PDF《气候演变中的冰和碳》

气候演变中的冰和碳 汪品先 (同济大学 海洋地质教育部重点实验室 ,上海 200092) 摘要:地质历史上充满着冰盖消长( 暖室期 和 冰室期 , 冰期 和 间冰期 ) 与大气 CO2增减的周 期性变化 ,而两者之间的关系并不清楚.

由于冰盖变化的地质标志比大气 CO2变化的标志容易认识 , 长期以来古气候研究侧重 冰 ,而对 碳 即碳循环的研究不足 ,通常将碳循环的变化解释为冰盖变化 的结果.近年来越来越多的发现表明 ,单纯用水循环的物理过程不能解释冰盖演变的许多现象 ,而且 大气 CO2变化往往领先于冰盖.揭示碳循环变化对冰盖演变的影响 ,认识生物地球化学过程在冰期 旋回中的作用 ,将不同纬区对地球轨道驱动全球气候的影响区分开来 ,才有可能正确预测未来气候的 演变方向. 关键词 :冰期旋回 ;

碳循环 ;

地球气候系统 ;

温室效应 ;

地球轨道周期 中图分类号 :P46 ;

X142 文献标识码 :A 文章编号 :1005 2321(2002)

01 0085

09 收稿日期 :2001

11 05 基金项目 :国家自然科学基金项目(49999560) ;

国家重点基础研究 项目(2000078505) 作者简介 :汪品先(1936 ― ) ,男 ,教授 ,中国科学院院士 ,从事海 洋地质和微体古生物研究 ,近年来重点探讨南海古海洋学演变. 冰碳不同器而久 寒暑不同时而至 ― ― ― 韩非子 显学 地球表层是一个 冰碳同器 的系统 ,因此就难 以 久 而不变 ;

它不仅有我们熟悉的寒来暑往 ,而且 整个系统经历着种种不同的变化旋回.这里说的 冰 指的是冰盖的涨缩 , 碳 指的是碳元素的赋存 , 首先指大气里的二氧化碳.地球表层的水热循环主 要是物理过程 ,冰是其中的关键 ;

而碳循环则是生物 地球化学过程.气候演变 ,其实就是地球表层这两 种过程的交织.不过二氧化碳不如冰那样直观 ,地 质纪录也比冰更加间接 ,因此对气候演变的研究容易 顾此失彼 ,往往重冰而轻碳 ,重视物理过程而忽略化 学过程.近十年来 全球变化 ① 和 地球系统过程 ② 研究的进展 ,为 冰 和 碳 所代表的两种过程在地 球系统中的作用和相互关系提供了新的认识 ,这也 就是本文试图探讨的主题.

1 地球上的冰和冰期 依据冰碛物和化石 ,科学界早就发现巨大的北 极冰盖曾经反复出现 ,这不仅是研究古气候旋回的 开端 ,也为研究第四纪地质提供了主线.两万年前 的末次大冰期 ,数km 厚的冰盖笼罩着地球表面三 分之一的陆地 ,不但导致了海面下降 ,大气和海洋环 流改组 ,而且改变了整个地球表层系统的状态 ,直至 今日许多地貌特征还没有完全恢复过来.关于地球 运行轨道周期性变化的米兰科维奇学说 ,为第四纪 冰期旋回提供了理论解释 ,同时也表明地球系统具 有 自我调节 功能 ,能够通过内反馈机制 ,使冰期/ 间冰期的变化控制在一定的范围以内.然而 ,冰期 旋回并不是简单的重复.在90 万年 ( 中更新世革 命 ) 前 ,北半球大冰盖维持增长趋势的期限不过

4 万年 ,然后冰盖融化、 收缩 ,进入间冰期 ;

90 万年以 来 ,大冰盖维持的期限变长 ,约10 万年以后方才融 化、 收缩[1] ;

而大约

64 万年以来北半球冰盖体积大 增 ,以至出现了高山冰川也能纪录的群智 ( Gü nz) 、 明德(Mindel) 、 里斯 ( Riss) 、 玉木 ( Wü rm) 等 四大冰 ① ② Earth System Processes ,24 ―