南极冰盖形成与二氧化碳浓度变化有关：因果关系未定

                               杨学祥

温室气体浓度和气候变化谁因谁果是一个长期争论的科学难题，简单的对应关系尚需理论推理和实验检验的支持。

2009年９月，一个国际科研小组发表最新研究报告说，对非洲化石的分析表明，在约３３５０万年前南极冰盖开始形成时，地球大气中二氧化碳的浓度处于一个明显的下降期。这是首次有直接证据证实南极冰盖形成与二氧化碳浓度有关。该研究小组在东非的坦桑尼亚首次找到了与南极冰盖形成时间相对应的化石。分析显示，约３４００万年前，地球大气中二氧化碳浓度开始下降，当这一浓度在约３３５０万年前下降到７６０ｐｐｍ（１ｐｐｍ为百万分之一）左右的临界点时，南极冰盖开始大面积形成。这项研究由英国加的夫大学和布里斯托尔大学的研究人员及其美国同行完成，研究报告发表在英国《自然》杂志上。

http://news.xinhuanet.com/world/2009-09/16/content_12060094.htm

　　据美国媒体报道，按照每小时测量的大气二氧化碳浓度值日前已超过400ppm（1ppm为百万分之一），但日均浓度尚低于这一数值。不过，最近一周的周平均浓度值已达到399．72ppm。部分美国研究人员认为，北半球许多地方的日均二氧化碳浓度将于5月初超过400ppm这一关口。

http://world.people.com.cn/n/2013/0501/c157278-21333505.html

７６０ｐｐｍ（１ｐｐｍ为百万分之一）左右是南极冰盖开始大面积形成的临界点。全球无冰气候离我们还很遥远。

这项研究由英国加的夫大学和布里斯托尔大学的研究人员及其美国同行完成的研究报告得出了南极冰盖形成与二氧化碳浓度有关，但因果关系并未确定，温室效应的证据尚未出现，约３４００万年前地球大气中二氧化碳浓度开始下降的原因并不清楚。

与此相反，构造变化导致气候变冷，气候变冷导致南极冰盖形成、海水变冷吸收二氧化碳导致大气中二氧化碳浓度开始下降，这一理论推理有确切的地质证据支持。

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^[1-4]。

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^[6]。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^[2-4]。

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^[1-3,7]。

图2 南太平洋海冰增加与气候变冷对应

参考文献

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

2．杨学祥。太平洋环流速度减慢的原因[J]。世界地质，2003，22（4）：380-384。

3．杨学祥。厄尔尼诺事件产生的原因与验证[J]。自然杂志，2004，26（3）：151－155。

4．Van Andel T H, Heath G R, Moore T C. Cenozoic history and paleooceanography of the central equatorial Pacific Ocean[J]. Geol. Soc. Am.,Mem., 1975, 143: 134

5．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。

相关报道：

研究证实南极冰盖形成与历史上二氧化碳浓度变化有关

2009年09月16日 08:54:30 　来源：新华网

   新华网伦敦９月１５日电（记者黄堃）一个国际科研小组发表最新研究报告说，对非洲化石的分析表明，在约３３５０万年前南极冰盖开始形成时，地球大气中二氧化碳的浓度处于一个明显的下降期。这是首次有直接证据证实南极冰盖形成与二氧化碳浓度及其温室效应有关。

   这项研究由英国加的夫大学和布里斯托尔大学的研究人员及其美国同行完成，研究报告发表在英国《自然》杂志上。

   该研究小组在东非的坦桑尼亚首次找到了与南极冰盖形成时间相对应的化石。分析显示，约３４００万年前，地球大气中二氧化碳浓度开始下降，当这一浓度在约３３５０万年前下降到７６０ｐｐｍ（１ｐｐｍ为百万分之一）左右的临界点时，南极冰盖开始大面积形成。

   太阳光照射到地面后会反射长波辐射，大气中二氧化碳等气体会吸收长波辐射，随着这些气体浓度的增加，会形成包裹地球的“温室”，使气温上升，这就是所谓的“温室效应”。

   布里斯托尔大学在新闻公报中说，这是首次有直接证据显示南极冰盖形成与大气中二氧化碳浓度的变化有关，它确认了二氧化碳及其温室效应与全球气候变化之间的关系，将为今年１２月在丹麦首都哥本哈根召开的联合国气候变化大会提供新的参考数据。

   研究人员说，约３４００万年前开始的那次全球变冷，是恐龙灭绝之后地球经历的最大一次气候变化，南极冰盖在这个变冷期中形成，其面积虽然在后来一些变暖期中有所变化，但冰盖一直保留到现在。

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美科研人员：大气二氧化碳浓度将达三百万年来最高纪录

2013年05月01日11:09    来源：新华网    

　　新华网洛杉矶4月30日电（记者郭爽）根据美国夏威夷冒纳罗亚天文台测定的数值，部分美国科研人员认为，大气的二氧化碳浓度日均值将于今年5月初超过400ppm，这将是人类历史上二氧化碳浓度首次突破这一关口，上一次超过这一数值至少在300万年前。这一现象引起某些研究机构的担忧。

　　据美国媒体报道，按照每小时测量的大气二氧化碳浓度值日前已超过400ppm（1ppm为百万分之一），但日均浓度尚低于这一数值。不过，最近一周的周平均浓度值已达到399．72ppm。部分美国研究人员认为，北半球许多地方的日均二氧化碳浓度将于5月初超过400ppm这一关口。

　　科研人员认为，尽管大气二氧化碳浓度超过400ppm并不是标志气候灾难的临界点，但这是地球变暖过程中的“一个具有非常重要象征意义的事件”。

　　科学界之所以了解数百万年来地球大气的成分及其浓度，要归功于南极冰芯。在史前南极降雪凝结成冰的过程中，会有气体被包裹在冰内成为气泡。通过钻取冰芯、提取冰芯气泡中的气体，便可检测其成分和浓度。

　　依据这样获得的相关数据，美国斯克里普斯海洋研究所近日发表文章说，地球历史上二氧化碳浓度最近一次超过400ppm大概是在距今500万年到300万年之间的上新世时期。当时大气中二氧化碳浓度约为415ppm，全球平均气温比现在高3至4摄氏度，极地地区气温比现在高约10摄氏度，海平面比目前至少高出约5米。

　　夏威夷冒纳罗亚天文台自1958年开始持续监测大气中每小时的二氧化碳浓度，其最初测定的该数值是317ppm。科研人员指出，在工业革命前的人类历史上，地球大气的二氧化碳浓度从未超过300ppm。

　　美国国家海洋和大气管理局的地球系统研究实验室，负责运作冒纳罗亚天文台以及全球多个温室气体监测站。该实验室负责人吉姆·巴特勒表示，如今人类已经看到大气二氧化碳浓度增加的影响，比如强风暴、干旱、海平面上升等，但人类为解决相关问题而付出的实际行动却很有限。

(来源:新华网)

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