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【原创】[非首发]地质学史视野中的全球变化研究
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按： 以下文字第一次张贴时地学版还没有成立，现借Copenhagen东风，在地学版再贴一次，求正于方家。文字中并没有包含这几年突进的石笋记录，有暇再补吧。 地球气候要比我们任何人所能理解的要复杂许多。今天的全球变化很大程度上已经类似于一种宗教，成了大国博弈的工具。我宁愿做一只鸵鸟，当风暴来临时，把头埋入沙子，向过去寻找答案。 读科学史，窥兴亡势。 按照教材上惯常的说法，Charles Lyell在1830-1833年间发表的三卷本Principles of geology (地质学原理)成为地质学作为一门学科建立的标志。这一巨著的副标题是“being an attempt to explain the former changes of the Earth’s surface, by reference to cause now in operation”，表明在学科确立之初，对于存在于地球表面的过去全球变化即已纳入地质学的研究范畴。“在某种意义上说，地质学家要解决的问题与普通历史学家，甚或人类学家的问题类似。” 过去的200多年里，对全球变化事实的认识、驱动机制的理解随着人来对自身生存与发展的日益关切而逐渐深入。诸多学者纷纷参与到这一宏伟的科学命题中，其中歧误和学术泡沫自然也不会少。科学史学者希望了解的是某种思想或观念的具体学术实践，——哪些人参与或推动了思想的变革，又有谁传播了学术思想，并最后造成了人群常识甚至信仰的改变。对全球变化而言，对历史的梳理对于我们所在的这个不那么自信但更有思想好奇心的时代更加适合。 如前所述，地质学诞生在19世纪的欧洲。今天的我们知道覆盖这块地区的沉积物主要是更新世(Pleistocene)冰期形成的泥砾，并广泛发育鼓丘和蛇形丘的冰缘地貌。而当时，从这片区域刚刚萌芽的全球变化研究对此的解释却迥然不同，它们似乎完美地和神学联系在一起。 地球在当时被认为只有很短的历史，圣经、柏拉图和古巴比伦记录中普遍存在的洪水记载使得人们相信曾经有大洪水席卷全球，在此过程中有大量岩屑沉积下来。John Ray(1713)就认为今天的地表岩石是由于洪水带来的，John Woodward(1695)为这一过程提供了化学解释，1822年出版的经典著作Outline of the Geology of England and Wales中，Noah洪水被当成了公理。甚至，在今天的非专业词典中，Pleistocene还有一项释义为“洪积世”。 在Lyell的巨著出版之前，彻底反对普遍大洪水思想的学者，最突出的是James Hutton，一位持自然神论观点的农场主和“河成论者”。他认为上帝不会毁掉他亲手创造的世界，提及阿尔卑斯山冰川范围更大的可能，但没有涉及气候变化的推断。Hutton将泥砾和漂砾与自己的山脉缓慢形成缓慢侵蚀的思想结合起来组成其地质学思想的主要部分。Lyell在Principles of geology的第一卷和第三卷中对我们今天所说的冰川岩屑物质成因时，提出这样一种假设：由山崩堵塞的湖中可能有冰川漂浮，在堵塞物清除后沿山谷随洪水下泄的冰川融化后曾经携带过的石块和泥沉积下来。 在Hutton和其他学者的影响下，Louis Agassiz于1840年从阿尔卑斯山的冰川发展了全面的冰川理论，冰盖范围也扩展到了整个北欧。同年，Lyell与Agassiz在苏格兰共同完成了一些野外工作后，部分接受了冰期思想。这对Lyell来说是相当难得，——接受冰期思想意味着他不得不放弃自己的与冰期思想存在本质差别的均变论原则。Lyell的成就正是第一次把理性带进地质学中，以地球缓慢的渐进作用代替了造物主一时兴起所引发的突然革命 。 Agassiz的冰期思想提出不久，法国的Joseph-Alphonse Adhémar(1842) 试图根据天文要素来解决冰期成因的理论问题，他的思想后来由苏格兰James Croll(1875)进一步发展，但这一理论的最终确立则要等到第一次世界大战以后，我们在下文会继续讨论。直到19世纪末20世纪初，Agassiz设想的多次冰期的野外证据才先后在美国和欧洲确定下来。Thomas Chamberlin和Frank Leverett领导的美国地质调查局(USGS)的工作提供了北美四大冰期的证据，命名为Nebraska、Kansas、Illinois和Wisconsin冰期。几乎同一时间，正在为博士学位论文努力工作的Albrecht Penck在阿尔卑斯山北麓的多瑙河支流河谷中的不同高度上发现了四套河成砾石，在1901-1909年间，他在与Eduard Brcükner合作的著作中正确解释了砾石的成因：砾石层是在冰期时形成的。当间冰期气候好转，河床中水流加大，先前沉积的砾石被搬走。河流继续下切把河床切割的更深更宽，然后下一次冰期时，以前形成的宽阔河床中再次砾石，如此反复。最后结果是，河谷层叠，不同高度有砾石分布，最高的砾石是最古老的。他们根据德国南部河流的名称将四次冰期由老到新命名为Gunz, Mindle, Riss和Wurm，根据瑞士境内湖泊沉积物的沉积速率和厚度比较正确地估计了间冰期的时间跨度。这样，就建立了统治20世纪前半叶全球变化研究的第四纪经典冰期理论，——当然，冰期的成因依然悬而未决。 四次冰期的说法直到1955年末都没有遇到真正挑战。1955年12月号的Journal of Geology刊登了C. Emiliani撰写的40页长文。发表时连主编L. Horberg都不相信其结果的这篇文章不仅提供了利用深海有孔虫的同位素定量恢复古温度的方法，而且温度的重建结果直观地表明在过去的60万年里至少有6次冰期-间冰期旋回。剑桥大学的Nicholas Shackleton敏锐地察觉了Emiliani这一革命性成果的致命缺陷，Emiliani认为末次冰期比现代温度低8℃，而今天的深海海水温度只有2℃。Shackleton意识到氧同位素变化的主要原因除了温度以外，更主要的是冰期时全球冰量增加造成的海水氧同位素组分变化。他在博士工作期间成功设计了一种高精度的质谱仪来测量浮游和底栖有孔虫的氧同位素，并将之拓展成重建全球冰盖体积的方法。1969年召开的国际第四纪研究联合会(INQUA)大会上，Shackleton是古生物学者John Imbrie报告的唯一听众。Imbrie根据生活在海水表层的有孔虫资料用统计学方法估计温度，而这些有孔虫壳体的同位素Shackleton又曾测量过。最终二位学者的合作促使了世界上第一张末次冰期(约21000年)以来全球海水表层温度图CLIMAP 的诞生。 几乎与深海氧同位素工作开展的同时，来自中国的风成黄土沉积与两极地区的冰芯记录也在展开。到1984年深海氧同位素时标SPECMAP发表时，过去全球变化的三大支柱(深海沉积、冰芯和黄土)都已经奠定了自己的位置。刘东生(Liu Tungsheng) 等1958年首次确认了中国黄土高原的第四纪黄土是在干冷环境中沉积而古土壤是在暖湿环境中发育的。这篇文章迅速被翻译成德文，并在1961年的华沙INQUA大会上得以阐述。黄土的风成学说及其环境研究地位是在1982年精确测定了黄土的年代之后得到公认的。1959年美国西点军校的一份学术刊物报道了格陵兰岛西北的冰芯钻探成果，揭开了上个世纪最后20年冰芯研究的宏大序幕。 到1980年代中期，全球变化的研究框架大体确定，剩下的就是如何去丰富变化的细节以加深对变化机制的理解。一切都很顺利，包括冰期成因的天文学理论经Milutin Milankovich完善后终于在1976年似乎统一了所有已经得到的观测事实，直到1980年代末。那时，从大西洋深海沉积中检出Heinrich事件，在全新世开始前Younger Dryas事件中发现格陵兰南部曾经在50年内升温7℃ ，也就是说冰期内部以及冰期向间冰期的转变统统是不稳定的，宣告气候系统的突变正式进入学术视野。 人们不得不重新检视全球变化的触发与反馈机制。此后的十多年间，对于全球变化的事实部分，更多的集中在人类作为地质营力的影响和已有事实的验证上，再无突破，热闹的是这些事实的细节，以及它们的成因：如何被触发，传递，和维持的。 1840年，Agassiz【Agassiz lake正是为了纪念此公】最早提出了冰期旋回，并使得冰期-冰川得到了学界关注。但早在Agassiz的冰期学说还在孕育的1830年，天文学家John Herschel就曾经提出地球轨道的偏心率变化可能会影响地球气候。在Agassiz(1840)的冰川理论发表之后，Joseph-Alphonse Adhémar(1842)就综合了地球轨道形状(椭圆形)、地轴的运动和地球轨道的进动提出了冰期的岁差周期(22000年)，认为由于岁差的存在使得不同半球的季节长短不一，而且可变。Adhémar建议道不论哪个半球，只要冬季长就会遭遇冰期。实际上，Siméon Denis Poisson早在1836年就指出，虽然岁差可以改变季节长短，但每个半球实际接受的年热量是相同的，可以是长但温或者短而冷的冬季，整体上一年中冬夏季接受的热量平衡。换言之，仅考虑地球运动的岁差不足以形成冰期，于是，Adhémar的理论被束之高阁。 又过了20年，James Croll在为格拉斯哥安德森学院守门期间读到了Adhémar的书，尝试着提出自己的关于冰期的理论。1876年他把自己先前的数篇文章综合成了Climate and Time. 他在Adhémar理论的基础上考虑了地球公转轨道形状，即椭圆的偏心率的变化。因为冰雪的融化需要一定的时间，Croll认为，当偏心率足够大，以至于某一半球冬季形成的冰雪不能为短而热的夏季所融化的时候，就会出现冰期，相应的另一半球气候温暖。Croll还考虑到了将天文因素带来的微不足道的太阳辐射量的变化放大的反馈机制，比如高低纬地区热量梯度增加对水循环的影响。由于反馈机制的存在，Croll赢得了大西洋对岸USGS负责人Thomas Chamberlin的支持，正是后者首先发现了冰期存在的野外证据。Chamberlin最先考虑到了沉积旋回，尤其是碳在气圈和岩石圈中循环的影响。 当来自南半球的地质记录日渐丰富并证实更新世冰期同样存在于南半球之后，Croll关于南北半球冰期间冰期对应的理论偃旗息鼓了。另外一位数学功底深厚的学者，来自贝尔格莱德大学的应用数学教授Milutin Milankovich完善了他的思想。经过大量缜密的计算， Milankovich综合考量了地球轨道偏心率(Eccentricity)、地轴倾角(Tilt)和春分点位置(Precession)的综合影响，1920年他在法国发表了过去数十万年内两个半球所接受的辐射热量的计算结果。在德国气候学家Wladimir Koppen的启发下，Milankovich(1938)考虑了已知的各种反馈过程后，公布了不同纬度接受太阳辐射量的统计图表，得到了ETP各要素的周期，最后估算了过去65万年中任一时间段冰盖的范围。其主要观点是，65°N附近夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主因 。Milankovich的计算结果中，高纬度太阳辐射量的最小值看起来与Penck的四次冰期相对应，这是这一理论取信于人的第一步。Croll-Milankovich理论 真正确立其地位是在应用谱分析和滤波技术从深海记录中检测到了100ka(E)、41ka(T)、23ka和19ka(P)的轨道周期 之后。其后，Ding(1994)的工作表明在第四纪的不同时段气候变化的主导周期各有不同，暗示了气候系统内部的复杂性。 Croll-Milankovich理论一度看起来解决了环境变化中轨道周期的成因问题，至今仍在不断有成果对之提出质疑和挑战。当冰芯中检出短尺度的气候系统突变时，寻找新的气候变化模型以刻画气候跳跃状态的特征，揭示突变的触发和传递机制以及状态的维持 成了新的必然。强调内因者提出盐度震荡机制、火山活动，重视外因者认为“亚轨道周期”和太阳活动诱发了气候不稳定。其中，Wallace Broecker提出的大洋传送带或温盐环流模式尤为引人注目。北大西洋海区，来自墨西哥湾的暖流携带高温高盐的海水到达北欧海域后，受西风带影响损失大量热量和水分，冷却浓缩下沉形成北大西洋深层水，经存在于大洋表面和内部的大洋传送带参与全球洋流循环。如果北大西洋深层水形成减弱，墨西哥湾暖流不再到达这一区域，冬季形成的海冰就可以长期存在，对欧洲进而对全球气候产生影响。相关研究表明，只要北大西洋海区的淡水通量小幅增加就会造成这一机制的显著反馈，例如来自北极地区的冰山进入大西洋，或者北美大陆冰盖边缘的冰坝湖垮塌。后者被认为是Younger Dryas事件的触发机制：当时北美Laurentide冰盖前的冰坝湖Agassiz(湖名是为纪念冰期思想的提出者Louis Agassiz)决堤，湖水经圣劳伦斯河涌入大西洋。这一假说模式的提出可以解释气候突变在北大西洋和北欧地区反映最为强烈的观测事实，而且有相对完善的传递机制，从而得到了主流学术界的认可。随着的观测事实的积累，解释气候变化轨道周期成因的Croll-Milankovich理论和阐述气候系统突变的温盐环流模式都面临相同的挑战：低纬地区和高纬地区的气候变化周期不同，高纬以10万年为主，低纬以2万年为主；南半球的气候变化可能早于北半球。这一点如果得到证实，对以北大西洋为单一敏感区的各种理论模型的威胁将是致命的：这些模型的基本假设是，气候变化的触发地区北大西洋毫无疑问是最先开始变化的。 古气候学家一边为气候事件的相位关系不断积累数据，一边也尝试着寻找新的理论模型以解释不断完善的观测细节。多数学者承认第四纪冰期由地球轨道要素变化驱动，问题在于总量不变的太阳辐射如何配置通过什么机制驱动大幅度的全球气候变化。“多驱动因子相互作用”正在逐渐取代Croll-Milankovich理论代表的单一敏感区触发驱动模型 。国内同济大学汪品先院士的团队提出的“低纬海洋驱动说”已经成为主流模式的一部分。这一假说强调了热带季风和热带海洋的作用 ，认为热带海洋是全球变化的发动机，北大西洋地区是“触发器”。迄今，所有模式在解释高纬和低纬地区的联系，南北半球的相位差、温度和CO2记录等方面关系都存在这样那样的不足，而且也缺少可以验证的预测。如何从年表-事件的时间序列-事件的空间格局（相位差）深入理解机制，正是气候学家们关注，却众说纷纭的话题。 |
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