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地球轨道变,气候会怎样?

2021-11-11 光明日报
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光明图片/视觉中国

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计算机模拟可以帮助科学家重建远古气候变化情况。光明图片/视觉中国

  1.在人类活动并不成为威胁的地质历史上,气候为什么也会剧烈变化?

  常言道“以史为鉴,可以知兴替”。“史”不仅仅是短暂的人类文明演化历史,更是漫长的地球自然变化史。

  经过多年的研究,科学家们发现,适合人类生存的温暖气候并不是一直存在的。约270万年前,随着北半球大陆冰盖的逐渐发育,气候系统开始经历万年尺度为周期的冷暖交替,即冰期-间冰期气候旋回。在每次的冰期旋回中,温暖湿润的气候环境仅仅持续几千年,而剩下的几万年中地球几乎一直处在一个有大陆冰盖存在的寒冷冰期。

  早在20世纪初,南斯拉夫学者米兰·柯维奇就指出,地球轨道引起的北半球夏季太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因。地球轨道变化由三个主要参数控制,即轨道偏心率、地轴倾角和岁差,其对应的周期分别为约10万年和40万年、4.1万年、2.1万年。因此,若气候变化存在与地球轨道相仿的周期信号,则米氏理论可信,这最终由J.D.Hays等人于1976年通过分析髙分辨率和长时间尺度的深海岩芯证实,为进一步探索冰期气候的演变规律指明了方向。

  在冰期-间冰期气候旋回背景下,气候系统同时经历着一系列的相对高频的气候波动。在20世纪80年代初,W.Dansgaard和H.Oeschger等人发现格陵兰岛冰芯中的氧同位素记录了末次冰期一系列千年时间尺度、冷暖快速交替的气候波动,经后续近十年的研究,于20世纪90年代最终确认了该气候波动是真实存在的气候事件,意味着气候系统的演变有着明显的非线性过程,增加了我们预测当前人为二氧化碳排放如何影响气候变化的难度。为了纪念这两位科学家的贡献,这些千年气候事件被称为Dansgaard-Oeschger(DO)事件。

  在DO事件中,北半球高纬度地区的年均气温,可在数十年内变化8-16℃。那么地球的其他地区是如何响应的呢?E.Corrick等人在2020年的一篇记录与模型融合的论文中指出,DO事件并非只是格陵兰岛的一个局地气候现象,而是一个具有全球同步性的气候事件:在北半球高纬地区发生温度突变的同时,热带季风系统(南美季风,非洲季风和亚洲季风)、南大西洋的海温等都同时做出相应的调整。

  在气候寒冷的冰期,并没有人类活动的影响,那是什么原因造成了这些剧烈的气候突变呢?W.Broecker等人在20世纪80年代就已指出,气候突变的主要原因与大西洋经向环流的变化有关——大西洋经向环流可以携带热带和南半球的热量到北半球高纬度地区,当该环流发生大幅减弱或停滞时,将导致径向的热输送大幅度下降,引起北半球高纬度的显著降温;与此同时,由于热量的堆积,南半球则逐渐升温——这一观点在随后30多年的持续研究中得到普遍认可。

  那么,是什么原因导致了大西洋经向环流发生改变?目前,科学家们主要认为是气候系统的内部变化导致的。例如有学者提出,可能与海洋环流的内部变率有关,或是由北半球的冰量或者北大西洋的海冰的消融所致;也有学者认为大气二氧化碳浓度和南半球中纬度西风带的变化也起到积极的作用。

  2.轨道偏心率、地轴倾角和岁差,是否有可能引发气候突变?

  万物生长靠太阳,地球气候变化亦是如此。当地球绕太阳运动轨道的几何形状发生变化时,地球表面所接受到的来自太阳的辐射能量也随之发生改变,进而造成地球上气候发生相应的变化,例如前文提到的冰期-间冰期气候旋回。

  早在1999年,J.McManus等人就在一篇记录方面的文章中提出了冰期放大的观点。他通过研究北大西洋沉积物中浮冰碎屑含量变化发现,过去50万年的五个冰期旋回中,每当北半球冰量超过一定临界阈值时,会出现显著的千年尺度气候突变事件。

  中国科学院青藏高原研究所的科学家领导的研究团队在2014和2017年的数值模拟工作中,从动力机制角度系统地阐述了冰期放大的原因——北半球冰盖高度变化可控制中纬度西风带的位置和强度,进而影响北大西洋湾流强度和南拉布拉多海的海冰输运,导致大西洋经向环流更易受气候扰动(例如<20ppm的大气二氧化碳变化)的影响,触发气候突变。

  根据米氏理论,冰期旋回中气候背景的变化(例如冰量)与轨道驱动的北半球夏季太阳辐射联系密切,这说明轨道变化可通过气候系统的内部反馈(例如冰量变化)调制气候突变事件的发生,即地球轨道对气候突变的间接调制。简单地说,地球轨道的改变引起了地球冰盖、特别是北半球冰盖大小的变化,其通过与其他系统(例如海洋-大气系统)的相互作用,进而影响大西洋经向环流对气候扰动的敏感性,最终导致气候突变在冰期的频发。

  前面说过,地球轨道的变化由轨道偏心率、地轴倾角和岁差三个主要参数控制。那么,哪个因素比较重要呢?

  2010年,M.Siddall等人通过研究南极冰芯温度记录发现,过去50万年冰期的千年气候变率强度与岁差周期(约2.1万年)有显著相关性,并远强于其与北大西洋融冰事件的相关性,由此他们认为,岁差变化可能调控气候突变事件的发生。2016年,西安交通大学程海等人通过对60万年来的中国石笋氧同位素记录分析,发现北半球夏季太阳辐射量的变化与千年尺度气候事件在岁差和地轴倾角周期有显著相干性。

  这些研究将这一领域纵深推进,但对于有着万年以上变化周期的地球轨道变化,是否无须通过改变地球内部环境就可直接触发千年时间尺度的大西洋环流的骤变?

  科学家们对这一问题仍不清楚。造成这一局面的主要原因是,太阳辐射驱动的地球内部气候背景变化与千年尺度气候事件一直是协同演变的,共同塑造了过去几百万年来的气候演变特征。而古气候重建记录本身作为气候演变的综合产物,并不能用于区分太阳辐射和气候背景变化两者各自对千年事件的影响。换句话说,我们并不清楚气候突变究竟是太阳辐射变化导致的,还是由轨道驱动的气候内部变化引起的,两者在这一系列千年事件中各自的贡献尚不清楚。

  3.新动力模型——地球轨道变化对气候突变有双重调制作用

  为了解决上述难题,以中国科学院青藏高原研究所的科学家领导的科研团队,利用先进的复杂气候模型,系统地阐述了地球轨道变化直接驱动千年气候事件的动力机理。这篇论文已在线发表于国际地学期刊《自然·地球科学》。

  团队选取末次冰期第5、6、7次千年事件(过去四万到三万两千年之间)作为研究对象,开展数值模拟研究。这是因为这些突变发生的时期,全球冰量和温室气体并无显著的变化,可有效排除地球内环境变化对气候突变的调制。

  基于此,研究者们在开展这段时期的气候瞬变模拟试验时,仅将地球轨道参数的变化作为气候试验的强迫因素,而其他所有的环境变量(例如冰量、温室气体等)均保持不变。该试验设计的优势是可直接诊断轨道变化对大洋环流的直接影响。试验中,大西洋经向环流出现类似于古气候重建资料中的千年尺度震荡,其所引起的全球温度和降水变化也与重建记录有较好的一致性,在复杂气候模型中首次证实了地球轨道变化可直接驱动气候突变。

  研究人员又进一步采用轨道参数的单一强迫试验,即仅改变地轴倾角或离心率和岁差,定性不同轨道参数变化对气候突变的影响。

  研究发现,岁差的变化可通过影响北半球低纬地区的夏季太阳辐射量,调节大气水汽从大西洋向太平洋的输送强度,进而调控北大西洋的海表盐度。大西洋海表盐度的变化通过影响北大西洋深层水生成的强度,触发大西洋经向环流的突变。同时,地轴倾角可通过影响北半球高纬地区的年平均太阳辐射变化,调控北大西洋深层水生成区的海水温度以及海冰面积,进而影响表层海水垂直混合的强度,引起这些突变。

  这一系列的数值模拟试验证实了在寒冷的冰期单一轨道参数变化也可直接造成北大西洋海洋环流的突变—即地球轨道的变化不仅可以通过影响冰盖大小等方式间接调控气候突变的发生,也可通过影响海洋-大气系统直接触发气候突变。

  科学家们并未止步于此。他们进一步开展了基于不同气候背景下的轨道参数敏感性试验,以此厘清冰期旋回中地球轨道的这种直接与间接调制如何协同影响千年气候事件的发生,并总结出一个阐述轨道双重调制的动力概念模型:

  在冰期旋回过程中,当气候背景类似于末次盛冰期或者末次间冰期暖期时,地球轨道的变化无法直接触发气候突变,因为盛冰期北半球的大冰盖和间冰期最暖期的高温室气体浓度导致大西洋经向环流的基本态(即不受外力扰动情况下的状态)较为稳定,对外力扰动的敏感性较低。

  而当气候背景进入到两者之间时,即当冰量和温室气体处在盛冰期和间冰期最暖期之间的中间位置时,轨道变化可直接引起千年尺度的气候自震荡;自震荡可在某一特定的轨道参数范围内持续存在,直到轨道参数移出该特定的范围(这个特定范围可称为千年气候事件的“机会窗口”);而与此同时,地球内部气候背景的变化(例如全球冰量和大气二氧化碳浓度),可改变“机会窗口”在轨道周期中出现的位置——当北大西洋处于一个偏冷(暖)的冰期气候背景时,“机会窗口”可能出现在地轴倾角或地球岁差的高(低)值区。

  通过这些研究,我们可以确定:自过去270万年以来,更新世所发生的千年气候事件很可能是地球轨道变化双重调制的结果。当然,该研究领域依然还有深入研究的空间,例如,轨道尺度气候变化(冰期旋回)和千年尺度气候突变如何协同作用塑造了古气候资料重建中所记录的更新世以来的气候演变,还需通过更为先进的地球系统模型(例如含冰盖动力过程)做进一步研究。

  探寻过去气候变化的原因,尝试揭示不同时空尺度气候过程的协同作用对气候变化的影响,并不仅因为好奇。以史为鉴,以知兴替。只有努力掌握气候演变的规律,才能更好地预测和应对未来的气候变化,指引人类可持续发展的方向。

  (作者:张旭,系中国科学院青藏高原研究所研究员;刘晓倩,系该所工程师)

打印 责任编辑:侯茜
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