第5章 第3节 冰期- 间冰期之间的转换机制

第三节冰期-间冰期之间的转换机制从全球变化记录中可以检测出与地球轨道参数变化相同的周期，且全球变化的记录与根据地球轨道参数变化计算的太阳辐射的峰谷变化存在对应关系，这种对应关系说明地球轨道参数变化可能是第四纪环境周期性变化的驱动力，地球轨道的变化导致了冬季和夏季之间、极地和赤道之间太阳辐射量变化的对比，从而导致极地冰盖的周期性扩张与收缩。但地球轨道参数变化所引起的太阳辐射的改变本身不足以导致如此幅度的变化，特别是偏心率变化引起的太阳辐射变化分量不足以解释何以在0.9MaBP以来100ka成为主要周期。说明地球系统在响应全球变化过程中可能存在一系列复杂的反馈过程。在驱动与响应之间可能存在十分复杂的反馈机制，某些正反馈过程使得地球轨道变化的初始驱动得到加强放大，而另一些负反馈过程又使得正反馈的放大到一定程度后又开始衰减。冰期与间冰期转换过程的不对称性可能是降温期与升温期起主导作用的反馈机制有所不同而造成的，升温期的正反馈过程更为显著。并且除太阳辐射因素之外，在解释冰期—间冰期变化时还需要考虑其它驱动因素的作用。直到目前，对冰期—间冰期的转换机制尚无完美的解释，但一些可能的因素和反馈机制已受到注意。1．冰盖与海冰反馈2．大气温室气体的反馈与气溶胶反馈3．大洋传送带的变化4．火山活动的作用1、冰盖与海冰反馈北半球冰盖随冰期-间冰期的转换而发生大幅度的往复进退，但冰雪积累、冰盖扩展的过程十分缓慢；冰川融化、冰盖退缩的过程却十分迅速，呈不对称变化的特点，这一过程既是对全球温度变化的响应，同时也对全球温度变化起到强烈的正反馈作用。气候变冷导致高纬度地区冰盖的积累与扩展，而陆地冰盖与海冰的扩大进一步促进了变冷；当气候变暖时，冰盖退缩，也存在同样的正反馈过程。与冰盖的扩张与收缩相关联的是全球海平面的升降。在从间冰期向冰期转换的过程中，大量的水分被从海洋转移到冰盖中固定下来，导致全球海平面随着冰盖的强烈扩张而发生大幅度下降。由于冰期大洋缩小，海面蒸发减弱，导致全球降水减少，气候变干，陆地冰盖因缺少水分供应而不会无限制增大，使冰盖-反射率反馈不致无限制增加。当从冰期向间冰期的过程开始后，大量的水分从冰盖中返还到大洋中，导致海面上升。海面上升会托起搁浅在陆架上的冰盖，使得由浅海海冰支撑的位于陆地高处的冰体开始流动，把内陆的冰体送到海边，使冰盖变薄。说明冰退作用的增强不是靠大气的增温使冰体融化，而是靠崩裂的海冰随海流漂走之后由海水的热量使冰融化。上述现象可能是冰盖退缩比冰盖扩张迅速得多的原因之一。大量的融冰进入海洋会导致海洋变冷，估计可使北大西洋表层100m的海水以每年1℃的速度变冷，这一点也从中纬度北大西洋的同位素记录得到证实。融冰的另一个反馈机制是使水汽减少，早期的融冰使大量淡水进入大西洋，如果这些淡水在咸水之上形成一个淡水层，寒冷的淡水限制了水汽的蒸发，并且使海冰的范围扩大（淡水在0℃就结冰，海冰的冻结温度为-1.9℃），减少向陆上冰盖供给水汽，促使冰盖进一步瓦解。2．大气温室气体的反馈与气溶胶反馈温室气体CO2和CH4的含量在冰期时减少，在间冰期时增大，呈现与温度变化相同的趋势。在增暖事件中，CO2的变化与温度的变化几乎是同步的，但落后于日射变化。在变冷事件中，温度变化落后于日射变化，而CO2的变化又落后于温度变化。大气CO2变化可能主要地是海洋的“生物泵”作用所产生的一种效应。在冰期的寒冷时期内，海洋表面冷却增强，使得作为海洋生物生活空间的海洋混合层的深度增大，混合层的深度愈大，意味着有更多的浮游生物生长，因此有更多的碳被固定到深海沉积之中，相应地海洋表层从大气中获得更多的CO2，导致大气CO2的减少。相反，当冰期结束，全球温度开始升高以后，生物泵作用减弱，大气中的CO2含量开始增加。此外，冰期大洋温度的降低可使海洋溶解CO2的能力增大，也导致大气中CO2的减少。陆地上的沼泽湿地是自然界中CH4排放的主要源地，冰期CH4减少可能与冰盖扩展、海面下降、气候变干所造成的上述湿地沼泽的丧失有关，因此CH4的变化可能主要是全球气候变化的结果，但其正反馈作用使得关系复杂化。此外，冰期海面寒冷，向大气输送的水汽含量减少，大气中水汽含量减少，减弱水汽作为温室气体的功能，其正反馈同样加剧气候变冷。但水汽减少使得天空云量减少，能增加入射的太阳辐射，对变冷起负反馈作用。CH4变化冰期降水减少，风速增大，经向环流增强，浅海大量出露为大陆，陆地植被覆盖降低，有大量的尘埃由陆地吹向海洋，甚至到达南极中部，冰芯中粉尘浓度在冰期时增大，冰期最盛期冰芯中的粉尘浓度是冰后期的70倍。气溶胶粒子在大气中的载荷增大具有正反馈效应，能将太阳辐射反射回太空，从而加速地面冷却，使冰期加剧。间冰期时情况则相反。粉尘变化3、大洋传送带变化大气水汽传输与海洋盐分传输之间存在密切的关系。当水汽从一个大的流域盆地输出到另一个流域时，盐分仍留在原来的流域盆地。以此方式产生的盐分累积必定最终由全球海洋范围内的高盐度水体与低盐度水体的相互交换所抵消。由于盐分增加海水的密度，所以水汽运移的变化不仅导致大洋环流速率的改变，而且可导致大洋环流形态的改变。由于水汽损失而留在大西洋里的过剩盐分通过北大西洋深水外流而运到南极附近的环状环流圈，部分向北流到印度洋，其余的一直向东流入太平洋，在此，受温暖和入注淡水的稀释作用，海水密度降低并上升到表面，然后向西运动返回到大西洋，构成一个跨越大洋的海洋“传送带”。北大西洋地区通过此传送带所获得的热量，远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化导致的增热量，因而有人提出大洋环流-气候关系模式来解释冰期-间冰期的转换机制。现代海洋化学研究表明，底栖有孔虫生长环境中水体的PO3-4浓度与有孔虫壳体的δ13C成反比，与Cd/Ca成正比，因此碳同位素和Cd值可以反映深水营养状况的变化。大西洋深水来自营养匮乏的亚热带水源，而南极水体源于深部上升的富营养水体，因此大西洋深水相对于南极水体富δ13C而Cd，根据底栖有孔虫壳体的δ13C和Cd的高低可以对大洋深水的源地进行区分。据此推断，冰期时大洋深部环流形态与现代有很大差别，北大西洋传送带在冰期期间大大削弱甚至不存在，而南极深水却伸展到北大西洋的中纬度甚至高纬度地区。北大西洋深水的比例于14kaBP从冰期时的低谷上升到与现代大洋相近的水平，表明大洋环流形式发生了重大改变，此一改变与冰消期开始的时间相一致。此高大西洋水通量在维持了2000多年后发生衰减，到11kaBP前后，北大西洋深水流量衰减到仅比冰期极盛期略高的水平，此变化被用于解释新仙女木事件发生的原因。此假说认为，14kaBP末次冰期终止之初，大洋环流已转换到现代的形式，由于北美劳伦泰得冰盖的迅速消融，大量融水倾泻到北大西洋，海洋表水被淡化，以致无法形成深层水，这样导致传送带环流暂时性关闭，从而引起北大西洋周围陆地明显变冷甚至影响整个世界的气候。在新仙女木事件之后，北大西洋深水的通量重新增大到与现代相当的水平，从而完成向间冰期环境的转换。4、火山活动的作用对深海岩芯的研究表明，近2MaBP以来的第四纪期间是火山活动显著加强的时期。在解释末次冰期-间冰期旋回气候变化的阶段性和一些主要事件时，火山活动的影响受到重视。在印度洋深海沉积中，氧同位素阶段5与阶段4之间的层位上存在着火山灰层。此火山灰层是73.5kaBP苏门答腊岛上的Toba火山强烈喷发形成的。南极冰芯记录中由火山喷发形成的非海相硫酸盐含量在此期间开始显著增加。事例原因强烈火山喷发，可能有数十亿吨的火山灰微尘喷发到30km的高空，由此阻碍了太阳的入射辐射，可造成全球温度降低3～5℃达数年之久，在高纬地区的降温幅度可能达10～15℃。这样的降温幅度足以导致在北美的魁北克和拉布拉多形成永久积雪，欧洲的斯堪的纳维亚地区可能也是如此。Bryson（1989）根据40kaBP以来火山活动的年代数据编制了火山活动指数，用以表示火山爆发频率的变化。结果表明，火山爆发频率最高的时期为25kaBP附近，与最后冰期最盛期（25~18Ka）开始的时期相当。此外还出现许多较小的峰值，如11.9kaBP前后有一个次峰值，略早于新仙女木事件开始的时间。