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地质学史视野中的全球变化研究(二)：理论-模型
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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 Köppen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冰盖上的冰坝湖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 ，其中同济大学汪品先院士的团队提出的“热带海洋驱动说”已经显示出成为主流模式的潜力。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”。美中不足的是，在解释高纬和低纬地区的联系上这一新生模式还不够完善，而且也缺少假设以资验证，局限于解释现有的观测事实。 [ Last edited by gzsoger on 2007-4-8 at 09:50 ] |
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