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米蘭科維奇理論

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米蘭科維奇理論即是從全球尺度上研究日射量與地球氣候之間關係的天文理論。這個理論的核心是單一敏感區的觸發驅動機制,即北半球高緯氣候變化信號被放大、傳輸進而影響全球。

1 米蘭科維奇理論 -1.引言

  古氣候變化一般被劃分成3個時間尺度:構造尺度、軌道尺度和亞軌道尺度,並且每個時間尺度變化各有不同的驅動機制。相比而言,軌道尺度氣候變化機制的研究最為深入,這是因為軌道尺度氣候變化具有明確的驅動力,即太陽系各星體作用於地球的引力場的周期性攝動,及由此引起的地球軌道參數的周期性變化和到達地球大氣圈頂部太陽輻射能量配置的周期性改變。相對氣候系統而言,此作用為「外強迫」( external forcing) ,並可在數學上得到較為精確的計算結果。
  米蘭科維奇理論即是從全球尺度上研究日射量與地球氣候之間關係的天文理論。該理論認為,北半球高緯夏季太陽輻射變化(地球軌道偏心率、黃赤交角及歲差等三要素變化引起的夏季日射量變化)是驅動第四紀冰期旋迴的主因。這個理論的核心是單一敏感區的觸發驅動機制,即北半球高緯氣候變化信號被放大、傳輸進而影響全球。

2 米蘭科維奇理論 -2.作為一種研究範式的米氏理論

  米氏理論的起點是天文因素變化導致的地球軌道三要素(偏心率、地軸傾斜度、歲差)的周期性變化。地球軌道變化進一步引起地球大氣圈頂部太陽輻射緯度配置和季節配置的周期性變化,從而驅動氣候波動。但必須指出,如果將一年內大氣圈頂部接受的太陽輻射沿不同緯度及不同季節加和的話,則不管軌道要素如何變化,其總量總是基本不變的,而變化的只是其緯度分配和季節分配。這就面臨一個核心問題:地球軌道怎樣的配置才有利冰期氣候的出現? 對此,米蘭科維奇的回答是,當地軸傾斜度減小,北半球夏季地球處在遠日點時有利於冰期氣候的出現。可以看出,這樣的軌道要素配置將導致北半球高緯區夏季太陽輻射量的減小。因此,米氏理論可以概括為: 65°N附近夏季太陽輻射變化是驅動第四紀冰期旋迴的主因。米氏理論是20世紀40年代提出的。那麼,從歷史的角度考察,這個理論又是基於當時什麼樣的觀察事實呢? 根據Imbrie和Imbrie的總結,當時的觀察事實主要有4 條: 1)冰期旋迴過程中,北半球高緯度大陸冰蓋的變動幅度遠大於南極冰蓋;2)大陸冰蓋是沿中心向四周擴張的; 3)南北兩半球冰蓋變化有同時性; 4 ) 全新世開始時間不超過15000aB1P. (儘管當時還沒有絕對定年技術) 。這些觀察事實顛覆了米蘭科維奇之前Croll的冰期旋迴天文理論。Croll強調了歲差的重要性,認為當北半球冬季地球處於遠日點時,北半球出現冰期氣候,而南半球出現間冰期氣候。在兩半球氣候變化基本同時的觀察事實面前, Croll的理論被米氏理論所超越。米氏同時通過與柯本和魏格納的討論,獲得這樣的認識:大陸冰蓋是否擴張,不取決於冬季積雪量,而取決於夏季的融雪量。因此,米氏理論有3個關鍵詞,分別為北半球、高緯度、夏季。米氏理論的核心是強調了一個敏感區,即北半球高緯區。此區夏季太陽輻射量的減小將觸發冰期氣候。因此, 可視其為單因素觸發模型( single forcing trigger model) 。敏感區內氣候變冷后,由於冰雪的高反照率,其信號被進一步放大、傳輸,進而影響其他地區。米蘭科維奇本人在軌道參數變化、太陽輻射能量變化計算的基礎上,著重強調了觸發機制和冰蓋的信號放大機制,但他並沒有說明北半球高緯度信號通過什麼機制被傳輸(p ropagation)到其他地區以至實現全球耦合的。這方面工作從20世紀80年代以來,由其他科學家完成。其中最引人矚目的是強調大氣CO2濃度變化和溫鹽環流變化對北半球高緯信號的傳輸作用和兩半球氣候變化的耦合作用。因此,在某種程度上可以這樣說,完整的米氏理論是古氣候學家集體勞動的成果。
  總的看來,著重於解決第四紀冰期旋迴動力機制的米氏理論由觸發機制、放大機制、傳輸機制和全球耦合機制這4個部分組成。長期以來,古氣候學家在解釋古氣候記錄時,也往往從這個框架出發。因此,米氏理論事實上為古氣候學家提供了一種研究範式。

3 米蘭科維奇理論 -3.氣候變化軌道驅動的若干重要證據

  米氏理論之所以能逐漸被接受,主要歸功於可用來研究古氣候變化的地質資料的獲得,其中包括深海岩芯、珊瑚礁、花粉、樹木年輪、冰芯等。20世紀60年代,在巴貝多島、夏威夷和新幾內亞進行的珊瑚礁研究表明,在距今約8萬年、10. 5萬年和12. 5萬年時期,冰原尺寸縮小,海平面上升到較高水平,且存在一個2. 0~2. 5萬年的周期,這與米蘭科維奇計算的冰川曲線結果一致。另外,Emilinani從深海岩芯得到的主要反映冰原尺寸變化的氧同位素記錄也提供了此類信息。CL IMAP計劃,結合幾種定年技術,採用功率譜分析等數學方法進行的研究表明,至少地球氣候變化的某些周期類型與地球軌道變化有關。1978年, Pi2sias從深海岩芯中測量了碳酸鈣、硅、浮遊動植物殘骸在巴拿馬盆地的累積率。硅的累積率反映近地表特殊類別的生物群落的大小,其值隨著氣候變化而增加或減小。碳化率則反映了底層水對累積的碳酸鹽的溶解能力。Pisias通過功率譜分析,從整個氣候記錄中抽取最強的周期特徵,發現碳酸鹽和硅的累積率分別表現出一個2. 3萬年和10萬年周期,與歲差周期和軌道偏心率周期接近。另外,這些周期也出現在另一站點岩芯的氧同位素記錄中。應當指出的是, 在此類研究中, 最具可信度的要屬Hays等的研究,他們獲取了跨度為45萬年的深海岩芯記錄,發現了2. 3萬年、4. 2萬年和10萬年周期的氣候變化;並認為,在過去的35萬年裡,這些周期一
  般來說都與適當的軌道周期步調一致。至此,越來越多的證據支持米氏理論,地球軌道變化影響氣候的觀點開始被接受。 最近,在10萬到百萬年時間尺度上的古氣候研究中,有若干重要的發現。1999年, Petit等在《自然》雜誌上發表了南極東方站過去42萬年大氣和氣候變化的歷史資料,涵蓋了最近的4個冰期—間冰期旋迴; EP ICA ( European Project for Ice Coring in Antarctica)更將氣溫距平資料擴展到涵蓋最近8個冰期—間冰期旋迴的74萬年。另外,格陵蘭、南極富士丘穹以及中國的古里雅冰芯記錄、海洋沉積、黃土和石筍記錄等也給出了寶貴的古氣候資料。其中, GISP2 (Greenland Ice Sheet Project Two)於1993年6月在格陵蘭中心的鑽探,得到了最深的北半球冰芯,跨時為10萬年。南極富士丘穹(Dome Fuji)站的最新資料跨時32萬年。中國國內也有很多類似的古氣候變化研究, 包括對孢粉、樹木年輪、敦德與古里雅冰芯、石筍以及黃土等地質資料的分析研究。

4 米蘭科維奇理論 -4.主要問題與討論

  氣候變化軌道驅動的發現,使古氣候研究進入了定量探索變化機理的新階段。然而經典版本的米蘭科維奇學說只考慮北半球高緯區的輻射量變化,與新發現的地質記錄和熱帶過程在現代氣候中所起的作用相矛盾。1)一些低緯地區並沒有明顯的10
  萬年冰量周期,而是以2萬年歲差周期為主,表明北半球冰蓋的擴張、收縮變化並沒有完全控制低緯區的氣候變化; 2)在最近幾次冰消期時,南半球和低緯區的溫度增高,要早於北半球冰蓋的融化,表明冰消期的觸發機制並非是北半球高緯夏季太陽輻射;
  3)大氣CO2濃度在第2冰消期的增加同南極升溫相一致,表明該時大氣CO2濃度增加亦有可能早於北半球冰蓋消融; 4)南半球的末次冰盛期有可能早於北半球。
  當我們討論米氏理論正確性時,面臨的第1個問題是:北半球高緯夏季太陽輻射變化到底在冰期旋迴過程中起到了多大的作用? 如果我們承認晚第四紀氣候變化的10萬年周期主要源於北半球冰蓋變化,那麼,從10萬年周期所分佈的範圍來看,北半球高緯夏季太陽輻射變化應起到了十分重要的作用,但不是全部作用,因為2萬年歲差周期在許多記錄中的存在,說明低緯地區(至少是部分地區)氣候旋迴受局地太陽輻射變化所驅動。因此,如米氏理論所主張的單一敏感區觸發驅動機制是不成立的。有的學者根據大氣CO2濃度變化有可能超前於冰量變化的現象,主張冰期旋迴由CO2濃度變化所驅動。CO2變化曲線目前只有來自南極冰芯,而北
  極由於冰芯包含的大氣粉塵中碳酸鹽含量較高而難以得到可靠的CO2曲線,因此,限制了對軌道尺度大氣CO2濃度變化的完整理解。從南極已有的記錄來看,很難說CO2濃度變化同溫度變化是否存在統一的相位關係,這是因為CO2氣體在冰芯中有一封閉深度不甚確定的弱點。因此,只能大致認為全球大氣CO2濃度變化同南極氣溫變化基本同時。如果用太陽輻射變化驅動CO2濃度變化,進而驅動全球氣候變化這樣的機制來解釋晚第四紀冰期旋迴,那麼我們將不易解釋高緯和低緯主導周期不同的現象。因此,將CO2濃度變化視作放大機制而非觸發機制似乎更為合理。米氏理論面臨的第2個問題是氣候信號的放大機制。冰蓋擴張(包括海冰)和大氣溫室氣體濃度下降肯定是冰期氣候形成的最為重要的放大機制,此外,海平面下降引起的陸地暴露以及植被覆蓋面
  積和植被類型的變化等陸面過程亦應扮演了重要角色。現在的問題是,我們尚無可靠的手段,來定量評價這些放大機制的相對重要性。氣候信號的放大過程亦是其傳輸過程,這就涉及到討論米氏理論需面對的第3個問題,即傳輸機制。過去,北大西洋深層流變化,被視為將北半球高緯信號傳輸到南半球高緯區最為重要的機制。但南半球在冰消期的增溫要早於冰量變化,因此,此傳輸機制至少在冰消期就不可能存在了。最近,有的學者測定了南大洋沉積的Nd同位素、氧同位素和碳同位素,並將它們分別視作不同源區的深層海水、全球冰量和大洋碳循環的替代性指標,結果發現在末次冰期開始階段,這三者的相位關係是:冰量變化最早,碳循環次之, NADW 變化最晚。在冰期開始階段,目前尚無南極氣溫降低早於北極冰蓋擴張的證據,因此,我們尚不能完全排除NADW 在傳輸北極冰蓋擴張信號上的作用。
  至此,我們可以基本認定,米氏理論的單一觸發機制,已難以全面解釋全球晚第四紀氣候變化。這就意味著需研製新的理論框架,以解釋新的觀察事實,因此說,我們正面臨新的研究機遇。到目前為止,大部分學者承認第四紀冰期旋迴由天文因素引起的地球軌道變化所驅動,爭議之處在於太陽輻射總量基本不變的情況下,太陽輻射的緯度配置和季節配置變化通過什麼機制驅動如此大幅度的全球氣候變化。因為米氏理論的局限性,新的理論假說正在被提出。這裡,介紹兩派重要的觀點。一派為「熱帶驅動說」。這類假說強調熱帶的作用,其基本理論框架如下:低緯太陽輻射變化驅動季風變化,季風變化控制地表岩石的風化強度,進而控制到達海洋的硅通量,硅通量控制了海洋硅藻的生產率,進而控制有機碳的沉積,然後通過影響大洋碳循環驅動全球氣候變化。這派假說與米氏理論不同,強度了低緯夏季太陽輻射的觸發驅動作用,但它還需要進一步解釋低緯度變化如何導致高緯冰蓋變化的
  10萬年冰量周期。無論如何,這派假說促使人們更深入地思考熱帶季風和熱帶海洋的作用,如果在高低緯相互作用上能延伸一步,它將有可能成為一主導性理論。另一派假說主要為冰消期設計,它從冰消期時南極增溫和大氣CO2濃度增高超前於北極冰蓋融化這個觀察事實出發。其具體機制如下:冰盛期時,北半球夏季太陽輻射處於低值,而南半球夏季太陽輻射處於高值,南半球高緯夏季太陽輻射的提高促使南極冰蓋外緣及海冰融化,進而使「生物泵」的作用減弱,導致大氣CO2濃度開始增高; 與此同時,北極冰蓋已達到最大值,形成「海基」冰蓋,並處在對溫度變化極其敏感的狀態(一部分冰蓋已在平衡線之下) ,而大氣CO2濃度的增高可導致全球升溫,從而觸發北極冰蓋開始融化,北極冰蓋部分融化后,由於地殼反彈作用的滯后,冰蓋對溫度增加的敏感性進一步加強,而此時北半球夏季太陽輻射也開始增加,從而促使冰蓋進一步消融。這派假說考慮了南北兩半球高緯氣候的相互作用,但沒有考慮熱帶的重要性。儘管該假說只涉及到冰消期,但它暗含了一個邏輯推論,即冰期旋迴的不同階段有可能有不同的驅動機制。

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