1815年印度尼西亚坦博拉火山爆发的影响：关注200年变冷周期

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  温室效应不是气候变化的唯一因素，温室气体的主体不是二氧化碳而是水汽。当水汽凝聚为云，就会遮蔽阳光，起到降温作用。太阳辐射量变化不足以解释气候变化的振幅，关键在于存在太阳能量积累和释放的多种效应，其中“海底藏冷效应”和“海洋锅炉效应”最为显著。太阳能在地球各圈层的不同分配也是地表气候变化的原因之一，其中“地磁层漏能效应”和“臭氧洞漏能效应”最为显著。气候变化周期是天文周期微力激发的结果，其能量来自太阳能量的长期积累。

关键词  潮汐，地震，太阳能，温室效应，水汽

doi:                       中图分类号 P                收稿日期

Abstract  The greenhouse is not only one effect of global worming and CO₂ is not the most inportant factor of greenhouse, but water vapor. When the water vapor condenses into clouds to occlude the sunlight, it will cause cooling effect. Because the energy of the sun can get together into other form of energy, we can use the solar energy to explain the natural huge change, such as “cold energy into the bottom of the ocean” and “sea become into boiler”. The other reason is that the solar energy distributes different layeres of the earth, such as leakage energy in magnetic sphere and ozonosphere. Climate change cycle is the stimulating effect of astronomical cycle micro-force, whose energy comes from long simulation of solar energy.

Keywords  tide, earthquake, solar energy, greenhouse effect, water vapor

1 引言

1816年，全球性的低温袭击了从欧洲、美洲甚至中国，据保守估计1816年北半球平均气温下降了0.4-0.7℃，被称为无夏之年。一般认为原因是处于道尔顿极小期。在此之前的蒙德极小期造成了北半球持续70年的连续低温。但是造成1816年寒冷现象的更直接原因是1815年坦博拉火山喷发，1809年也发生了火山喷发^[1-3]。在此期间还有两次火山爆发，分别发生在1812年的加勒比海地区和1814年的菲律宾。

最新研究认为，地球小冰期始于13世纪后期，这比当前地质学界普遍接受的小冰期起始时间提前了100多年。小冰期可能从1275年至1300年间就开始了，而且是突然开始降温的。当时在大约50年时间里，热带地区相继发生了4次大规模火山爆发。由于喷出的火山灰中含有大量悬浮颗粒，阻碍了太阳辐射抵达地球表面，北半球在相对很短的时期内不断遭遇“降温”，这种累积效应使北半球一下子“跌”入冰期。1430年到1450年，也发生了一轮大规模火山喷发，其中包括瓦努阿图的火山。虽然火山喷发导致的气温骤降的时间并不长，但是足以使北冰洋的冰川夏季也扩张。太阳辐射反射减少了墨西哥湾暖流，气温持续下降。火山喷发造成的短暂气温下降会导致几个世纪的寒冷时期“小冰期”的到来^{[4, 5]}。

2010年冰岛火山喷发后，火山活动对气候的影响重新引起人们的关注，伴随火山资料的增多，研究火山活动对气候的影响不仅成为可能，而且有重大的现实意义。

2 火山喷发在冰期和小冰期中的致冷作用

从15至17世纪的200余年内，世界上强震很多，其它自然灾害（如瘟疫流行）也很集中，这正是太阳黑子的蒙德极小值期。与之对应的中国华北第六地震活动期，延续了200多年，其间发生了4次8级地震，7次7级地震，其后的平静期延续了85年，未发生任何大于6级的地震^[6]。人们往往把它当作小冰期气候产生的原因。

进一步的研究表明，火山活动对小冰期有重要影响。小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后，较小的气溶胶可在数月内传播到全球，并可在平流层内持续漂浮1-3年，使太阳直接辐射减弱，造成大气降温^[7-10]。

一般研究认为1450-1890年是小冰期的时限，在此期间有三次冷期和两次暖期。中国的冷期发生在1450-1510年、1560-1690年和1790-1890年（国外资料为1450-1550年、1640-1720年和1790-1830年）。其中第二次冷期表现最甚；暖期发生在1510-1560年和1690-1790年。太阳活动和火山活动是小冰期气候变化的主要因素，下一个太阳黑子延长极小期可能到来^[7-13]。

曲维政等人根据六百多年全球VEI 5级以上火山活动资料分析和谱分析以及与北半球地面气温、西太平洋高压SLP、北大西洋高压SLP和北大西洋西风漂流区SSTA对比分析得知：全球强火山活动存在显著的88年左右和100年左右世纪尺度周期循环，还存在33年左右年代际尺度周期循环以及与太阳活动相联系的准11年周期；夏季七月西太平洋副热带高压SLP存在与火山活动基本一致的准33年周期波动，这可能是对于火山活动准33年周期的响应；在北大西洋,火山活动激发了夏季北大西洋副高88年周期波动、冬季1月北大西洋西风漂流区SSTA 100年周期振荡和夏季7月SSTA 88年周期振荡；北半球地面温度88年周期波动可能是对火山活动88年周期的响应^[15]。研究表明，火山活动是地球气候异常变化十分重要的影响因子，特别是WEI5级以上的强火山活动，其影响是全球性的^[15-18]。

3 太阳黑子周期活动规律性影响地球气候

太阳黑子周期活动规律性影响地球气候。在太阳黑子非活跃时期，北美和欧洲部分地区常遭遇极端天气。在2008年至2010年，太阳黑子处于活动谷年。同一时期，美国与欧洲部分地区遭遇严冬。复杂计算机模型模拟到长期气候状况，证实在太阳黑子活动谷年，异常冷空气在赤道大气上空形成，造成大气热量重新分配和大气环流变化，令欧洲北部和美国遭遇异常低温和暴风雪，加拿大和地中海地区气候则变得更为温和。进入活动峰年，情况相反^[19]。

表1  太阳黑子延长极小期、冷气候和坏天时代的对应关系

    Table 1 Sunspot prolonged minimum period, cold temperature and Bad Climatic Condition

事件     时间        时间      时间       时间      时间     时间（年）

变暖年   960-1000  1150-1250  1360-1480  1520-1600  1720-1790  1880-

好天时代 965-1010  1110-1165  1360-1420  1525-1600  1725-1790  1915-

变冷年  1000-1150  1250-1360  1480-1520  1600-1720  1790-1880 

坏天时代 1010-1110  1165-1360  1420-1525  1600-1725  1790-1915

极小期  1040-1080  1280-1350  1450-1550  1640-1720  1790-1830 

汤懋苍等人指出，依据太阳黑子周期长度(SCL)资料，将过去2500年分为"好天时代"(SCL＜11年)和"坏天时代"(SCL＞11年)，发现在"坏天时代"中国旱灾频率显著高于"好天时代"。"好(坏)天世纪"与气候暖(冷)期有好的对应；并提出了太阳活动影响气候的过程链。他们在1470-1975年划出100个“旱年”，其中74个出现在坏天时代，只有26个出现在好天时代，坏天时代的旱年频数比好天时代几乎要多2倍。太阳黑子延长极小期、冷气候和SCL 长(即坏天时代)的对应关系见表1^[21]。这表明，SCL长，太阳活动弱，全球气温降低，太阳黑子延长极小期和SCL长（坏天时代）一一对应。

好天时代已经结束，坏天时代正在到来。本次太阳活动周期从1997年到2008年末，历经12年，按照汤懋苍等人的定义，为“坏天时代”，与全球灾害频发相对应。汤懋苍等人的工作提供了太阳黑子周期的长度变化影响地球气温变化的新证据。

最近的研究表明，不仅太阳活动具有11年周期，潮汐具有11年和1800年的周期波动，气候变冷周期与潮汐变化周期相一致^{[22, 23]}。火山喷发11、33、88年周期是太阳活动和潮汐变化11年周期叠加的结果，潮汐激发地震火山活动得到越来越多研究的证明，而深海巨震也能导致气候变冷^[24-31]。

综合上述资料可以得到表2，这表明太阳黑子延长极小期、太阳活动周期超长时期（坏天时代）、火山喷发高潮期、强潮汐与低温期有很好的对应关系。衡量太阳活动强度有两个尺度，其一是太阳黑子数，其二是周期长度，与太阳黑子延长极小期相比较、太阳活动周期超长时期（坏天时代）与火山活动和气候变冷有更好的一致性（见表2）。

表2  太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期的对应关系

Table 2 The relation of solar activity, volcanic eruption, tides and lower temprature

注：数据来自文献[1-5，8-23]。

从2003年开始，天文学家就一再预测到太阳活动变弱的趋势，一个类似道尔顿极小期的太阳活动低值正在到来，长度可能更长^[9-12]。太阳活动周期变长是太阳活动减弱的一个明显的标志。2011年美国科研人员预测，太阳将进入不寻常且时间较长的“超级安静模式”，大约从2020年开始，太阳黑子活动或许会消失几年甚至几十年。这些科研人员在美国天文学会太阳物理学分会年会上发表3份研究报告说，人们熟悉的太阳黑子活动或许将进入“冬眠”，这种情况自17世纪以来从未出现^[38]。

4 强潮汐对气候的影响

根据潮汐变化1800年周期，小冰期时期对应潮汐强度高峰，而目前潮汐强度低谷对应全球变暖，并将持续到24世纪，直到3107年潮汐达到新的高峰，引发新一轮小冰期^[22]。潮汐还有200年和60年周期，对应太阳黑子超长极小期和太平洋十年涛动，目前200年周期和60年周期都处于变冷初期阶段，所以，此次变冷规模要小于道尔顿极小期^[23]。

超级火山与冰期也有很好的对应关系，初步结果将表3。

表3  超级火山和冰期的对应关系

注：kaB.P为千年前，A.D为公元。冰期取自文献[39]，超级火山数据取自百科。*为网上数据。

4 小冰期、冰期和火山喷发对应的地球物理机制

小冰期、冰期和火山喷发有非常好的对应关系，其形成机制可以用冰川地壳均衡理论来解释：气候变冷使200米厚的海水层变为两极冰盖，破坏了原来的地壳均衡，导致两极冰盖加载下沉，赤道海洋地壳卸载上升的均衡运动，引发强烈的地震火山活动，而火山喷发有导致气候变冷。

由图1中可以看到，相同的圆心角在不同半径的球面所对应的弧长是不同的，由于海水增加，海洋地壳A’B’弧下降到AB弧时，圆心角变大，只能发生两种结果^[23]：

其一、大洋地壳A’B’弧的多余部分插入大陆地壳之下，形成俯冲消减带，是地震频发的地区，其类型为环太平洋俯冲消减带和地震火山带。

其二、大洋地壳A’B’弧的多余部分象楔一样劈开大陆，推动大陆向两边分离，由AB弧扩张到AE弧，其类型为大西洋两岸的快速扩张。

其三、反之，当海洋地壳AB弧上升到A’B’弧时，由于弧长增大，其增大部分BE弧就是海底扩张产生的新洋壳。

当全球变暖使海平面上升积累到一定高度时，地壳均衡使洋壳下降收缩，强烈的挤压导致环太平洋地震火山带8.5级以上强震频发，形成拉马德雷冷位相；当全球变冷两极冰盖增大使海平面下降到一定高度时，地壳均衡使洋壳上升在大洋中脊处扩张，这是强震在PDO暖位相较少，甚至不发生的原因。

              a 大洋海水减少                            b 大洋海水增加

1-新洋壳，计算时因忽略了与陆壳连接部分，因而计算值比实际值小；

2-旧洋壳，插入大陆壳下或推动大陆分离部分。

图 1  海平面变化造成的垂直运动和水平运动（据杨学祥，1988）应为角标形式

Fig. 1  vertical and horizontal movement by the changes of sea level

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http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-972218.html

相关资料

    无夏之年

    无夏之年（英语：Year Without a Summer）指1816年，因为受1815年印度尼西亚坦博拉火山爆发的影响，北半球天气出现的严重反常。欧洲、北美洲及亚洲都出现灾情，夏天出现罕见低温；欧洲及美洲农业生产受影响尤甚；亚洲气候亦受影响，中国云南因而出现饥荒。另有同名小说。

起因

现在一般相信1816年的反常气温是由于之前一年，即1815年，4月15日荷属东印度（今印尼）森巴瓦岛（Sumbawa）上坦博拉火山（Mount Tambora）爆发。坦博拉火山的爆发是人类历史上最大规模的火山爆发之一，威力为火山爆发指数的7级，所喷出的火山灰总体积多达150立方公里，而且抵达高至44公里之平流层。远至英国伦敦亦可见因火山灰而出现的日落彩霞。

除此以外，在1812年及1814年亦分别有较小规模的火山在加勒比海及菲律宾爆发，在大气中积聚相当的火山灰。加上坦博拉火山喷出到高空中的二氧化硫，引致全球温度在之后一两年下降大约摄氏0.4至0.7度。1816年是自1400年以后，北半球最寒冷的一年。

    美洲

    美国东北及加拿大所受影响最为严重。美国东北部晚春及初夏温度通常相当稳定，平均20°C至25°C，甚少低于5°C。1816年5月，美国东北出现霜冻，大部份农作物被冻死。6月，加拿大及美国新英格兰出现两次大风雪，魁北克积雪余尺，广泛地方有人冻死。到了7月及8月，南至宾夕法尼亚州仍可见河水结冰。部份地方温度时而高达超越35°C，然后又突然数小时内下降至接近0°C。新英格兰农作物大量失收，各种谷物价格急升，例如燕麦价格由1815年的每桶12美分瀑涨至92美分。

    欧洲

    欧洲大陆刚刚在1815年结束对拿破仑的战争。突然期来的天气反常引致广泛粮食短缺，各地都有抢夺粮食的情况，瑞士情况尤为严重。在英国，大量家畜在1816年冬天死亡，威尔士、爱尔兰等地农作物失收，出现普遍饥荒。欧洲多条主要河流在夏天泛滥，德国等地在8月出现霜冻。据估计欧洲约有20万人死于这次天气反常。在1816至1819在东南欧洲及地中海出现的伤寒疫症，亦怀疑与温度改变有关。

    1816年7月，年方十九的玛丽·雪莱前往拜伦在瑞士的别墅度假，却遭遇到了连日降雨和反常低温，迫使众人待在室内。为了排遣时间，拜伦决定举行一场比赛，让大家写出最恐怖的故事。结果玛丽·雪莱写出了名著《科学怪人》，而拜伦的私人医生约翰·波里多利则写出了现代吸血鬼小说的开山之作《吸血鬼》。

     亚洲

    在中国，云南全省出现严重饥荒。在1816年（嘉庆二十一年）夏天，农历八月时“天气忽然寒如冬”。昆明及滇西等地连续三年冬天降雪。在东北黑龙江，双城在农历七月出现严重霜冻，作物失收，垦丁逃亡。安徽、江西等地亦有农历六、七月出现降雪的纪录。台湾新竹、苗栗等地都在1816年冬天纪录到罕有的霜冻，新竹“十二月雨雪，冰坚寸余”。

https://baike.sogou.com/v522688.htm?fromTitle=%E6%97%A0%E5%A4%8F%E4%B9%8B%E5%B9%B4