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轻松读懂海洋(12)气候事件—中更新世转型MPT 精选

已有 4820 次阅读 2022-1-27 17:32 |系统分类:科普集锦

古气候演化历史和人力历史一样,在大趋势上更容易解释。越年轻的事件,影响因素就显得越多,信息量越大,反而不容易说清楚。

在过去几百万年的气候演化历史中,中更新世气候转型(Mid Pleistocene TransitionMPT)起到了承上启下的作用。科学家发现,在1.2-0.7Ma之间,气候曲线的天文轨道周期从4万年过渡到10万年,冰期-间冰期的变化幅度增大。这个现象然让科学家很是迷惑,其中最主要的两个迷惑点就是:1)在天文轨道周期中,10万年的日照量变化最小,为什么能造成这么大幅度的10万年气候变化?2)在这一时期,如果只看北半球65°N的日照量,并没有显著的变化特征。于是,科学家认为这里面一定存在着一个复杂的反馈机制,把一个小的10万年信号给放大了,于是,寻找各种气候信号放大机制成为了重要研究方向。另外一个暗示就是,应该存在着临界点(threshold)现象,当全球温度缓慢下降,达到一个临界点时,就会出发相应的古气候现象。于是,在模型研究中,各种参数对气候的敏感度也成为必要的考察项目。

我们先看看在MPT期间,全球都发生了哪些气候重大重组。首先全球冰盖大幅度增加,全球气温降低。赤道信风增强,太平洋东部冷舌发育,而相应的赤道西太地区温度增加,造成了太平洋东西的温度差,形成了现今类似的Walker环流,ENSO效应加大。同时,由于东赤道地区海水上涌,营养丰富,造成该区生产力增加。由于冰盖增加,海平面会下降,于是印尼贯穿流就会减弱,印度洋地区温度会增加,盐度会增加。在南极洲,由于海冰发育,冰盖增加,AABW对于空气中的CO2封存效果加强,全球大气CO2降低。在内陆,表现在气候干旱,降雨减少,东亚夏季风也减弱。在大西洋,显然AMOC减弱,NADW量减少,AABW向北扩张。在这一系列的变化中,就如武打小说中的恩恩怨怨,牵一发动全身,到底谁是触发主导条件?或者说,在这一时期是哪里的天文轨道参数的改变更加敏感?

从纬度上划分,无外乎赤道、北纬高纬区和南纬高纬区。大洋本身的变化应该是二级的,它必须通过NADWAABWAAIW等水团的生成产生反应。生物生产力,也是对气候的响应,而不是触发条件。

构造运动会造成这一转化吗?比如,青藏高原隆升等等。构造运动,比如各种海道关闭与开合,确实会造成整体体系的变化,在之前的章节也详细论述过。但是,在MPT这一时期,大家公认的机制中构造运动带来的影响很小。

我们知道,北极冰盖大扩张发生在2.6-2.7Ma,叫做North Hemisphere Glaciation (NHG)。在MPT期间,北极冰盖已经大量存在,所以,肯定会对MPT产生重要调节作用,但是还是那个问题,其触发条件是北极冰盖引起的吗?

如果我们再往NHG之前看,比如3Ma之前,全球温度高很多,北极冰盖还没大规模发育,那时就已经出现了一次非常引人注目的全球降温事件,叫做M2~3.3Ma)。在3.4-3.3Ma,海洋d18O大幅度偏正,幅度可达千分之一,这是一个妥妥的冷事件。这个时间和构造没有任何关系,是典型的天文轨道参数耦合在一起的产物。

上个世纪40年代,南斯拉夫科学家米兰科维奇提出了一个著名的理论,他认为第四纪以来的气候变化主要受到北纬高纬度的日照量变化控制。具体来说,与65°N附近夏季太阳辐射有关。事实证明,米兰科维奇理论相当成功,一条标准日照辐射曲线就可以用来解释主要的气候变化特征与规律。

地表的日照量主要受到三种天文轨道参数控制。如果地球自转轴和黄道面垂直,那么阳光会均匀地照射在地球的各个纬度,全球温度梯度会很小,除了地球自转造成的行星风带外,在高低纬度之间很难形成各种循环。这样的地球会相当死气沉沉。

好在地球自转轴是倾斜的,在同一时间,不同纬度、南北半球的日照辐射量是不一样的,尤其是南北半球差异更大,比如,北半球的夏天对应着南半球的冬天。地球天文轨道参数主要有三个主要周期。最短的是地球自转轴进动岁差(Precession)周期,为21ka2319ka)、地轴倾角(Obliquity41ka),以及最长的地球公转椭圆偏心率(Eccentricity100ka)。这三种信号交相辉映。可以想象,如果三者最大值叠加在一起,那么地球气候肯定会很热。如果最小值叠加在一起,那么地球接收的日照量就会最小,地球就变很冷。

地球的温度会高低变化,但是能否出现大规模的气候波动,那可就不一定了。中生代早期,全球没有冰盖,仅仅靠这种天文轨道周期变化,确实可以造成气候的微波动,我目前觉得,这种波动以温度调节和低纬度海气以及海陆热量交换为主要机制。

33Ma,德雷克海峡打开,形成ACC,南极开始大量出现冰盖。此时,北极还没有冰盖,南半球的西风带和ACC向南半球低纬移动,AABW的形成肯定是主导气候的重要因素。这时候,全球应该以南半球高纬度夏季日照量为主要驱动力,通过调控南极冰盖量与海平面变化,对全球输出不同周期的气候影响。

中间的故事我们忽略,时间来到3.4-3.3Ma,此时,北半球的冰盖还没大规模发育,因此,也就无法承担主要的气候驱动。南极冰盖的重担还没让出。

在南极,我们需要考虑陆地上的冰盖和海冰。海冰的作用非常重要,它会让该区海水变咸,形成AABW。同时,海冰还覆盖住海区,密封住深层水,深水CO2不容易上返,从而更容易被封存在深海。

一般情况下,海冰在冬天扩展,夏天消融。在长时间尺度上,这种变化会相互抵消,很难产生较为高频的信号。问题是,如果不同周期的天文轨道参数刚好耦合一个条件,达到最小值,那么即使到了夏天,冬天结的冰也不会全部消融。于是,随着时间推移,海冰会越来越向外扩展,被密封的CO2越来越多,造成一个正反馈,全球气温会下降,海平面也会下降。这个故事就是M2的起因。

我们来看一下M2前后的天文轨道参数到底如何变化。40ka周期信号的幅值不是固定的,每1.2Ma一个高低循环。3.5-3.4Ma起,M2时期,刚好对应着40ka信号的最低幅值。同时,100Ka信号也达到最低幅值。二者一叠加,造成在南极洲夏天比以往变冷,冬天增加的冰没有完全消融,容易保存,促进大幅度增长。

3.3-3.15Ma之间,从M2M1,天文轨道参数脱离了最小日照量的组合模式,南极高纬地区温度开始回暖,把之前积累的冰融化了不少,因此,气候变化模式又基本回归到了M2之前的状态,但是显然和M2之前相比,还是保留了一些增量,造成其冰期时,全球温度比M2之前要低一些。

这种积累非常重要,每到M2类似的天文轨道周期组合,就会在南极增加一些冰量。等到AMOC开始大规模运转,为北极运输足够的水汽,北极冰盖也就在低温和充足水汽条件下,开始发育冰盖。一直到2.7Ma,北极大规模冰盖发育。

北极冰盖的出现,就打破了南极控制全球的平衡。北半球陆地多,南方海洋广。目前北极冰盖量要远远大于南极冰盖。

我们可以设想,在北极冰盖发育时,总有那么一段时期,南北半球冰盖发育此消彼长,尤其是在21ka的信号上,全球达到平衡,于是,我们在海洋中就很难观察到21ka的信息,于是40Ka的信息就会相对突出出来。当北半球冰盖量超过南半球,气候的天平就逐渐向北半球倾斜,于是北纬高纬度65°N的日照量就可以作为全球驱动的代表,但是不表示南半球的日照量变化不起作用。

通过上面的论述可知,我们在做天文调谐以及考虑天文轨道参数对全球影响的时候,要依据当时的具体情况而定。在一些特殊的转折期,由于提及的南北半球抵消作用,有些信息(比如21ka)就不突出。尤其是代表全球气候的海洋的d18O曲线。但是,在局部信息上,这不成立。比如,北半球的陆地信息,或者赤道附近,肯定还是会有相当清晰的21ka信息。

时间到了MPT时期,在1000-800 ka,大气pCO2下降~30matm。这些CO2被封存到了深海。此时,AMOC减弱至少20%,南大洋的生物泵活跃,有助于把空气中的CO2沉降于海底。南大洋是大西洋海底CO2逃逸到大气中的重要通道。所以,影响到南大洋上层水体性质的因素,都会对大气CO2产生影响。比如,粉尘增加铁输入,海冰的发育等等。同时,深海的分层作用,也会阻挡CO2从深海释放回大气。

MPT之前,北半球冰量还没达到最大值,还需要进一步降温,在MPT之后,才进入新一轮的稳定状态,以100ka变化为主。

MPT期间,MIS23是一个非常特殊的时期,作为一个温暖的间冰期,MIS23显然不合格,它温度回升有限,究其原因是因为此时南半球高纬的日照量是低值期,于是之前冷期积累的冰没有被融化抵消掉。于是,MIS22就得了便宜,在MIS23剩余冰盖的基础上再发育冰盖,那么南极的冰盖量就大幅度增加。这就引起了一系列的反应。

这些反应包括,AABW增强,CO2封存能力增强,全球降温。地中海溢出流增强,北大西洋盐度增加,北大西洋中层水热量增加,于是北大西洋的水汽增加,有利于北半球冰盖发育。这进一步造成全球温度进一步降低。

有了这些余量的增加,冰期和间冰期就有更多的陆冰和海冰参与进来,海平面升降最高可达120米,这也是人类开始快速发展的时期,为了适应兵器和间冰期的剧烈变化,其体能和智力都较之前几个百万年进化得快。从山顶洞人到智人,不过几十万年的时间,人类就快速地建立起这么璀璨的文明,居然聪明到可以用文字记录,用科学去分析过去发生的事情,想想都有天方夜谭的感觉。

MPT时期,海底温度变化显得就相对平稳,在冰期和间冰期尺度上有条不紊的变化着,没有出现海洋d18O的剧烈变化特征。这也说明海洋d18O是一个混合信息,受海平面升降和海底温度双重控制。

我们还需要提及一下,MPT期间会造成全球的系统变化,从空中O2CO2下降到陆地上生态系统的转变,到季风的变化,到太平洋东西向温度梯度的变化,到海洋中的酸度、营养盐分布等等。要研究的内容会非常多。你到底喜欢哪一个方向?




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