中更新世气候转型:特征、机制和展望

中更新世转型(mid-Pleistocene transition,MPT)的特征、机理及其影响一直是古气候研究的热点问题之一.通过综合分析全球代表性的地质记录,揭示出海洋和陆地气候变化在中更新世(距今~1.2至~0.7 Ma)多表现为从准4万年到准10万年的主导周期转型,但低纬地区水文气候的周期变化不显著.数值模拟研究表明,地球轨道参数变动引起的太阳辐射变化可能是冰期-间冰期气候旋回的根本驱动,而下垫面和大气CO2浓度变化的反馈机制则触发了中更新世气候周期转型并放大冰期-间冰期的波动.因此,MPT是地球气候系统内外部多个因素共同作用的结果.未来研究一方面应加强中低纬地区水文循环变化研究,关注中更新世气候转型影响的区域差异;另一方面通过整合气候重建和模拟结果,辨析区域气候变化响应差异的主要诱因.     

晚上新世赤道太平洋气候转型和北极冰盖扩张的轨道驱动

赤道太平洋气候在晚上新世进入一个重大转型期. 具体表现为全球海表温度(SST)开始变冷, 东西太平洋SST梯度开始形成并逐渐加大. 不仅如此, 这一变化几乎与北半球高纬冰盖扩张同步发生. 探讨太阳辐射、高纬和低纬气候变化之间的相互关系是揭示这一气候转型机制的关键. 通过一系列数理统计方法对赤道太平洋的SST和全球冰量变化中的轨道周期成分进行分析发现, 北半球高纬的太阳累积辐射量是此次气候转型的主要外部驱动力; 在轨道尺度上, 东西赤道太平洋的SST在转型之后表现出基本同步而非“跷跷板”式的变化规律; 通过分析对比认为晚上新世气候转型起源于地球轨道参数的转变, 而大气CO₂浓度变化产生的反馈效应使得全球气候自早新生代以来进一步变冷.     

探索大洋碳储库的演变周期

南沙深海钻孔ODP1143井的5 Ma沉积记录, 揭示出碳同位素变化有0.4~0.5 Ma长周期, 并通过对比证明为全大洋所共有, 反映了大洋碳储库的低频变化. 此类周期性也见于碳酸盐和热带风尘沉积, 说明是由季风等低纬区过程所引起. 无论1143井或其他大洋的第四纪记录, 都表明碳同位素重值期(δ¹³C_max)所反映的大洋碳储库改组, 发生在冰盖大扩张和冰期旋回变型(如“中更新世革命”、“中布容事件”)之前, 证明了碳循环对于冰期变化的调控作用. 可见第四纪冰期旋回应当是高纬与低纬过程, 物理作用(冰盖)和生物地球化学作用(碳循环)相互结合下“双重驱动”的产物, 不能只靠北半球高纬区响应轨道驱动的物理因素来解释. 由于当前地球正处在又一次碳同位素重值期, 理解大洋碳储库的周期演变及其气候影响实属当务之急. 文中还对第四纪以前大洋碳、氧同位素的变化进行比较, 发现在0.4 Ma偏心率长周期上两者同步变化, 随着北极冰盖的发育才失去耦合关系.     

地球气候与太阳辐射

气候的形成主要取决于太阳辐射。气候的变迁与到达地表的太阳辐射能的变化关系至为密切。引起太阳辐射能变化的条件是多方面的。气候变迁,冰期、间冰期循环的根本原因,被认为是地球轨道和地球自转轴的倾斜度变动使地球上受到的太阳辐射发生改变所致。     

第四纪冰期循环40 ka周期的一种解释以及模拟尝试

越来越多的资料证实, 从第四纪和第三纪晚期到大约900 ka前的中更新世转变前(MPT, mid-Pleistocene transition), 北半球冰期变化周期为40 ka, MPT之后转变为100 ka. 一般作为外强迫来解释冰期间冰期循环的北半球中高纬度夏季太阳辐射变化是由地球轨道进动控制的, 但其主要周期是 20 ka, 这和实际的冰期间冰期循环的周期不相符. 定义了一个能量指标C和响应阈值Ct, 前者表示外部辐射能量的供给大小, 后者代表了气候系统的整体响应. C与Ct的大小关系决定冰原融化或者积累, 控制间冰期的开始和结束的时间, 并决定冰期循环的周期. 基于能量阈值假设, 从一个概念模式出发对冰期循环周期和控制因子进行了模拟试验. 结果显示, 能量指标C和阈值Ct不仅能够解释中更新世转变之前冰期的40 ka周期变化, 也能够部分地解释MPT之后冰期的准100 ka周期变化, 其中40 ka是冰期循环的基本周期, 从而揭示了MPT前后气候系统变化和周期演变的内在连续性.     

南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化

通过对南海西部越南岸外MD05-2901孔的有孔虫氧同位素测定, 建立了450 ka以来高分辨率的年代地层. 结合沉积物的密度、孔隙率和陆源碎屑含量, 计算了陆源碎屑的堆积速率, 结果显示在间冰期时堆积速率的平均值为4.9~6.0 g/(cm²·ka), 高于冰期的1.9~5.0 g/(cm²·ka), 与发表过的南海南、北部冰期高于间冰期的特点明显不同. 对陆源沉积物的粒度分布进行主成分因子分析, 获得了两个主控因子F1和F2, 它们控制了陆源沉积近80%的粒度变化特征. 对F1敏感的1.26~2.66 μm%¹⁾和10.8~14.3 μm%呈现高频的波动, 和北半球低纬夏季太阳辐射量吻合很好, 显示23 ka的岁差周期和13 ka的半岁差周期. 对F2敏感的4.24~7.42 μm%和30.1~43.7 μm%, 则显示强烈的100 ka的偏心率周期. 本区的陆源沉积物来源于南海西南和北部2个地区, 在动力上则分别由夏季风和冬季风驱动的不同方向的洋流搬运. 研究认为, 晚第四纪以来东亚夏季风受控于低纬区的夏季日射量的变化, 而冬季风主要受高纬冰盖变化驱动, 呈冰期/间冰期旋回尺度的波动, 这反映了东亚季风演化的双重驱动机制.     

黄土研究揭示温暖气候将持续4万年

中国科学院地质与地球物理研究所郝青振等人根据对我国第四纪黄土的研究揭示,北半球每40万年会经历超长的温暖气候期．认为这与地球运转轨道变化具有40万年周期引起北半球太阳辐射变化幅度减少有关。由于当前地球正开始经历新一轮的太阳辐射变幅最小期．即使不考虑人为增加的大气二氧化碳影响,北半球温暖的间冰期气候可能还会持续约4万年。该研究成果发表在Ⅳn-ture。2012,490：393上。     

中亚粉尘东输可能对全球降温起关键性作用

冰期-间冰期旋回发生的原因一般认为可以用米兰科维奇理论来解释, 但是米兰科维奇理论也留下了一系列至今未解的难题. 对中亚粉尘的向东输送进行研究后发现, 在粉尘东输通量和全球气温降低之间可能存在一种正反馈机制, 放大了北半球高纬度太阳辐射改变的效果, 并最终导致了全球冰期的发生. 在这个正反馈机制中, 启动条件是北半球高纬大陆接收的太阳辐射量减弱, 最终结果是全球降温, 全球冰期发生, 关键性因素是中亚粉尘的东输. 使用这个正反馈机制, 可以较好解答“米兰柯维奇理论” 留下的难题.     

太阳驱动地球环境变化研究进展

太阳是地球表层系统最重要的能量来源,地球表层环境变化记录中含有太阳辐射变化或太阳活动的印记,实际观测的太阳辐射变化却被认为不足以引起地球气候系统的剧烈变化,不同学者发展了多种物理模型来解释太阳驱动地球环境变化的机制。本文从地质记录入手,综述了太阳影响不同时间尺度气候变化的地质[CD*2]生物记录,评述了几种放大机制,发现这些物理模型在解释某种气候现象时具有很好的适用性,但在其他方面也往往存在一定缺陷。我们认为：太阳变化是驱动地球环境变化的最根本因素;地球环境变化可能直接响应太阳变化。要么太阳活动引起的辐射量变化在气候系统中的作用被低估,要么还有未被发现的新机制,未来的研究应该针对这两个问题展开。     

探寻我国碳汇分布:从大气CO_2探测入手

正二氧化碳(CO_2)是地球大气的重要组成部分,体积组分约占大气的0.04%.大气中的CO_2会产生较强的温室效应,含量过高将导致地表温度升高.自工业革命以来,人类对化石燃料的消耗,导致CO_2等温室气体被大量释放,超过了大自然的调节能力,导致残留在大气中的CO_2含量急剧上升,     

我国太阳辐射能量的研究

如果地球是一个均一的球体,地球外围也没有大气,那么,到达地球表面的太阳辐射能量称天文辐射量(w),其变化主要决定于日地距离、地理纬度、太阳的赤纬和时间。实际上,地球外围有大气,地球表面有海陆和地     

地球轨道与气候演变的关系

米兰柯维奇理论是冰期理论中最主要的几个学派之一。他认为,地球轨道要素的变化是第四纪气候演变的最主要的原因。在这个问题上,米氏和作者是一致的。据Flint统计,现在世界上冰川覆盖的总面积为14.90×10~6平方公里,其中南、北半球各占12.62与2.28×10~6平方公里。而在更新世冰期总面积可达44.38×10~6平方公里,那时     

气候变化与CO_2浓度的相关性问题

在过去的80万年(从晚更新世到接下来的全新世),地球的气候经历了许多次"冷-暖-冷-暖"的变化.变化背后的原因可以归结为:(1)由地球轨道参数决定的太阳辐射输     

突破难关上云霄

地球上有天气,太空中也有天气吗? 答案是当然有了!太空天气是指在太阳系内地球周围的太空环境发生的变化.太空天气包括太阳、太阳风、近地空间以及高层大气中的任何条件和事件.太阳会发生太阳风、太阳耀斑、太阳射电爆发、太阳辐射风暴、太阳高能粒子喷发、日冕物质抛射和太阳黑子爆发等,引起太空天气的变化.银河系中拥有3000 多亿颗恒星,也会发射大量宇宙射线,穿越太阳系和地球,引起太空天气扰动.这时,太阳系、地球周围太空中的磁场、辐射、等离子体和其他物质就会变化,引发太空天气、气候和环境的变化.     

南海第四纪冰期旋回中的碳酸钙泵

碳酸钙的保存与溶解(即碳酸钙泵)通过其缓冲器效应控制着世界大洋的酸碱度, 进而可能对全球大气CO₂浓度的变化起着重要作用. 南海大洋钻探ODP 1143站2 Ma以来的碳酸钙分析, 提供探讨第四纪冰期旋回中碳酸钙泵作用的高分辨率记录. 统计研究结果表明, 南海第四纪冰期至间冰期过渡期, 碳酸钙堆积速率的最高值领先于δ ¹⁸O最轻值约3.6 ka; 而间冰期至冰期过渡期, 碳酸钙溶解程度最高值滞后于δ ¹⁸O最轻值约5.6 ka. 碳酸钙泵在冰期至间冰期过渡期向大气释放CO₂, 而在间冰期至冰期过渡期将大气CO ₂泵入深海. 碳酸钙泵的这种海水CO₃^2-浓度的调节功能, 直接控制全球大气CO₂的部分变化, 从而影响第四纪全球碳循环系统.     

太阳辐射下降可能会导致严冬

一项新的研究发现,周期性太阳辐射下降会在北美和欧洲部分地区引发异常寒冷的冬季气候.这项发现不仅能改善长期气候预测,还有助于各国对暴风雪提前采取应对措施. 长期以来,科学家就发现,太阳辐射有11年的周期,期间测量到的太阳表面黑子的辐射量升到最高之后会下降,但要证明此现象与天气有关却较为困难.     

大气微粒——气候变化关键性的问题

70年代,一些科学家提出称之为大气微粒的空气污染微粒通过阻拦太阳光线和冷却地球表面,可能会使地球进入冰期.然而随着全球温升与对气候变暖威胁的日益关注,大气微粒——气候相关的大多数研究却显得极度冷漠.美国宇航局戈达德(Goddard)空     

太阳周期长度:太阳活动性与气候紧密联系的一个“指示器”

科学家进行了许多尝试,力图探讨CO_2大量释放到大气中后对气候的影响。从现实情况考虑,在全球范围进行实验是不可能的,物理学理论的证据就是依赖模型模拟和观察。模型模拟需要某种假设,而获得大量基本数据则需长时间的观察。太阳辐射是与地球气候相关的一个最基本因素。这是无法准确知道的一个参数。埃迪(Eddy)指出,太阳活动性与全球气候的某些“指示器”之间的长期关系可能是由太阳辐照度的变化所引起的。但是,只有在当今人造卫星时代,才能测得有关太阳辐照度的可靠     

亚洲古季风变率和机制的洞穴石笋档案

洞穴石笋气候档案具有深海沉积等长尺度记录和树轮日历年两种不同气候载体的特征,开启了研究轨道尺度、千年尺度和年际气候变化三者联系的新窗口.本文主要回顾了近20年来亚洲季风区石笋的高精度定年和气候代用指标等研究进展.精确定年的石笋气候序列为米兰科维奇"轨道假说"解释低纬气候变化奠定了基础,并有可能深入了解突变气候事件的驱动机制.在此基础上,讨论了目前学术界普遍关心的"中国石笋d~(18)O信号解释"问题,认为在千年尺度以上,石笋同位素序列反映了季风气候控制下的干/湿变化过程.跨越中布容事件的石笋记录有可能联系低纬岁差尺度水文循环与高纬冰盖过程,将冰盖、季风、温室气体和生物地球化学过程置于高精度年代框架下,研究其驱动与响应关系.最后指出,精确定年的石笋气候序列有可能成为大陆同位素气候层型,并在解决当代全球变暖机制问题上发挥重要作用.     

实验室模拟卫星热红外增温机制的研究

我们在前人关于岩石加载破裂的电磁波辐射研究基础上,把震前孕震区大范围出现CH_4,CO_2等气体浓度增加及低空大气电场异常联系起来,提出卫星热红外增温震兆的一种机制,即震前大气中CH_4,CO_2等气体浓度增加,它们在变化的电场和太阳辐射作用下引起温度升高.为此,我们在实验室中作模拟研究.