第5章 第3節(jié) 冰期- 間冰期之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制

第三節(jié)冰期-間冰期之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制從全球變化記錄中可以檢測出與地球軌道參數(shù)變化相同的周期，且全球變化的記錄與根據(jù)地球軌道參數(shù)變化計(jì)算的太陽輻射的峰谷變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系說明地球軌道參數(shù)變化可能是第四紀(jì)環(huán)境周期性變化的驅(qū)動(dòng)力，地球軌道的變化導(dǎo)致了冬季和夏季之間、極地和赤道之間太陽輻射量變化的對(duì)比，從而導(dǎo)致極地冰蓋的周期性擴(kuò)張與收縮。但地球軌道參數(shù)變化所引起的太陽輻射的改變本身不足以導(dǎo)致如此幅度的變化，特別是偏心率變化引起的太陽輻射變化分量不足以解釋何以在0.9MaBP以來100ka成為主要周期。說明地球系統(tǒng)在響應(yīng)全球變化過程中可能存在一系列復(fù)雜的反饋過程。在驅(qū)動(dòng)與響應(yīng)之間可能存在十分復(fù)雜的反饋機(jī)制，某些正反饋過程使得地球軌道變化的初始驅(qū)動(dòng)得到加強(qiáng)放大，而另一些負(fù)反饋過程又使得正反饋的放大到一定程度后又開始衰減。冰期與間冰期轉(zhuǎn)換過程的不對(duì)稱性可能是降溫期與升溫期起主導(dǎo)作用的反饋機(jī)制有所不同而造成的，升溫期的正反饋過程更為顯著。并且除太陽輻射因素之外，在解釋冰期—間冰期變化時(shí)還需要考慮其它驅(qū)動(dòng)因素的作用。直到目前，對(duì)冰期—間冰期的轉(zhuǎn)換機(jī)制尚無完美的解釋，但一些可能的因素和反饋機(jī)制已受到注意。1．冰蓋與海冰反饋2．大氣溫室氣體的反饋與氣溶膠反饋3．大洋傳送帶的變化4．火山活動(dòng)的作用1、冰蓋與海冰反饋北半球冰蓋隨冰期-間冰期的轉(zhuǎn)換而發(fā)生大幅度的往復(fù)進(jìn)退，但冰雪積累、冰蓋擴(kuò)展的過程十分緩慢；冰川融化、冰蓋退縮的過程卻十分迅速，呈不對(duì)稱變化的特點(diǎn)，這一過程既是對(duì)全球溫度變化的響應(yīng)，同時(shí)也對(duì)全球溫度變化起到強(qiáng)烈的正反饋?zhàn)饔谩夂蜃兝鋵?dǎo)致高緯度地區(qū)冰蓋的積累與擴(kuò)展，而陸地冰蓋與海冰的擴(kuò)大進(jìn)一步促進(jìn)了變冷；當(dāng)氣候變暖時(shí)，冰蓋退縮，也存在同樣的正反饋過程。與冰蓋的擴(kuò)張與收縮相關(guān)聯(lián)的是全球海平面的升降。在從間冰期向冰期轉(zhuǎn)換的過程中，大量的水分被從海洋轉(zhuǎn)移到冰蓋中固定下來，導(dǎo)致全球海平面隨著冰蓋的強(qiáng)烈擴(kuò)張而發(fā)生大幅度下降。由于冰期大洋縮小，海面蒸發(fā)減弱，導(dǎo)致全球降水減少，氣候變干，陸地冰蓋因缺少水分供應(yīng)而不會(huì)無限制增大，使冰蓋-反射率反饋不致無限制增加。當(dāng)從冰期向間冰期的過程開始后，大量的水分從冰蓋中返還到大洋中，導(dǎo)致海面上升。海面上升會(huì)托起擱淺在陸架上的冰蓋，使得由淺海海冰支撐的位于陸地高處的冰體開始流動(dòng)，把內(nèi)陸的冰體送到海邊，使冰蓋變薄。

說明冰退作用的增強(qiáng)不是靠大氣的增溫使冰體融化，而是靠崩裂的海冰隨海流漂走之后由海水的熱量使冰融化。上述現(xiàn)象可能是冰蓋退縮比冰蓋擴(kuò)張迅速得多的原因之一。大量的融冰進(jìn)入海洋會(huì)導(dǎo)致海洋變冷，估計(jì)可使北大西洋表層100m的海水以每年1℃的速度變冷，這一點(diǎn)也從中緯度北大西洋的同位素記錄得到證實(shí)。融冰的另一個(gè)反饋機(jī)制是使水汽減少，早期的融冰使大量淡水進(jìn)入大西洋，如果這些淡水在咸水之上形成一個(gè)淡水層，寒冷的淡水限制了水汽的蒸發(fā)，并且使海冰的范圍擴(kuò)大（淡水在0℃就結(jié)冰，海冰的凍結(jié)溫度為-1.9℃），減少向陸上冰蓋供給水汽，促使冰蓋進(jìn)一步瓦解。2．大氣溫室氣體的反饋與氣溶膠反饋溫室氣體CO2

和CH4的含量在冰期時(shí)減少，在間冰期時(shí)增大，呈現(xiàn)與溫度變化相同的趨勢。在增暖事件中，CO2的變化與溫度的變化幾乎是同步的，但落后于日射變化。在變冷事件中，溫度變化落后于日射變化，而CO2的變化又落后于溫度變化。大氣CO2變化可能主要地是海洋的“生物泵”作用所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。在冰期的寒冷時(shí)期內(nèi)，海洋表面冷卻增強(qiáng)，使得作為海洋生物生活空間的海洋混合層的深度增大，混合層的深度愈大，意味著有更多的浮游生物生長，因此有更多的碳被固定到深海沉積之中，相應(yīng)地海洋表層從大氣中獲得更多的CO2，導(dǎo)致大氣CO2的減少。相反，當(dāng)冰期結(jié)束，全球溫度開始升高以后，生物泵作用減弱，大氣中的CO2含量開始增加。此外，冰期大洋溫度的降低可使海洋溶解CO2的能力增大，也導(dǎo)致大氣中CO2的減少。陸地上的沼澤濕地是自然界中CH4排放的主要源地，冰期CH4減少可能與冰蓋擴(kuò)展、海面下降、氣候變干所造成的上述濕地沼澤的喪失有關(guān)，因此CH4的變化可能主要是全球氣候變化的結(jié)果，但其正反饋?zhàn)饔檬沟藐P(guān)系復(fù)雜化。此外，冰期海面寒冷，向大氣輸送的水汽含量減少，大氣中水汽含量減少，減弱水汽作為溫室氣體的功能，其正反饋同樣加劇氣候變冷。但水汽減少使得天空云量減少，能增加入射的太陽輻射，對(duì)變冷起負(fù)反饋?zhàn)饔?。CH4變化冰期降水減少，風(fēng)速增大，經(jīng)向環(huán)流增強(qiáng)，淺海大量出露為大陸，陸地植被覆蓋降低，有大量的塵埃由陸地吹向海洋，甚至到達(dá)南極中部，冰芯中粉塵濃度在冰期時(shí)增大，冰期最盛期冰芯中的粉塵濃度是冰后期的70倍。氣溶膠粒子在大氣中的載荷增大具有正反饋效應(yīng)，能將太陽輻射反射回太空，從而加速地面冷卻，使冰期加劇。間冰期時(shí)情況則相反。粉塵變化3、大洋傳送帶變化大氣水汽傳輸與海洋鹽分傳輸之間存在密切的關(guān)系。當(dāng)水汽從一個(gè)大的流域盆地輸出到另一個(gè)流域時(shí)，鹽分仍留在原來的流域盆地。以此方式產(chǎn)生的鹽分累積必定最終由全球海洋范圍內(nèi)的高鹽度水體與低鹽度水體的相互交換所抵消。由于鹽分增加海水的密度，所以水汽運(yùn)移的變化不僅導(dǎo)致大洋環(huán)流速率的改變，而且可導(dǎo)致大洋環(huán)流形態(tài)的改變。由于水汽損失而留在大西洋里的過剩鹽分通過北大西洋深水外流而運(yùn)到南極附近的環(huán)狀環(huán)流圈，部分向北流到印度洋，其余的一直向東流入太平洋，在此，受溫暖和入注淡水的稀釋作用，海水密度降低并上升到表面，然后向西運(yùn)動(dòng)返回到大西洋，構(gòu)成一個(gè)跨越大洋的海洋“傳送帶”。北大西洋地區(qū)通過此傳送帶所獲得的熱量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球軌道要素所引起的日照率變化導(dǎo)致的增熱量，因而有人提出大洋環(huán)流-氣候關(guān)系模式來解釋冰期-間冰期的轉(zhuǎn)換機(jī)制?，F(xiàn)代海洋化學(xué)研究表明，底棲有孔蟲生長環(huán)境中水體的PO3-4濃度與有孔蟲殼體的δ13C成反比，與Cd/Ca成正比，因此碳同位素和Cd值可以反映深水營養(yǎng)狀況的變化。大西洋深水來自營養(yǎng)匱乏的亞熱帶水源，而南極水體源于深部上升的富營養(yǎng)水體，因此大西洋深水相對(duì)于南極水體富δ13C而Cd，根據(jù)底棲有孔蟲殼體的δ13C和Cd的高低可以對(duì)大洋深水的源地進(jìn)行區(qū)分。據(jù)此推斷，冰期時(shí)大洋深部環(huán)流形態(tài)與現(xiàn)代有很大差別，北大西洋傳送帶在冰期期間大大削弱甚至不存在，而南極深水卻伸展到北大西洋的中緯度甚至高緯度地區(qū)。北大西洋深水的比例于14kaBP從冰期時(shí)的低谷上升到與現(xiàn)代大洋相近的水平，表明大洋環(huán)流形式發(fā)生了重大改變，此一改變與冰消期開始的時(shí)間相一致。此高大西洋水通量在維持了2000多年后發(fā)生衰減，到11kaBP前后，北大西洋深水流量衰減到僅比冰期極盛期略高的水平，此變化被用于解釋新仙女木事件發(fā)生的原因。此假說認(rèn)為，14kaBP末次冰期終止之初，大洋環(huán)流已轉(zhuǎn)換到現(xiàn)代的形式，由于北美勞倫泰得冰蓋的迅速消融，大量融水傾瀉到北大西洋，海洋表水被淡化，以致無法形成深層水，這樣導(dǎo)致傳送帶環(huán)流暫時(shí)性關(guān)閉，從而引起北大西洋周圍陸地明顯變冷甚至影響整個(gè)世界的氣候。在新仙女木事件之后，北大西洋深水的通量重新增大到與現(xiàn)代相當(dāng)?shù)乃?，從而完成向間冰期環(huán)境的轉(zhuǎn)換。4、火山活動(dòng)的作用對(duì)深海巖芯的研究表明，近2MaBP以來的第四紀(jì)期間是火山活動(dòng)顯著加強(qiáng)的時(shí)期。在解釋末次冰期-間冰期旋回氣候變化的階段性和一些主要事件時(shí)，火山活動(dòng)的影響受到重視。在印度洋深海沉積中，氧同位素階段5與階段4之間的層位上存在著火山灰層。此火山灰層是73.5kaBP蘇門答臘島上的Toba火山強(qiáng)烈噴發(fā)形成的。南極冰芯記錄中由火山噴發(fā)形成的非海相硫酸鹽含量在此期間開始顯著增加。事例原因強(qiáng)烈火山噴發(fā)，可能有數(shù)十億噸的火山灰微塵噴發(fā)到30km的高空，由此阻礙了太陽的入射輻射，可造成全球溫度降低3～5℃達(dá)數(shù)年之久，在高緯地區(qū)的降溫幅度可能達(dá)10～15℃。這樣的降溫幅度足以導(dǎo)致在北美的魁北克和拉布拉多形成永久積雪，歐洲的