PDF《气候演变中的冰和碳》

3 年内 增加

1 倍的突变事件[11] .即便近千年来气候历史 中最为引人注目的事件 ,也还是

1450 ―

1850 年以欧 洲冰进为标志的 小冰期 [12] .冰期内部贯穿着千 年等级的气候事件 ,无论是从海底冰碛物发现的 Heinrich 事件,还是从冰芯中发现的Dansgaard/ Oeschger 事件 , 其实都是与北极冰盖不稳定性相 关[13] ,北美或者西欧冰盖边缘崩解而扩散出来的冰 山 ,影响着全球的气候系统[14] .这里的关键环节 , 在于北大西洋深层水 (NADW) 的形成.学术界把世 界大洋三维空间的环流系统比作 大洋传送带 ,西欧、 北美之间形成北大西洋深层水的高纬海区正是 传送带 的枢纽所在 ,表层水温度或盐度的少量变 化都会影响 深层水 的形成 ,进而通过 传送带 影 响全球气候.这种影响不仅在千年和冰期旋回的长 尺度上起作用 , 也是当前气候变化中的重要因 素[15] .除此之外还有面积比陆地冰盖大得多的海 冰 ,目前北冰洋上冬季海冰面积平均

1 300 万km2 , 南大洋上

1 800 万km2 ,而大陆冰盖只有

1 500 万km2 .海冰由高纬区向低纬区扩散、 融化 ,其输出量 呈现明显的年度变化 ,产生着全球性的影响[16] .可见,冰作为地球系统的一大要素 ,在各个时间尺度上 都至为重要.

2 地球上的碳和二氧化碳 如果说关于古冰川的假说早在

18 世纪末期已 经提出 ,那么大气 CO2 的变化要到

20 世纪晚期 ,尤 其是近一二十年来随着 温室效应 和 全球变暖 的 忧虑 ,方才引起学术界的注意.夏威夷上空从

1958 年开始实测的大气 CO2浓度 ,每年以大于

1 *

10 -

6 的 速度节节上升(图3A) ,目前的浓度 (

360 * 10-

6 ) 不 仅是工业化以前 (

180 *

10 -

6 ) 的两倍 ,而且已经远 远超过至少近

40 万年来的最高纪录 (图3B) ① .大气CO2的直接化石纪录很少 ,南极冰芯气泡中大气 成分的

42 万年纪录 , 是碳循环演变最有力的证 据[17] ;

其中 CO2 和氧同位素显示出同样的冰期旋 回 ,向学术界提出了 为什么 CO2和冰盖一道变化 的严肃科学问题[18] .同时 ,大气 CO2浓度的增加明 显少于化石燃料燃烧的释出量(如80 年代总共释出

55 亿t,大气中只增加

33 亿t) [19] ,又驱使学术界去 追踪地球表层的碳循环.地球表层系统中的碳 ,分 布在大气圈、 陆地生物圈、 大洋水圈、 岩石圈各个圈 层里 ,通过各种过程相互交换 ,密度越大的圈层里碳 储量越大 ,但交换的速率越慢.比如说 ,大气圈与陆 地生物圈、 表层海水之间的碳交换是在

100 ~102 年 的尺度以内 ,但大气圈的碳储量只有

7 000 亿t;

岩 石圈的碳储量比大气圈高出近万倍 ,但通过板块俯 冲或者高原隆升放出或消耗 CO2的循环长达

107 年 以上(图4) [20] . 不过冰芯里的 CO2纪录毕竟有限 ,要了解地质 时期里碳循环的变化 ,还得借助于各种替代性指标. 碳循环穿越地球各个圈层 ,而其中最敏感的还是有 机和无机碳之间的转换.工业化以来释放的一部分 CO2 失踪 ,主要就是通过海水表层浮游生物的 生 物泵 送进了海底的岩石圈.由此推想 ,冰期时大气 CO2下降 ,也应该是海洋生产力大幅度增高的后果. 为此 ,学术界提出了种种方法再造古海水表层的溶 解CO2浓度 ,来加以验证 ;

而利用特定有机化合物的 碳同位素值 ,可能是其中最有前景的方法[21] .因为 碳在各个圈层里转换时发生同位素分馏 ,地质纪录 里的δ