260万年前,地球比现在热得多
来源:科普中国
发布时间:2024-06-19
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出品:科普中国

作者:臧铜钢(古气候学硕士研究生)

监制:中国科普博览

编者按:为拓展认知边界,科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章,纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅,认识令人惊叹的世界。

近些年来全球气候变暖的问题日益受到关注,科学家对此议题也开展了长期而深入的研究。在这些研究中,很重要的一个内容就是通过研究地球的历史来试图帮我们更好的预测未来。中国科学院地球环境研究所黄土与气候变化研究团队研究员敖红与宋友桂等人就利用中国的黄土记录,研究了百万年前的一次重大气候变化事件,对过去气候变化的理解和未来气候变化的预测做出了巨大的贡献,这一研究成果于2024年4月19日发表在《自然-通讯》期刊上。

260万年前,地球比现在热得多

地球的气候是一直在不停波动的,而且在过去的历史上还有很长一段时间比现在还要温暖。最近的一个温暖时期就在距今约260万年前的上新世到更新世的过渡期。

那时地球的全球平均温度比现在高2-4℃,海平面比现在要高出约20米(即上海、天津、澳门等沿海地区全部都会被淹没)。当时的气候条件和现在也完全不同,甚至在当时连北极都不像现在这样到处是冰雪覆盖,只有南极覆盖着冰盖。这种情况被科学家称为“单极冰室”,与现在的地球上南北两极都被冰盖覆盖的“双极冰室”相对应。

但是随后,地球进入了一个漫长的冷却期。

北极冰盖扩张与全球降温

260万年前,北半球的冰盖刚刚开始扩张,在格陵兰岛、北美和欧亚大陆上的冰盖不仅厚度增加,同时还伴随着很多小型冰山脱离冰盖并飘入北太平洋和北大西洋。最终在全球温度整体趋向于寒冷的条件下,北极逐渐布满风雪,由于冰川越多,水就会越少,在冰川最为广阔的时候,海平面比现在低约100米。

一旦北极的冰盖开始出现,全球的气温会进一步持续降低。这是因为地球上的热量是吸收太阳能而来,阳光照射到地球上后,有一部分被地球表面吸收,除了被地球吸收外还有一部分会反射回太空,森林、土壤、水面、冰雪等不同的地表类型对阳光的反射率也是完全不同的,而冰雪的反射率远高于其他地形。因此北极大量冰雪的形成,把更多的太阳光反射了回去,地球能吸收的能量就会减少,长此以往,地球变得越来越冷,从此在北极大量冰雪的影响下地球经历了非常久的持续降温。最终形成了现在的南极、北极的“双冰室”分布格局。

因此从北极冰盖开始形成后整个地球的气候开始慢慢变冷,但由于太阳本身的能量存在一定的强弱波动,因此在地球整体变得更加寒冷的大趋势下,也会有小幅度的冷热交替,以数万年到数十万年为周期变化,在相对温暖的时期被称为“间冰期”,而相对寒冷的时期被称为“冰期”,现在的地球就处在一个相对温暖的“间冰期”。

(图片来源:veer图库)

北极冰盖与亚洲冬季风对我们的影响

北极冰盖的出现对整个北半球乃至全球的气候都产生了重大的影响,如北半球的冬季风就与北极冰盖息息相关。北方的冬天寒风呼啸,人们所谓的喝“西北风”,这个“西北风”其实就是冬季风,它是由西伯利亚冷空气向南移动形成的,如果冬季风过于强盛,向更南的方向推进,南方的冬天也会出现冰雹、大雪等天气。

也因此一旦北极冰盖消融,就会带来非常严重的后果。除了大家众所周知的冰盖融化会导致海平面上升之外,北极冰盖的消失还可能会导致亚洲冬季风的减弱甚至消失,这会对整个亚洲的气候造成显著的改变,比如冬季气温升高,可能会扰乱目前的农作物周期,目前的主食之一的小麦就可能因此而产量大减;还会导致我国南方洪涝灾害,造成居民伤亡和经济损失;此外,还有可能扰乱生态系统的平衡,以及可能对其它地区的气候也有连带影响等。

正是由于亚洲冬季风强度的变化和我们每一个人的生活都息息相关,因此它也一直是科学家的研究重点。科学家们研究冬季风是为了更好的预测未来,但是要达到预测的目标,他们首先需要研究冬季风的历史,这是因为只有当我们发现了气候变化的历史规律,才能一定程度预测未来。

而在冬季风的历史研究中,最重要的就是:北极冰盖形成之前冬季风是否存在?冬季风的强弱与北极冰盖的变化是否有关系?

亚洲冬季风示意图

(图片来源:《自然-通讯》杂志)

如何研究的过去的气候变化

但是研究冬季风的历史变化又涉及到两个难题:一是怎样才能知道过去的气候变化?二是如何确定气候变化对应的年代?

那么如何知道过去百万年来亚洲冬季风的变化呢?首先我们知道风力较强的时候能带动较粗的颗粒,风力较弱的时候只能吹的动一些较细颗粒,因此土壤的粗细程度就能很好的指示季风的强度。而亚洲冬季风是从西伯利亚吹到我国,黄土高原就在亚洲冬季风移动的必经之路上,因此根据黄土高原上这些土壤颗粒的粗细变化就可以判断在过去亚洲冬季风的强度变化。

解决了冬季风如何变化的问题,那么如何确定冬季风变化对应的时间呢。这里用的是“古地磁测年法”,地球磁场会影响矿物质的磁性,地球磁场变化就会被矿物质记录下来。在过去,地球磁场曾有多次反转。通过对地球磁场反转的研究,科学家们编制出了地磁年代表。科学家只需对土壤矿物质的磁性进行研究,并且与地磁年代表进行对比,可以确定土壤物质的年代。

基于以上两点,就可以较为准确的判断季风强弱的变化以及对应的年代。

研究有何发现?

中国科学院地球环境研究所黄土与气候变化研究团队研究员敖红与宋友桂等人研究发现,亚洲季风早在北极冰盖形成之前就存在,但是在260万年前北极冰盖形成后,亚洲冬季风的强度明显增加了,同时还发现季风强度一直以4万年和10万年的周期进行变化,这个周期性并没有受到北极冰盖形成的影响。同时亚洲冬季风4万年和10万年的变化周期竟然和全球的海平面变化周期几乎完全一致。也就是说在过去的两百多万年里,海平面较高的时候亚洲冬季风的强度都是处于较强的水平,同样海平面较低时亚洲冬季风都是处于较弱的水平。此外,在北半球冰川开始影响气候之前,亚洲冬季风的变化强度相对较弱。

此外,在北极冰盖形成前后,除了4万年和10万年的周期变化外,亚洲冬季风一直都有显著的千年尺度波动,这样千年尺度的波动变化在较温暖(高CO₂)的晚上新世和较寒冷(低CO₂)的早更新世都持续存在,主要受到天文驱动和地球内部气候动力学的控制。

综上,这一结果对于理解千年尺度的气候动力学具有重要意义,说明了北极冰盖大小只是影响亚洲冬季风的强度,而没有影响亚洲冬季风的周期变化,从古至今亚洲冬季风的强度一直是以4万年、10万年为大周期,千年尺度为小周期有规律的波动变化;同时亚洲冬季风强度和全球海平面同步变化。

亚洲冬季风强度和海平面变化等指标对比

(图片来源:《自然-通讯》杂志)

对我们有怎样的启发?

现在全球气候变暖已经是公认的事实,但研究发现260万年前全球气温比现在高2-4℃,而CO₂浓度却和现在浓度相当,这样看来,全球温度是否会进一步上升2-4℃?

研究发现亚洲季风强度确实存在4万年和10万年以及千年尺度的变化周期,并且和海平面高度同步变化,那么未来是否可以通过监测海平面变化来预测亚洲季风的变化?这些变化又会对亚洲乃至全球气候带来什么样的影响?我们人类又应该如何应对这些未来的变化?

这些问题还需科学家们进一步的研究,有朝一日,也许我们真的能完全摸清气候变化的规律,解决气候问题对人类带来的负面影响,能够了解气候、掌握气候、利用气候。

参考文献:

1、McClymont, E. L. et al. Climate evolution through the onset and intensification of Northern Hemisphere glaciation. Rev. Geophys. 61, e2022RG000793 (2023).

2、Haywood, A. M., Tindall, J. C., Dowsett, H. J., Dolan, A. M. & Lunt, D. J. A return to large-scale features of Pliocene climate: the Pliocene Model Intercomparison Project Phase 2. Clim. Past 16, 2095–2123 (2020).

3、Martínez-Botí, M. A. et al. Plio-Pleistocene climate sensitivity evaluated using high-resolution CO₂ records. Nature 518, 49–54 (2015).

4、McClymont, E. L. et al. Lessons from a high CO₂ world: an ocean view from ~3 million years ago. Clim. Past 16, 1599–1615 (2020).

5、Rohling, E. J. et al. Sea level and deep-sea temperature reconstructions suggest quasi-stable states and critical transitions over the past 40 million years. Sci. Adv. 7, eabf5326 (2021).

6、Ao H, Liebrand D, Dekkers MJ et al. Orbital- and millennial-scale Asian winter monsoon variability across the Pliocene–Pleistocene glacial intensification. Nat Commun 15, 3364 (2024)


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