现象的形成,的确是因为地球膨胀,造成洋中脊扩张致使岩浆上涌,使东太平洋海水异常升温而造成的。

5.5  气候学证据

一定的气候,是一定的水、地表热量和大气的表征。其中,水和热量是最重要的基本因素,大气,只是水和热量的载体。而水,是气候最直接的表现要素,热量是水和大气运动的能量源泉。地球上的一个地区,具有一定的水和热的量,就形成了这个地区的气候特点;也就决定了这个地区生物分布等情况。如高温多雨的热带雨林、干旱的大陆中心沙漠、干冷的极地冰川等。

地球上一旦有了稳定的水、热量及其运动方式后,也就有了一定的气候特征。当某种原因一旦打破了这种已经建立的稳定,生物(包括人类)原已形成的分布及生存方式,将受到严重影响。

在非El Nino年,这是占主要时间区段的年份,由于原有地表热量决定的水量分布而形成的气候条件,已被植被和动物及人类所适应,我们将之称为正常气候。地球上的植被、动物的分布及人类的生活,都已具有稳定模式。但El Nino年,由于大量地内热量在短时期内,被带至局部区域(东太平洋),使东太平洋的热量急剧增加。在这个异常能量和原有能量的共同作用下,使与之有关区域的水量将重新分配。如多雨的澳大利亚北部和印度尼西亚降水减少,而导致干旱,印度尼西亚的森林缺乏应有的雨水而引起大火;少水的尼瓜多尔和秘鲁,由于降水量的增加而引起洪灾;中国的南北降水量也将发生变化,而导致降水异常等。这就影响了原来已稳定的气候,使已适应原来气候的植物、动物和人类,不再适应El Nino带来的新变化,从而产生一系列灾难。

所以,El Nino,是南极冰川、北半球冰雪及其它大质量造成岩石圈的上升和下沉失衡,岩石圈下沉和上升体积的差值急剧增大,引起东及东南太平洋洋中脊岩浆上涌。大量的地内热量被带至局部地表,使这一区域及与这一区域相关的地区,气候发生相应的改变,从而造成一系列自然灾害。而多雨的东南非降水减少,导致干旱,可能与印度洋洋中脊上涌有关。

现今的地球,总的趋势是南极冰川及岩石圈在不断下沉。若南极冰川是均匀缓慢地下沉,就不会发生El Nino。但南极冰川的下沉,具有一定的阶段性;下沉的过程中,有时会加剧(厄尔尼诺年),有时还会有一定的回返(拉尼娜年)。也就是说,南极冰川在下沉过程中,会发生一系列振荡。所以,当南极冰川正常地缓慢下沉时,只会造成南半球中纬度地区的洋中脊岩浆的缓慢上涌,这就是所谓正常年份。当由于种种原因,南极冰川下沉加速,或北极冰雪量增加导致北极上升减缓,就会造成东太平洋洋中脊急剧扩张,岩浆急剧上涌,从而造成El Nino。若El Nino使大量岩浆上涌,使南极冰川下沉的能量暂时释放完,使南半球中纬度地区的岩浆上涌也停止的话,就会出现拉尼娜现象。

只有当南极冰川下沉完成,不再下沉,北半球不再形成冰川,且地球岩石圈下沉和上升达到平衡时,El Nino现象才不会出现。但地球是活动的,处于不断的运动之中。处于运动之中的地球,肯定会有岩石圈的上升和下沉,只要这种运动不停止,El Nino现象就不会停止。只有当地球完全失去了岩石圈的运动,不再有岩石圈的上升和下沉了,El Nino才会永远消失。那时,一切火山和地震,也会随着消失了。像月球一样,它上面就不会再有El Nino现象类似的事件发生了。

6  讨论

6.1  对厄尔尼诺现象的预测

由于厄尔尼诺现象是由于南极大冰盖下沉、或北极地区冰雪堆集,阻止北极冰川地区的回弹性上升减慢,造成地球岩石圈下沉体积和上升体积差增大,引起东太平洋洋中脊加剧上涌而造成。所以,能引起以上变化的一切地球物理学、地质学、热力学、海洋学、天文学、气候和气象学参数,均可以作为预测厄尔尼诺现象发生的指标。

南极冰盖下沉体积与北极冰川区反弹的体积差值变化,是控制厄尔尼诺现象发生的关键因素,所以,可以作为预测指标。东太平洋要发生岩浆上涌,地球肯定得膨胀,而地球的膨胀,肯定会引起地球自转的减慢。所以,地球自转速度的快慢,可以作为预测厄尔尼诺现象发生的指标。南极冰盖的下沉,及北极冰川区的反弹上升,均会产生相应的重力异常变化及大地水准面异常变化。所以,两极地区的重力异常变化及相应的大地水准面变化,可以作为预测厄尔尼诺现象发生的指标。两极地区及其它地区的重力异常发生变化,会引起地球质心的变化,所以,地球质心的变化,也可以作为预测厄尔尼诺现象的指标。当然,若厄尔尼诺现象发生,肯定得引起东太平洋及其它赤道附近的洋中脊岩浆上涌,导致海水温度增加。所以,洋中脊附近热流值的变化、岩浆上涌变化及东太平洋的海水温度变化,肯定可以作为厄尔尼诺现象发生的指标。

以上指标,根据作用原理和作用的阶段,时间上有迟有早。有的可以作为早期预测指标,如南极冰川的下沉体积变化和北极冰川区的反弹上升体积变化、两极重力异常变化、大地水准面异常变化和地球质心变化等;有的可以作为晚期预测指标,如东太平洋水温变化等。

6.2  有关厄尔尼诺的推测

东太平洋洋中脊岩浆上涌,最直接的指标,应是洋中脊两侧的板快将发生分离。所以,我们推断,在非厄尔尼诺年,东太平洋及东南太平洋,将有洋中脊的缓慢扩张,但扩张带主要分布于南半球中纬度地区;在厄尔尼诺年,扩张带向赤道扩展。主要扩张带,这时应位于赤道附近,并且,这时的洋中脊扩张最为强烈。拉尼娜年,赤道附近的洋中脊扩张减弱并停止,南半球中纬度地区的洋中脊扩张也减弱或停止。这应该可以通过直接检测VLBIGPSSLR等空间大地测量结果而得到验证。所以,VLBIGPSSLR等空间大地测量数据,也可以作为预测厄尔尼诺的指标。

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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

 

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-3534-9446.html

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