冰河期温室气体被封闭在深海的地球物理机制

                     杨学祥

张林教授最近撰文指出，根据物理学运动规律，地球所参与的几种不同周期的运动之间通过耦合会在动力学上产生一种更为缓慢的周期运动，但这个周期运动所导致的太阳辐射变化到底是不是决定了地球冰河期的周期，虽然无法肯定，但对于一个复杂的多体系统的运动，运动的复杂性还揭示出地球气候进入冰河期的过程和初始条件也有很大关系，所以地球运动轨道的变化绝对不是故事的唯一情节，地球进入冰河时代的真正原因还有来自地球自身气候系统的反馈因素。所以科学家们目前仍在梳理地球气候系统中各种环境因素是如何影响冰川的形成和消退的，最近的研究表明，大气中的温室气体的水平似乎也在起着重要作用。

图1 地球温度和二氧化碳及海平面的依赖关系

在20世纪70年代，通过对古老冰川中封闭气体的研究，科学家们发现，在冰河时期，大气中温室气体二氧化碳(CO₂)的浓度降低了约30%。这一发现促使一些理论认为，大气中二氧化碳水平的下降是冰期循环的一个关键因素。例如，德国波茨坦气候影响研究所(PIK)的科学家们发现，上一个冰河期的开始主要是由二氧化碳的减少引发的，而由于目前人类活动导致大气中二氧化碳的急剧增加（见图1中的椭圆标示），这可能会把下一个冰河期开始的时间推迟至少10万年。

但问题又来了，导致地球大气中二氧化碳变化的原因又是什么？虽然有一些数据表明，在冰河时期，更多的二氧化碳会被困在深海中，但为什么会被困在深海中依然存在争议。

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       海底藏冷效应

　　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”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。

       温室气体在海水溶解度随温度降低而升高，冷水在沉入海底时携带大量温室气体，在低温高压下形成干冰和甲烷冰。我们称之为海底封闭温室气体效应。

      地球两极临近结冰的海水（溶解高浓度的温室气体）因为密度最大而沉入两极海底，自转离心力将较重的海水推向赤道海底，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”和温室气体被安全地封存在海底。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，这个过程被称为“海底藏冷效应”和“海底封闭温室气体效应”，是全球气候变冷的主要冷源和大气中温室气体减少的主要原因。

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      海洋锅炉效应

      我们在1976年建立了地球内核相对地壳地幔快速旋转的数学模型，被当年通过地震波测量结果所证实。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。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，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，这个过程被称为“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℃，大气冷却了10-15℃，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上。

      海底藏冷效应和海洋锅炉效应受太阳活动的驱动，是太阳活动左右大冰期和小冰期的一个重要机制。海洋是能量的储库，无论是冷是热，都有一个长期的积累过程。

图2 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

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地质证据

中生代的高温与温室气体高浓度对应，与巨大火成区有很好的对应关系，证实了海洋锅炉效应。 

                    表1 天文周期与地质旋回

图3  1.5亿年以来海平面变化、全球气温变化、黑色岩、大规模生物灭绝

图4  1.2亿年以来热幔柱喷发的规模比较：规模变小与气温变冷对应

https://max.book118.com/html/2017/0629/118931094.shtm

参考文献

1．  刘妍。据称6500万年前火山喷射毒气致恐龙灭绝(图)。青岛新闻网2008-03-25 09:37:53　 新浪科技。http://news.qingdaonews.com/content/2008-03/25/content_7827942.htm

2．  任振球。全球变化。北京：科学出版社。1990。99,209

3．  杨学祥，陈殿友。火山活动与天文周期。地质论评。1999，45（增刊）：33~42

4．  杨学祥。与地球膨胀有关的数值估计。地壳形变与地震。1999，19（4）：80~85

5．  杨学祥，陈殿友，宋秀环，等。太阳系行星公转速度变化与低温灾害。长春科技大学学报。1999，29（4）：344~348

6．  杨学祥，张中信，陈殿友，等。地核能量的积累与释放。地壳形变与地震。1996，16（4）：85~92

7．  Gerlach T.M. Present-day C O₂ emissions from volcanoes.  EOS, 1991, 72(23):249,254~255

8．  曾小苹，林云芳，续春荣。地磁前兆异常在气象和地震灾害链中的应用。同24。247

9．  汤懋苍，钟大赉，李文华，等。雅鲁藏布江“大峡湾”是地球热点的证据。中国科学。D缉。1998，28（5）：463~468

10．              郭维东，柳艳香，汤懋苍。 ’98中国大洪水的地下激发因素。见：中国地球物理学会编，中国地球物理学会年刊。合肥：安徽科学技术出版社，1999。249

11．              张家诚，等。气候变迁及其原因。北京：科学出版社，1976。172~174

12．              杨学祥，陈殿友。地球差异旋转动力学。长春：吉林大学出版社，1998。44

13．              Claude J.Allegre, Stephen H.Schneider. The evolution of the Earth. Scientific American. 1994,271(4):44~51

14．              杨学祥。降水能源变化与未来地下水危机。科学。1999，51（1）：46~48

15．              汪品先，翦知湣。寻求高分辨率的古环境记录。第四纪研究。1999，（1）：1~17

16．              杨学祥。对冰期和小冰期气候变化因素的探讨。自然杂志。2000，22（6）：358~362

17．              Erwin Suess, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert, Erwin Lausch. 易燃之冰. 科学(Scientific American中文版). 2000,(2):7~12

18．              杨学祥,陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系。地壳形变与地震。2000，20（3）：39~48

19．              Coffin M F, Eldholm O. Large igneous provinces. Scientific American, 1993, 269(4):26~33

20．              Steiner J. The sequence of geological events and the dynamics of the Milk Way galaxy. Jour. Geol. Soc. Australia. 1967,14: 99~131