温室效应和全球变暖：孰先孰后？

                          杨学祥，杨冬红（吉林大学）

地球的历史是冰期和间冰期交替发生的历史，其中大冰期和温暖期的转换周期为2.5亿年；冰期和间冰期的交替周期为10万年、四万年和2万年。温室效应无法解释周期转换的规律性，因此它不是气候变化即冷暖转换的唯一因素。

大冰期和温暖期的转换周期取决于陆海分布类型和构造活动

我们在2013年撰文指出，根据莱伊尔的地质学原理，大陆分散在赤道成为火炉，可形成极热气候，大陆集中在两极成为冰雪策源地，可形成极冷气候。因此，全球气候变化与构造运动和地震火山活动相关。

事实上，石炭-二叠纪大陆集中在南半球南极附近，形成石炭-二叠纪大褶皱和大冰期，第四纪大陆集中在北半球北极附近，形成第三纪大褶皱和第四纪大冰期（见表1）。火山活动和热幔柱喷发出热量和温室气体，与温暖期对应。

表1  天文周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 11, 13, 24]}

Table 41Astronomical periods，geological cycles and geomagnetic polarity reverse^{[1, 11, 13, 24]}

超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10~15℃。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。表2给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝。我们称这一过程为海洋锅炉效应（见图1）。

表2  地球自转周期与地质旋回

Table 2  Earth’s rotation periods and geological cycles

图1 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[42]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见表2）。

1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

冰期和间冰期的交替周期取决于地球轨道天文变化周期

20世纪最大的科学成就就是确认了米兰科维奇的天文冰期理论：全球气候和冰期间冰期转换具有2、4、10万年的地球轨道周期，分别为近日点进动周期、黄赤交角周期和地球轨道偏心率变化周期^[10]。

金星有浓密的以CO₂为主的大气层，其表面高温被认为是温室效应的证据，实际上，更主要的原因是轨道偏心率。我们发现，水星、火星、地球、金星的轨道偏心率分别为0.206、0.093、0.017、0.007，大气浓度分别为极其稀薄、稀薄、标准、浓密。两者成反比的原因是，较大的轨道偏心率使行星在接近太阳时像彗星一样丢失一部分大气。地球轨道偏心率在冰期时增大为0.0607，使大气浓度和二氧化碳浓度变低，降低了对地球表面的保温作用，导致10万年周期致冷作用的增强。由于地球轨道偏心率10万年周期项振幅不到近日点进动2万年周期项振幅的一半，其引起10万年冰期周期的作用受到质疑。大气浓度变化、地壳均衡运动和强潮汐变化三种作用能增强10万年周期作用，给出10万年冰期周期的合理解释。

温室效应是全球变暖的加速器：海洋是温室气体的最大储库

地球轨道周期的变化只能影响地球接收太阳能量的多少，不会直接影响大气中温室气体的浓度。海底火山喷发，首先加热海水，其中火山喷发物中的温室气体被海洋吸收，然后才是升温后的海水释放出温室气体，导致大气和海洋变暖加速。即先是海洋变暖，然后是温室效应。

海洋是温室气体的最大储库。火山喷发时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是导致全球变暖的火山喷发有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是海底火山喷发无可替代的致暖作用。海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma），对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。

海洋是CO₂的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃ 升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源，对应于当时海洋底层水高于现在15℃，大气高于现在10-15℃。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的，因此，这一重要作用值得深入研究。

海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。我们称这个过程为海底藏冷效应（见图1）。只有海底火山喷发才能阻止海底藏冷效应。

有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。目前海洋底层温度为摄氏2度，它为大气提供了充足的冷源。在第四纪大冰期到来的时候，海洋底层温度为摄氏0度。

有报道称海洋温度正在升高，其释发出的温室气体（二氧化碳和甲烷）对全球变暖的作用不可忽视。

结论

海底火山喷发首先加热海水，温室气体被海洋吸收；然后是海洋增温，释放温室气体加速全球变暖。这一过程同样能解释由微小冷暖因素变化引起的大规模气候震荡：先是小规模增暖或变冷，然后是海洋的应急反应，即释放或吸收温室气体，加大气候震荡的幅度。例如，太阳能量变化引发的10万年、4万年、2万年、200年冷暖周期变化，潮汐强度变化引发的1800年小冰期和气候适宜期交替。

更大的威胁是：海洋升温释放的温室气体将加速全球变暖，形成恶性循环。

有报道称，人类活动已经深刻的改变了海洋环境，海洋增温已经造成了海平面上升、溶解氧下降、极端事件加剧、珊瑚白化等后果。然而，由于海洋对温室气体响应的“滞后效应”，海洋正在加速变暖，更强的海洋增暖将发生在本世纪。即使接近或者达到《巴黎协定》目标，海洋升温及其带来的影响也将持续。若不积极应对，未来人类和地球生态系统都将面临严重的气候风险。

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该项研究恰恰忽视了海洋增温导致的海洋温室气体的排放和全球变暖进一步加剧。由于海洋增温，海洋已经由温室气体的储库，变为温室气体的释放器。

参考文献

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