地球同步轨道温度，地球轨道变化与气候

来源：网络浏览：84 2022-11-05 17:04:01

古气候波动一般可分为3个时间尺度：构造尺度、轨道尺度、亚轨道尺度，不同时间尺度的变化有不同的驱动机制。而轨道尺度气候变化机制研究进展最快的是，轨道尺度气候变化对太阳系各星体作用于地球的重力场的周期性扰动，以及由此引起的地球轨道参数的周期性变化和到达地球大气层顶部的太阳辐射能配置的周期性变化具有明确的驱动力对于气候系统，这种作用是“外部强迫”，可以在数学上得到更准确的计算结果。

米兰科维奇理论是从全球尺度研究太阳辐射量与地球气候关系的天文理论。该理论认为，北半球高纬夏季太阳辐射变化(地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三因素变化引起的夏季太阳辐射量变化)是驱动第四纪冰期旋回的主要因素。该理论的核心是单敏感区触发驱动机制，北半球高纬气候变化信号被放大和传输，影响全球。

米氏理论的出发点是由于天文因素的变化引起的地球轨道三要素(偏心率、地轴的倾斜、旋进)的周期性变化。地球轨道的变化进一步引起地球大气层顶部太阳辐射纬度和季节配置的周期性变化，驱动气候变化。但必须指出的是，如果将一年内大气层上部受到的太阳辐射沿不同纬度和不同季节相加，无论轨道因素如何变化，其总量始终保持不变，变化的只有其纬度和季节分配。这面临着地球轨道如何配置才能有利于冰期气候的出现的核心问题。米兰科维奇回答说，当地轴的倾斜度变小，北半球夏季地球处于远日点时有利于冰期气候的出现。可见，这种轨道要素配置与北半球高纬区夏季太阳辐射量的减少相关。因此米氏理论可以概括为： 65N附近夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主要因素。米氏理论是在20世纪40年代被提出的。那么，从历史的角度考察，这个理论是基于当时的什么观察事实呢？根据Imbrie和Imbrie的总结，当时的观察事实主要有四个。 1 )冰期旋回过程中，北半球高纬度大陆冰盖的波动幅度远大于南极冰盖。 2 )大陆冰盖沿中心向四周扩展3 )南北两半球冰盖变化具有同步性4 )全新世开始时间不超过15000aB1P ( )尽管当时还没有绝对的退休技术)。这些观察事实推翻了米兰科维奇以前Croll的冰期旋回天文理论。 Croll强调岁差的重要性，认为北半球冬季地球处于远日点时，北半球出现冰期气候，南半球出现间冰期气候。在几乎同时观察到两半球气候变化的事实面前，Croll的理论被米氏的理论超越了。通过与柯本和维格纳的讨论，米氏认识到大陆冰盖是否扩张，取决于夏天的融雪量，而不是冬天的积雪量。因此，米氏理论有三个关键词：北半球、高纬度和夏季。米氏理论的核心是强调了北半球高纬区这一敏感区。该区夏季太阳辐射量的减少会诱发冰期气候。因此，可以认为这是单因素触发模型( single forcing trigger model )。敏感地区气候偏冷时，冰雪高反射率会进一步放大、传输，影响其他地区。米兰科维奇本人在轨道参数变化、太阳辐射能量变化计算上，强调了触发机制和冰盖信号放大机制，但并未解释北半球高纬度信号通过何种机制传输到其他地区实现全球耦合。这项工作是20世纪80年代以来其他科学家完成的。其中最引人注目的是强调大气CO2浓度变化和温盐环流变化对北半球高纬信号的传递作用和两半球气候变化的耦合作用。因此，完整的米氏理论在一定程度上可以说是古气候学家集体劳动的成果。

地球同步轨道温度，地球轨道变化与气候

总的来看，侧重于解决第四纪冰期旋回动力机制的米氏理论由触发机制、放大机制、传递机制和全局耦合机制四部分组成。长期以来，古气候学家在解释古气候记录时，也往往从这个框架出发。因此，米氏理论事实上为古气候学家提供了研究范式。

米氏理论开始被接受，主要是因为获得了深海岩芯、珊瑚礁、花粉、树木年轮、冰芯等可用于研究古气候变化的地质资料。 20世纪60年代，在巴巴多斯、夏威夷和新几内亚进行的珊瑚礁研究表明，距今约8万年、10. 5万年、12. 5万年间，冰原尺寸缩小，海平面上升到较高水平，存在2. 0~2. 5万年的周期这与米兰科维奇计算的冰川曲线结果一致。另外，Emilinani从深海岩芯中获得的主要反映冰原尺寸变化的氧同位素记录也提供了这一信息。 CL IMAP计划结合一些退休技术，通过运用功率谱分析等数学方法的研究，至少表明地球气候变化的一些周期类型与地球轨道变化有关。 1978年，Pi2sias测量了深海岩芯至碳酸钙、硅、浮游动植物残骸在巴拿马盆地的累积率。硅的累积率反映近地表特殊类型生物群落的大小，其值随气候变化而增加或减少。碳化率反映了底质水对积累的碳酸盐的溶解能力。 Pisias通过功率谱分析，从整个气候记录中提取出最强的周期特征，发现碳酸盐和硅的累积率分别呈现2. 3万年和10万年周期，与岁差周期和轨道偏心率周期相近。另外，这些周期也出现在其他位点岩芯的氧同位素记录中。另外，在这样的研究中，最可靠的是Hays等的研究，他们取得了长达45万年的深海岩芯记录，发现了2. 3万年、4. 2万年、10万年周期的气候变化。在过去35万年中，这些周期一般被认为与适当的轨道周期一致。到目前为止，支持米氏理论的证据越来越多，地球轨道变化影响气候的观点被接受了。最近，在10万年到100万年时间尺度上的古气候研究中，有几个重要的发现。 1999年，Petit等人在《自然》杂志上发表了南极东方站近42万年大气和气候变化的历史资料，涵盖了最近4个冰期―间冰期旋回； epica ( europeanprojectforicecoringinantarctica )将气温距离的数据扩展到了涵盖最近8个冰期-间冰期旋转的74万年。此外，格陵兰、南极富士丘穹丘、中国古里雅冰芯记录、海洋沉积、黄土和石笋记录等也提供了宝贵的古气候资料。其中，gisp2( greenlandicesheetprojecttwo )于1993年6月钻探格陵兰岛中心，获得了最深的北半球冰芯，跨越时空长达10万年。南极富士丘巨蛋( Dome Fuji )站的最新资料长达32万年。我国国内也有许多相似的古气候变化研究，包括花粉、树木年轮、敦德和古里雅冰芯、石笋及黄土等地质资料的分析研究。

气候变化轨道驱动的发现，使古气候研究进入了定量探索变化机制的新阶段。但经典版的米兰科维奇学说只考虑了北半球高纬度地区辐射量的变化，与新发现的地质记录和热带过程在现代气候中所起的作用相矛盾。 1 )部分低纬地区无明显10

以2万年差周期为主，而不是以万年冰量周期为主，表明北半球冰盖扩张、收缩变化并未完全控制低纬区气候变化； 2 )近几次冰期南半球和低纬区温度升高，应早于北半球冰盖融化，表明冰期触发机制不是北半球高纬夏季太阳辐射；

3 )第2冰期大气CO2浓度的增加与南极升温一致，表明此时大气CO2浓度的增加可能也早于北半球冰盖融化； 4 )南半球末次冰期可能早于北半球。

我们讨论米氏理论的正确性时，面临的第一个问题是北半球高纬夏季太阳辐射变化在冰期旋回过程中起了多大的作用。如果说晚第四纪气候变化的10万年周期主要来自北半球的冰盖变化，那么从10万年周期分布范围来看，北半球高纬夏季的太阳辐射变化应该起到了非常重要的作用，但并不是全部作用。由于2万年差周期存在于诸多记录中，表明低纬地区，因此，米氏理论所主张的单敏感区触发驱动机制并不成立。有学者基于大气CO2浓度变化可能先于冰量变化的现象，提出冰期旋回是由CO2浓度变化驱动的。 CO2变化曲线目前仅来自南极冰芯，但北极冰芯大气粉尘中碳酸盐含量高，难以获得可靠的CO2曲线，限制了对轨道尺度大气CO2浓度变化的完全理解。从南极现有记录来看，很难确定CO2浓度变化与温度变化是否存在统一的相位关系，这是因为CO2气体在冰芯上存在封闭深度不确定的弱点。因此，只能认为全球大气CO2浓度的变化与南极的气温变化几乎同时发生。如果用太阳辐射变化驱动CO2浓度变化进而驱动全球变暖的机制解释晚第四纪冰期旋回，不难解释高纬和低纬主导周期不同的现象。因此，将CO2浓度变化视为扩增机制而不是触发机制似乎更合理。米氏理论面临的第二个问题是气候信号的放大机制。冰盖扩张(包括海冰)和大气温室气体浓度下降无疑是冰期气候形成最重要的扩展机制。另外，海平面下降引起的陆地露出、植被复盖面积和植被类型的变化等陆地过程也应该发挥着重要的作用。目前的问题是没有可靠的手段来定量评估这些扩增机制的相对重要性。气候信号的放大过程也是其传输过程，这涉及到讨论米氏理论需要面对的第三个问题，即传输机制。过去，北大西洋深层流的变化被认为是北半球高纬信号传输到南半球高纬区的最重要机制。但南半球冰消期增温快于冰量变化，因此这种输运机制至少在冰消期不存在。最近，有学者测量了南大洋沉积的Nd同位素、氧同位素和碳同位素，并将它们分别视为不同源区深层海水、全球冰量和大洋碳循环的替代指标，结果表明，在末次冰期开始阶段，这三者的相位关系是冰量变化最早，碳循环次之，NADW 在冰期的开始阶段，目前没有证据证明南极的气温下降早于北极冰盖的扩张，因此不能完全排除NADW在发送北极冰盖扩张信号中的作用。

至此，米氏理论的单一触发机制基本可以认定难以全面解释世界晚第四纪气候变化。这意味着需要发展新的理论框架来解释新的观察事实，从而面临新的研究机遇。直到现在，大部分学者都认同第四纪冰期旋回是由天文因素引起的地球轨道变化所驱动的，争论的焦点是在太阳辐射总量基本不变的情况下，太阳辐射的纬度构型和季节构型的变化是由什么机制驱动着如此大幅度的全球变暖。由于米氏理论的局限性，新的理论假说被提出。这里介绍两派的重要观点。一派是“热带驱动说”。这个假说强调热带的作用，其基本理论框架如下。低纬度太阳辐射的变化驱动季风的变化，季风的变化通过控制地表岩石的风化强度，进而控制到达海洋的硅通量，硅通量控制海洋硅藻的生产力，进而控制有机碳的沉积，然后影响大洋碳循环来驱动全球变暖。这一假说与米氏理论不同，它增强了低纬度夏季太阳辐射的触发驱动作用，但需要进一步解释低纬度变化如何导致高纬度冰盖变化10万年的冰量周期。无论如何，这一假说都将促使我们更深入地思考热带季风和热带海洋的作用，如果能在高低纬相互作用方面取得进一步发展，它有可能成为主导理论。另一个假说主要是冰期的设计，这是从冰期南极增温和大气CO2浓度上升均超前于北极冰盖融化的观察事实出发的。其具体机制如下。冰盛时，北半球夏天的太阳辐射处于低值，而南半球夏天的太阳辐射处于高值。南半球高纬度夏季太阳辐射的上升将促使南极冰盖边缘和海冰融化，进而削弱“生物泵”的作用，使大气CO2浓度开始上升。同时，北极冰盖已达到最大值，形成“海基”冰盖，对温度变化极为敏感。有些冰盖已经在平衡线之下。另一方面，大气CO2浓度升高引起全球温度升高，诱发北极冰盖融化，北极冰盖部分融化后，由于地壳反弹作用滞后，冰盖对温升的敏感性进一步提高，北半球夏季太阳辐射也增加，促使冰盖进一步融化这一假说只与冰期的消除有关，但暗含着冰期旋回不同阶段可能有不同驱动机制的逻辑推理。