火山活動(dòng)的氣候變化效應(yīng)

火山活動(dòng)的氣候變化效應(yīng)

0氣候變化的未來研究方向現(xiàn)在，世界氣候變化已成為世界面臨的一個(gè)不容忽視的重大環(huán)境問題和政治問題。2007年，國家間氣候特別委員會(huì)（picc）發(fā)布了最新的評估報(bào)告ar4，指出當(dāng)前100a（1906-2005）的平均溫度增加了0.74。變化的主要原因是co和其他溫室氣體的溫室效應(yīng)增加。ar4還預(yù)測，如果人類不控制溫室氣體的排放，世界溫度將在本世紀(jì)末增加2.0.4.0，這將給世界帶來許多重大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問題。2009年，聯(lián)合國總工會(huì)批準(zhǔn)了《根本協(xié)定》，并確定了世界各國之間2的全球變動(dòng)勢力比率。盡管如此,當(dāng)前有關(guān)氣候變化的科學(xué)基礎(chǔ)并不牢固,許多認(rèn)識在學(xué)術(shù)界并沒達(dá)成共識.AR4也承認(rèn)全球增溫研究存在較多的不確定因素,許多預(yù)測沒有給出定量判斷的科學(xué)依據(jù).2007年成立的非政府間國際氣候變化專門委員會(huì)(NIPCC)就針對AR4進(jìn)行逐條反駁.同時(shí),很多學(xué)者質(zhì)疑AR4存在忽視或低估自然驅(qū)動(dòng)因素對全球變化的影響.火山活動(dòng)是影響氣候變化的重要因子之一.關(guān)于火山對氣候變化的影響,很早以前就得到科學(xué)界的關(guān)注.早在18世紀(jì)80年代,在法國為獨(dú)立戰(zhàn)爭籌款的美國大使富蘭克林(美國獨(dú)立戰(zhàn)爭先驅(qū),獨(dú)立宣言的起草者,同時(shí)也是著名的科學(xué)家)指出1783—1784年北美和歐洲等地區(qū)出現(xiàn)的異常冷夏與冰島的Hekla火山爆發(fā)可能有關(guān).1970年,H.H.Lamb提出火山灰塵幕指數(shù)DVI(DustVeilIndex),已經(jīng)能夠科學(xué)定量的解釋說明火山事件對氣候變化的影響.1火山噴發(fā)的氣候變化影響火山噴發(fā)在地球歷史上是相對常見的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)過程.火山噴發(fā)對氣候的影響主要有以下方面:釋放能量,噴出大量的巖漿冷卻凝固成巖石;帶來大量的氣體如水蒸氣、CO2、SO2等;還會(huì)形成大量的氣溶膠和固體懸浮小顆粒.火山噴發(fā)產(chǎn)生大量的巖漿,并釋放能量,但相對于整個(gè)龐大的氣候系統(tǒng)來說,其影響可以忽略不計(jì).火山噴發(fā)產(chǎn)生大量氣體,最主要的是水蒸氣、CO2、SO2、H2S、HCl以及少量的HF氣體.其中水蒸氣在大氣中停留時(shí)間只有十幾天,與全球水循環(huán)相比,影響有限.火山噴發(fā)帶來的CO2每年有1.3~2.3億t,與人類排放的將近300億tCO2相比,影響也可不計(jì)(最新公布結(jié)果2010年人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2的為367億t).因此,火山活動(dòng)對氣候變化的主要影響就是火山懸浮顆粒和SO2氣體.火山噴發(fā)會(huì)形成大量的細(xì)顆?；覊m(懸浮質(zhì)),這些物質(zhì)可以隨火山噴發(fā)氣體上升到平流層,并在隨后的幾個(gè)月至幾年內(nèi)減少太陽對地表的直接輻射量,并增加云層向外太空的散射和反射能量,由此降低地表的溫度.這些細(xì)小的顆粒還會(huì)在高層大氣環(huán)流的帶動(dòng)下向全球擴(kuò)散,使火山活動(dòng)的影響擴(kuò)大至全球.火山噴發(fā)出來的氣體上升高度可達(dá)16~32km,進(jìn)入平流層.因此,其中的SO2也就隨之進(jìn)入平流層.在平流層里,不同高度的氣體交換非常緩慢,SO2可以在某個(gè)高度停留較長時(shí)間.平流層里的SO2經(jīng)過緩慢氧化并與羥基反應(yīng),形成硫酸,進(jìn)一步形成硫酸鹽固體顆粒,最后形成氣溶膠,氣溶膠會(huì)逐漸下沉抵達(dá)地面.SO2形成的硫酸和硫酸鹽氣溶膠遞減時(shí)間是35d,而硫酸和硫酸鹽形成的氣溶膠沉積的時(shí)間是12到14個(gè)月,存留時(shí)間較長.這些氣溶膠在平流層中強(qiáng)烈的散射和反射太陽輻射,導(dǎo)致入射的太陽短波輻射減少,地表溫度降低.進(jìn)入平流層的SO2所形成的氣溶膠與火山直接噴發(fā)出來的火山灰有所不同,火山噴發(fā)出來的灰塵主要成分是硅酸鹽,這些硅酸鹽顆粒一般都在2μm以上,在重力的作用下,可以很快從平流層中清除,對氣候的長期影響不大,只是對于爆發(fā)后的氣候有顯著的短期影響.火山噴發(fā)形成的硫酸鹽氣溶膠對氣溫的下降有顯著的影響.學(xué)者對1991年皮納圖博火山噴發(fā)的模擬與實(shí)際觀測,進(jìn)一步證實(shí)了火山活動(dòng)對氣候的影響.李曉東等的模擬結(jié)果顯示火山噴發(fā)形成的平流層氣溶膠可以維持3a時(shí)間,造成局地最大降溫1.4℃,全球平均降溫0.5℃.Parker等的模擬顯示,地面降溫可達(dá)0.5℃,對流層降溫0.6℃.根據(jù)其后進(jìn)行的實(shí)際觀測,1992年北半球1—10月份氣候偏冷地區(qū)明顯增多,氣候冷區(qū)逐漸北移.通過對比衛(wèi)星資料,證實(shí)模擬結(jié)果較為可靠.2火山活動(dòng)與氣候由于缺乏詳細(xì)的地質(zhì)資料,地質(zhì)時(shí)期火山活動(dòng)對氣候變化的影響研究較薄弱.郭正府、劉嘉麒等提出,在地質(zhì)時(shí)期不同的火山類型對氣候的影響有所不同.其中,面積超過106km2,厚度高達(dá)數(shù)千米的大火成巖省(如印度德干高原)對氣候的影響最為強(qiáng)烈.大火成巖省噴發(fā)會(huì)導(dǎo)致地表溫度降低,海平面下降,造成冰期的來臨.Widdowson等通過模擬德干高原玄武巖噴出硫化物產(chǎn)生的氣候效應(yīng)表明,在噴發(fā)高峰期間(約1Ma),火山噴發(fā)導(dǎo)致全球地表溫度平均降低10~15℃,相當(dāng)于由間冰期到冰期降低的溫度.殷鴻福等發(fā)現(xiàn)中國華南地區(qū)二疊系與三疊系交界處廣泛分布著火山巖或凝灰?guī)r,并含有火山成因的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物,說明火山活動(dòng)與這個(gè)時(shí)期的生物大滅絕有密切的聯(lián)系.在第四紀(jì),火山活動(dòng)對氣候也產(chǎn)生了重要影響.深海巖芯研究表明,近2MaBP以來,火山活動(dòng)明顯加強(qiáng).在印度洋深海沉積中,MIS5與MIS4之間的層位上存在一層火山灰,研究表明,此火山灰層是73.5kaBPSumatra島上的Toba火山強(qiáng)烈噴發(fā)形成的.同時(shí),南極冰芯記錄的非海相硫酸鹽的含量顯著增加.據(jù)估算在此期間,可能有數(shù)十億噸的火山灰和氣溶膠噴發(fā)到平流層,造成全球降溫3~5℃,并持續(xù)數(shù)年之久.Bryson研究40ka以來的火山活動(dòng)表明,噴發(fā)頻率最高的時(shí)期為25kaBP附近,與最后冰期的盛冰期開始時(shí)間相當(dāng).另外,還有一次較小的峰值出現(xiàn)在11.9kaBP前后,略早于新仙女木事件.Bryson甚至認(rèn)為,大多數(shù)102~103a尺度上的氣候事件是由火山噴發(fā)頻次變化引起的.于革等最近統(tǒng)計(jì)東亞、太平洋地區(qū)全新世近一萬年來火山噴發(fā)表明,在2000—3000aBP前后、4000aBP、5000aBP、7000aBP出現(xiàn)火山集中爆發(fā)期與氣候降溫期對應(yīng),推測火山集中爆發(fā)與東亞降溫有某種因果聯(lián)系.進(jìn)入歷史時(shí)期,由于有了文字記錄,火山活動(dòng)也有了較詳細(xì)的記載.費(fèi)杰、周杰等發(fā)現(xiàn)公元934年冰島的Eldgja火山噴發(fā),導(dǎo)致中國939—942年降溫,其中洛陽、開封地區(qū)的降溫幅度達(dá)到5~8℃.有學(xué)者表明,1600—1850年是歷史時(shí)期火山活動(dòng)頻繁且強(qiáng)度較大的時(shí)期,同時(shí)也是大家所熟知的明清小冰期時(shí)期.一些學(xué)者通過文獻(xiàn)記錄發(fā)現(xiàn),日本歷史上著名的4次冷害(1695年、1755年、1783年、1837年)均與強(qiáng)火山噴發(fā)有很好的對應(yīng)關(guān)系.3火山噴發(fā)后影響最近幾十年科學(xué)家對火山活動(dòng)進(jìn)行了一系列的觀測,記錄到火山活動(dòng)影響氣候系統(tǒng)的整個(gè)過程.Kelly和Sear針對1881—1980年的9次大的火山噴發(fā)事件進(jìn)行了系統(tǒng)研究,指出大火山噴發(fā)后的1~2a全球年均溫下降約0.3℃,之后逐漸回升,約4~5a恢復(fù)正常,小火山噴發(fā)對全球溫度影響很小,影響時(shí)間較短.火山噴發(fā)對南北半球的影響也有差別,北半球火山噴發(fā)后的2個(gè)月北半球氣溫下降明顯,南半球噴發(fā)后18個(gè)月北半球氣溫降幅最大.Taylor等研究較強(qiáng)火山噴發(fā)后南北半球年均溫下降差別不是很大,且較顯著的降溫時(shí)間出現(xiàn)在北半球晚(火山噴發(fā)后1~2a),南半球早(火山噴發(fā)后0~1a).Robock等指出,在近赤道噴發(fā)的火山對低緯度的影響比高緯度明顯,從而加大了赤道與極地的溫度梯度,使北半球冬季易產(chǎn)生極地渦旋,洋面溫度升高,導(dǎo)致間接產(chǎn)生的水平對流引起的溫度變化較輻射變化更明顯.實(shí)際觀測資料也顯示,火山活動(dòng)對全球變化的影響是比較明顯的.李靖、張德二通過統(tǒng)計(jì)1958年來的地面氣象資料和探空資料發(fā)現(xiàn),大的火山噴發(fā)后地面記錄和高空探測均發(fā)現(xiàn)全球性的溫度異?，F(xiàn)象.圖1中顯示,1963年印尼阿貢(Agung)火山、1982年墨西哥艾爾奇瓊(ELChichon)和1991年菲律賓的皮納圖博(Pinatubo)火山噴發(fā)后,氣候明顯異常的現(xiàn)象持續(xù)了1~3a左右.據(jù)徐群等跟蹤研究,菲律賓皮納圖博火山1991年6月中旬出現(xiàn)了多次的大爆發(fā),大約超過20Mt的SO2進(jìn)入18~30km的平流層,形成20世紀(jì)最大的一次火山云事件,在其后的1992年中國夏季和秋季出現(xiàn)了大范圍的低溫現(xiàn)象,東北至內(nèi)蒙古地區(qū)和長江下游地區(qū)甚至都出現(xiàn)了不同程度的冷害.據(jù)衛(wèi)星資料顯示,北半球1992年是近10a來最冷的年份,南半球溫度變化較小.火山噴發(fā)不僅僅影響溫度的變化,它還影響降雨量的變化,產(chǎn)生一系列的旱澇災(zāi)害.中國是有旱澇歷史記錄較長的國家,據(jù)張富國等根據(jù)中國1470—1990年旱澇資料指出,強(qiáng)火山的噴發(fā)對中國不同區(qū)域影響不同,火山爆發(fā)后2a內(nèi),華北地區(qū)夏季降雨量有減少趨勢,以偏旱為主,華北中南部有不太明顯的趨勢.據(jù)李靖統(tǒng)計(jì)近500a火山和降雨資料發(fā)現(xiàn),在北半球火山噴發(fā)當(dāng)年,黃河流域降水偏少;南半球低緯度火山噴發(fā)當(dāng)年,黃河流域降水較多;南北半球火山噴發(fā)1a后,黃河流域降水也增多.但是,火山活動(dòng)和降水量的關(guān)系比較復(fù)雜,不同地區(qū)的火山活動(dòng)對不同地區(qū)的降雨量影響不同,而且影響降水的因素很多,很難提取火山活動(dòng)的信號.2011年,火山噴發(fā)的消息被報(bào)道出來,包括智利的普耶韋火山、日本的新燃岳火山、印尼的羅肯火山、冰島的格里姆火山等等或大或小都一一噴發(fā).這是不是像一些專家所說的那樣,地球已經(jīng)進(jìn)入新一輪的火山活躍期,尚不得而知.但據(jù)李靖、張德二統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,近600a來火山噴發(fā)有增加趨勢.倘若統(tǒng)計(jì)確切真實(shí),火山爆發(fā)對地球的影響程度將超過溫室效應(yīng),人類將面臨比全球變暖還要嚴(yán)重的威脅.4火山活動(dòng)對未來氣候變化影響的研究綜上所述,火山噴發(fā)產(chǎn)生火山灰塵、水蒸氣和SO2等酸性氣體.但對氣候影響最大的是SO2氣體,它隨火山噴發(fā)上升到平流層,隨后形成硫酸鹽氣溶膠,能存留很長時(shí)間.在這個(gè)過程中,大量的氣溶膠擴(kuò)散至周圍區(qū)域甚至全球,反射和折射太陽輻射,減少太陽對地表的直接輻射量,降低地表溫度.一系列的研究表明,在地質(zhì)歷史時(shí)期火山活動(dòng)與全球冰期有密切關(guān)系.通過近現(xiàn)代觀測與模擬,發(fā)現(xiàn)火山活動(dòng)后的一年至幾年內(nèi),局部地區(qū)或全球會(huì)產(chǎn)生不同程度的降溫.IPCCAR4再次肯定21世紀(jì)全球溫度將持續(xù)快速升高,并且還會(huì)給人類社會(huì)帶來一系列不利的影響.火山活動(dòng)是影響未來全球氣候變化趨勢的不確定因素之一,火山噴發(fā)所導(dǎo)致的氣候