温室效应能否使南极大陆冰盖完全融化?

                           杨学祥，杨冬红（吉林大学）

陆海分布是全球气候变化的第一要素

根据地质和气象等综合数据，表6给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律。根据莱伊尔的地质学原理，大陆分散在赤道，直射的阳光时期成为火炉，形成极热气候；大陆集中在两极，成为冰雪的策源地，形成极冷气候（见表1）。

表1  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转

Table 1  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse

南极大陆冰盖是如何形成的？

中生代时期，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极其巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。在南、北两半球，一个单的环流系统作用范围至少达到纬度55度，以致宽阔的、深而缓慢的赤道流在穿过低纬度大于180度弧的旅途中被大大加热。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：①德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；②由于澳大利亚—新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；③特提斯海关闭，不能使赤道环流通过。

Van Andel等人（1975）在分析了太平洋所有不整合之后提出，德雷克通道的打通可能形成了环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水。对第三纪早期普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，因而限制了大西洋与太平洋之间赤道水体的交换。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失，是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。

图1. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

                Fig.1 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退控制气候变化的一个可能模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷，加强沃克环流及增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海水减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，使部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，造成秘鲁海流变弱和东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流；结果使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，称之为南极环大陆海冰的气候开关效应（图1）。

当南极洲的温度变冷时，存在很多海冰的德雷克通道处于封闭状态，阻塞环南极大陆的海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，从而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存很少海冰的德雷克通道处于开放状态，打通环南极大陆海流，减慢南太平洋环流，并从向极方向隔离南极洲热输送，因而使南极洲变冷。如图1所示，非洲海冰开关I，澳大利亚海冰开关II和德雷克海峡开关III控制了环南极大陆海流，并从向极方向隔离或连接向南极洲的热输送，因而增加或减少在非洲、澳大利亚和南美洲西部的海洋寒流流量。因此，南太平洋海温的增加和减少在环南极三个“海冰开关”的控制下不断交替发生，与南太平洋环流速度减慢与增加相对应。

南极大陆冰盖消失的先决条件是徳雷克海峡完全闭合，这样大型的构造运动需要几百万年的时间来完成，这就是说，第四纪大冰期不会在短期内结束。担心南极冰盖完全融化，不过是杞人忧天。历史数据表明，在冰期和间冰期的转换过程中，南极冰盖的变化量是很少的。

末次冰期海面比现在低100米

末次冰期是于第四纪的更新世内发生的最近一次冰河时期。末次冰期约于11万年前开始，于前9600-9700年完结。于这段期间，曾出现几次冰川的前进及消退，最盛期发生于约1.8万年前。

二十五年前美国环保局专家Titus指出：“冰期中全球温度比现在低3~5^oC，海面比现在低100m。末次间冰期较今高1~2^oC，海面高5~7m。而下一个世纪本行星可能要变暖5^oC，比最近200万年来的任何时候都要温暖，海平面上升问题的严重性不容忽视。

我们在1992年指出，冰川在地表的分布是不均匀的。对古冰盖体积的估算一般是通过地质和地貌的调查，从古冰盖分布面积推算体积，推算的方法参照现代冰川形态方面的经验公式及其相关的分析方法。表2中可以算的，北半球冰盖在间冰期融化的总和为44.68×10⁶km³，而南半球的总体积不大于6.1×10⁶km³。换句话来说，冰期的冰盖扩大主要集中在北半球，北半球占88%，南半球仅占12%。

表2 冰期（G）与现代（T）大陆冰总量对比(根据R.F.Flint,1971)

从表2中可以看到，南极冰川在末次冰期后的冰川融化中，对海平面上升的贡献仅为7米。这为全球变暖导致的南极冰盖融化提供了变化上限。如果南极冰川全部融化，海平面将上升59米。相关的地质条件是徳雷克海峡完全闭合。

据中国气象爱好者报道，全球变暖正深度威胁南极？美国专家的回答是：南极1月海冰为史上第二小！但是，和北极不同，南极洲的海冰情况似乎与全球变暖的关系更为复杂——南极海冰的变化与全球温度增长之间并非是线性关联的，因此不能把南极海冰严重单纯偏低甩锅给全球变暖。科学家们预计，今年的南极海冰的最低下限应该是在2月下旬，类似于北极涡旋的南极洲上空的南极涡旋已经正在处于激活状态，这将有利于大陆周围的西风运转并保持和冰盖上的严寒环境，在东南极洲，其气温已经比1981年至2010年的平均值低2至6摄氏度。

http://www.yidianzixun.com/article/0LKR0uKU

这就是说，在南极海冰面积最小值时期，徳雷克海峡通道没有海冰的阻挡，环绕南极大陆的西风漂流带隔断了南半球中低纬地区向南极大陆的热输送，导致南极大陆降温。

对第四纪大冰期的合理解释

在中生代温暖期，大陆分散在赤道附近，形成极热气候。而后大陆向北半球集中，南极大陆进入南极圈，德雷克通道的打通形成了环极流，隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水。伴随南极冰盖的形成，南极成为全球最冷的地区，冷水下沉，将大气中的温室气体贮存在深海，使大气中的温室气体浓度逐渐降低，减弱温室效应，形成第四纪大冰期。我们称之为海底藏冷效应。

图2  海底藏冷效应和海洋锅炉效应

Crowley认为，如果人类将已探明的化石燃料全部消耗，那是大气中的CO₂含量将是工业化前的67倍，这与白垩纪时期大气中的CO₂含量水平相当。

据网上资料，二氧化碳浓度有逐年增加的趋势，50年代其质量分数年平均值约315×10^-6，70年代初已增加至325×10^-6，目前已超过345×10^-6，平均每年增加1.0~1.2×10^-6，或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果，在工业革命以前的二氧化碳质量分数为275×10^-6。白垩纪时期大气中的CO₂含量为18425×10^-6。这么多的温室气体从何而来

http://tech.qq.com/a/20131102/002746.htm 

科学家的发现进一步证实，全球表面升温的暂停或许是由于空气中的大量热量被深海所吸收。这项研究通过微型海洋生物贝壳的化学组成间接获得了温度信息，这些海洋生物从太平洋的深处冲刷到了海底沉积物中。这些微生物展现了在1500英尺（457米）到3000英尺（914米）深度之间，太平洋在数千年时间里的长期冷却渐变过程，直到公元1100年的中世纪暖期开始，温度才开始有所上升。而随后在17到18世纪的小冰河时期，温度再一次下降。

杨学祥和杨冬红分别在1997-2011年提出了“海底藏冷相应”、“海洋锅炉效应”、“拉马德雷冷位相灾害链”、200年和准60年“潮汐降温效应”。

我们在2006年提出，气候潮汐循环说和海震调温说，阐明了冷气候、强潮汐和强震相互对应的物理机制，对2000年地球进入拉马德雷冷位相后的气候预测有重大科学意义。中国连续18年暖冬的终结是2000年地球进入拉马德雷冷位相和印尼发生地震海啸的合理结果。规律表明，在拉马德雷冷位相时期，全球强震、低温、飓风伴随拉尼那、全球性流感伴随厄尔尼诺将越来越强烈。在20世纪50-70年代，强沙尘暴与流感爆发一一对应，沙尘暴可能传播禽流感。

海底温度测量表明，海底冷水层的温度为摄氏2度，表层海水水温为27.5度左右，温差为25.5度，为强潮汐调温效应和海震调温效应提供必要的条件。历史资料显示，在全球温暖的白垩纪，海洋底层温度为15度，表层温度为21度，温差为6度。这是强潮汐调温效果在白垩纪显著降低的原因。而在第四纪冰期到来之前，海洋底层水温度逐渐降低到0度，增大的温差为强潮汐和海洋巨震的调温作用准备了条件。超低海底冷水被强潮汐和海洋巨震翻到海洋表面，使大气迅速变冷，导致冰期的到来。

赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者。

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。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。

我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”和冷水中大量温室气体由此而进入海洋。

冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程（见图2）。

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。

超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，释放出深海中溶解的温室气体，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，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。

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。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度，喷发过程经历了几百万年时间。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4度以上。海底火山活动引发的深海热对流和温室气体排放在全球气候变化中的作用不容忽视（见图2）。

http://guancha.gmw.cn/content/2007-12/25/content_715516_2.htm

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-736985.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-521283.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-750399.html

海洋冷循环是以冷源为动力的海洋循环，例如海洋藏冷效应；海洋热循环是以热源为动力的海洋循环，例如海洋锅炉效应。

表3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海洋升温、温室气体排放和大量生物灭绝。

表3  地球自转周期与地质旋回

Table 3  Earth’s rotation periods and geological cycles

两极冰盖压裂地壳开启海洋锅炉效应

气候变化导致的冰川期与温暖期交替，形成地表巨量海水在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流动，推动地壳运动，达到地壳重力均衡。在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动，而且能产生地壳水平运动。

图3  两极冰盖压裂地球地壳

由图3中可以看到，两极生成的巨厚冰盖可以压裂地壳，形成两极地壳下沉和赤道地区的最大张裂；冰盖消失后，形成两极地壳的上升和赤道地区的挤压。

强震与全球气候变化关系的地球物理解释是：全球变暖导致的海平面上升，破坏了地壳的重力均衡，引起加载的海洋地壳均衡下沉，由此而引发的深海强震和海啸又将迫使深海冷水上翻到海洋表面，从而将会引发全球变冷。这就是大自然的自调节作用。

              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 4  海平面变化造成的垂直运动和水平运动^[13]

Fig. 4  vertical and horizontal movement by the changes of sea level ^[13]

由图4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（见图b）^[13]：

其一、大洋地壳AB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AB弧的多余部分象楔子一样劈开大陆，推动大陆向两边分离，对应的圆心角增大，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（见图a），由于弧长增大，其增大部分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带Ms 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。圆心角越大，新洋壳就越大，这是地震带集中在环太平洋沿海地区的原因。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-894292.html

海洋锅炉效应造就中生代温暖期

图5  全球巨大火成岩省

已有的研究表明，陆地和海洋含碳量远高于大气，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。白垩纪大气碳含量是目前的8~10倍，末次冰期高峰时大气CO₂和CH₄含量分别比现在减少30~40 %和50 %。构造运动释气和海洋增温排气是主要原因。

图6  巨大火成岩省和全球变暖

图7  巨大火成岩省的规模比例

火山活动是大气温室气体的主要来源。据Gerlach的估算，全球陆相火山以宁静方式放出CO₂的速率为每年792 百万吨，而陆相火山喷发出的CO₂的速率仅为每年66 百万吨。前者是后者的12倍多。宁静方式火山放气没有明显的火山灰，其增温效果显著。据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果表明，巨大火成岩省所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球气温和大气CO₂高浓度相对应（图5-7）。

120 Ma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1.45×10²⁴ g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃。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4℃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15~20 Ma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16.4~15.7 Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600 ppm的大气CO₂浓度。15~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的重要原因之一（图5-7）。

1000 km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹² kg的硫和3×10¹⁰ kg的卤素。一个巨大火成岩省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。120 Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶ km³，15~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶ km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应。

结论

历史资料显示，在全球温暖的白垩纪，海洋底层温度为15度，表层温度为21度，温差为6度。这是强潮汐调温效果在白垩纪显著降低的原因。而在第四纪冰期到来之前，海洋底层水温度逐渐降低到0度，贮存大量温室气体，增大的温差和温室气体储备为强潮汐和海洋巨震的调温作用准备了条件。超低海底冷水被强潮汐和海洋巨震翻到海洋表面，使大气迅速变冷，导致冰期的到来。

全球气候变化与构造活动密切相关，大气温室气体的变化也是构造活动的必然结果，与自然界自身排放的温室气体相比，人为排放的温室气体的数量相形见绌，且不断被海洋所吸收和构造运动所掩埋。目前，人类只是消耗了大陆埋藏的化石燃料，海底蕴藏的甲烷和可燃冰数量更大，海洋底层增温排气的风险性更大，更值得人类共同关注。

海洋底层温度变化是全球气候变化的准确晴雨表。

关注海洋底层温度变化，世界末日和气候恐慌都是杞人忧天。人类无法抗拒自然力量，而类似中生代的全球变暖离我们还相当遥远。

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