南极冰盖在渐新世时期出现及其原因
           杨学祥

   据物理学家组织网近日报道，一个由西班牙安达卢西亚地球科学研究所领导的国际考察小组，分析了来自南极不同深度的冰层沉淀，提出南极大陆的冰盖在渐新世（约开始 于3400万年前，终于2300万年前）时期就已出现，距今已有约3360万年久远。相关论文发表在近期《科学》杂志上。
http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201353110232790329223.shtm

   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。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^[7]。

 

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^[8-10]。

   南极海冰季节性变化幅度较大.海冰净冰面积在2月最小，为2.3×10⁶ km²，在9月最大，为15.4×10⁶ km²，最大值约是最小值的6.5倍^[11]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。日长在1月份比在7月份要长，即1月的地球自转速度比7月减慢。在南、北半球±10^o的低纬度地区，自东而西的太平洋赤道洋流在2月最大流速为51 cm/s，8月最大流速大于77 cm/s。即8月赤道洋流流速要明显地大于2月^[12]。

   南半球冬季冰冻线使非洲、澳大利亚和南美洲与南极洲的表面水流宽度分别缩小到原来的1/3、1/2和1/8。这种情况在平面地图上是难以觉察到的。南极半岛的海冰面积在2月最小，扩大了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度加快，使太平洋外循环加快，内循环减慢，减弱秘鲁寒流，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应赤道太平洋3月海水最暖，流速降低；南极半岛的海冰面积在9月最大，缩小了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度减慢，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜事件的形成，对应赤道太平洋9月最冷，流速增大，使太平洋外循环减慢，内循环加快。

   南极海冰的长期趋势变化从70年代到90年代海冰有两个突变，一次发生在1975年底1976年(厄尔尼诺年)初，海冰由偏多迅速转变为偏少，另一次发生在1988年(拉尼娜年)，是海冰由偏少缓慢转向偏多。海冰减少与厄尔尼诺有很好的对应关系^[10]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。1973年南半球冬季海冰的范围比夏季大大扩展；最小的出现在2月10日，最大的出现在7月16日^[11] (与9月出现最大值的一般情况相比是特殊的异常现象)。与其相关的是，1972年4月~1973年2月是厄尔尼诺事件时期，1973年6月~1974年4月是拉尼那事件时期。对比两者的变化趋势可以看出，南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。

 

5  结论

 

   德雷克海峡的海冰大小控制了太平洋的内循环和外循环，控制了太平洋热能的热输出。检测德雷克海峡海冰变化可发现厄尔尼诺现象发生的前兆：南太平洋外循环加快内循环减慢有利于厄尔尼诺事件的形成；外循环减慢内循环加快有利于拉尼娜事件的形成。

   厄尔尼诺事件的发生是北太平洋积累的热能向南太平洋输送的结果，潮汐南北震荡加快了南北太平洋的热能输送。

 

参考文献

1．  杨学祥. 厄尔尼诺现象的构造基础与激发因素. 西北地震学报, 2002, 24（4）：367-370

2．  J. Houghton, 全球变暖. 北京:气象出版社,1998.83.

3．  L. A. 费雷克斯. 地质时代的气候. 北京: 海洋出版社,1984. 315, 244

4．  杨学祥。地球形变产生的岩石圈、水圈和气圈等差异旋转。中国学术期刊文摘（科技快报）。2001，7（7）：902~904

5．  杨学祥。预测重大灾害的天文学方法与能量放大器。见：中国地球物理学会编，中国地球物理学会年刊2001。昆明：云南科技出版社。327

6．  中国气象局国家气候中心。’98中国大洪水与气候异常. 北京: 气象出版社, 1998. 92~101

7．  Frakes, L. A., 1979. Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam—Oxford—New York, pp. 182, 192, 200, 223, 315.

8．  杨学祥. 大气、海洋与固体地球的能量交换. 世界地质, 2004, 23(1): 28-34

9．  杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008 Vol. 23 (6): 1813～1818

10． 杨学祥.  地球流体的差异旋转与气候变化. 自然杂志. 2002, 24（2）: 87－91

11．  周秀骥, 陆龙骅, 卞林根, 等. 南极与全球气候环境相互作用和影响的研究. 北京: 气象出版社,1996. 1~5, 43~50, 74~85, 132~139, 370~392.

12． 任振球。全球变化，北京：科学出版社，1990。24~27，64，72-74，106~109，133~134

13.    杨冬红，杨学祥。澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关。地球物理学进展。2007，22（5）：1680-1685。

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南极冰盖在渐新世时期就已出现
 
作者：Alexander J. P. Houben 来源：《科学》 发布时间：2013-5-31 10:23:27选择字号：小 中 大  
 
 
   据物理学家组织网近日报道，一个由西班牙安达卢西亚地球科学研究所领导的国际考察小组，分析了来自南极不同深度的冰层沉淀，提出南极大陆的冰盖在渐新世（约开始 于3400万年前，终于2300万年前）时期就已出现，距今已有约3360万年久远。相关论文发表在近期《科学》杂志上。
 
   环南极区南大洋周边有着独特的海冰形成和浮游生物系统，对研究全球海洋食物网和碳循环是极为重要的区域。然而，人们对支持这种独特生态系统形成的机制及其发展的历史时间还知之甚少。
 
   该研究属于“综合大洋钻探计划”的一部分。科考小组获得了保存在南极深处沉积岩层内的古代气候历史记录。他们以海洋腰鞭毛虫包囊化石记录为基础，重建了南大洋浮游生物系统的发展过程，以及渐新世时期最早最主要的南极封冻。
 
   在冰层覆盖南极之前，地球是个有着热带气候的温暖的地方。在这一时期，浮游生物种类繁多，直到冰河期来临，使浮游生物种群减少，只留下那些能在新气候下幸存的。领导本次考察的IACT研究人员卡洛塔·埃库蒂亚解释说：“腰鞭毛虫包囊群落的化石记录反映了这些物种的大量减少并特化，这段时间发生在冰盖形成时，而冰盖的形成也标志着季节性的流冰群的形成与融化开始。”
 
   南极冰盖的出现标志着浮游生物群落的开始，这些浮游植物群今天依然在发挥作用。冰盖与流冰群有关，封冻部分消失又重现，起到了指示季节变化的作用。
 
   论文报告指出，流冰群的融化可作为南极夏天邻近的征兆，这标志着南极特有的浮游生物群体的最初生产力增加了。当冰块融化时，释放出其中积累的营养供给浮游生物利用。埃库蒂亚说：“这一现象影响着全球的第一生产力的动力运作。”
 
   由于冰层最早在南极扩展造成了腰鞭毛虫群体特化，这些物种已经经历了不断的变化和进化。前冰河期沉积物中包含的腰鞭毛虫种类十分丰富，还有着星形的外表。到了3360万年前开始结冰时，这种多样性受到了限制，它们的活动服从了新的季节性气候。研究人员说：“当物种简化自身的形式，并发现它们要被迫适应新的气候条件时，就是大的变化来了。”（来源：科技日报 常丽君）
 
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《科学》发表论文摘要（英文）
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