溫室氣體伴同冷水的深海循環(huán)：冰期時(shí)代的溫室氣體去向
楊學(xué)祥，楊冬紅
關(guān)鍵詞：氣候變化，溫室效應(yīng)，潮汐效應(yīng)，“海底藏冷效應(yīng)”，太陽活動(dòng)
一、20世紀(jì)的升溫可能標(biāo)志著氣候變化千年周期中的下一個(gè)溫暖期的開始
學(xué)者王寧練，姚檀棟和邵雪梅在2001年對20世紀(jì)氣候變化原因存在的爭議進(jìn)行了綜合分析，指出盡管氣候變化的“溫室氣體理論”還存在許多來自冰芯和地質(zhì)證據(jù)的沖擊，然而大氣溫室氣體含量增加對于氣溫的放大作用是肯定的。結(jié)合溫室氣體含量與氣候變化這一論題，指出目前應(yīng)重視的一些研究內(nèi)容。同時(shí)簡要分析了不同時(shí)間尺度氣候變化的原因，認(rèn)為太陽活動(dòng)與地球氣候系統(tǒng)之間關(guān)系研究將是一個(gè)活躍的領(lǐng)域。
氣候變化的原因在不同時(shí)間尺度、不同時(shí)期是不同的。例如Mann等利用冰心、樹輪、歷史記錄、珊瑚等資料，高分辨率地重建了過去600年來北半球的氣溫變化，并通過統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為北半球氣溫波動(dòng)在17世紀(jì)主要受太陽活動(dòng)的影響，在18世紀(jì)和19世紀(jì)主要受火山活動(dòng)的影響，而在20世紀(jì)主要受溫室氣體含量變化的影響。
然而，20世紀(jì)氣溫是在波動(dòng)中上升的，這一事實(shí)是同期穩(wěn)定上升的溫室氣體含量變化不能完全解釋的。Rind發(fā)現(xiàn)過去100多年全球海面溫度變化與太陽黑子數(shù)的包絡(luò)趨勢相一致，這一結(jié)果給氣候變化的“溫室氣體理論”帶來很大的沖擊。之后，Friis-Christensen等假定太陽的黑子周期長度可以作為太陽活動(dòng)的一個(gè)指標(biāo)，并且黑子周期長度越長，表明太陽活動(dòng)越弱，反之則表明太陽活動(dòng)越強(qiáng)。他們將北半球陸地觀測到的氣溫變化與太陽黑子長度變化進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者存在相當(dāng)一致的變化，1865-1985年兩系列變化之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95.Cliver等研究發(fā)現(xiàn)，1880年以來太陽活動(dòng)的aa指標(biāo)與全球氣候之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9。最近的模擬研究結(jié)果表明，20世紀(jì)氣候變化存在人類活動(dòng)的影響，同時(shí)只有將自然因素與人為因素相結(jié)合才能正確解釋這一時(shí)期的氣候變化，并且可以解釋20世紀(jì)觀測到的年代際氣候變化的80%以上（見圖1）。
圖1 1860至1989年北半球氣溫變化曲線和太陽黑子周期的長度變化曲線對比
根據(jù)更長時(shí)期氣候變化的研究結(jié)果，現(xiàn)在對于20世紀(jì)氣候變化的原因又增加了氣候千年尺度周期變化影響的可能性。對于高分辨率格陵蘭冰芯記錄和深海沉積記錄的研究，發(fā)現(xiàn)其中1500年左右的周期一直從末次冰期延伸至全新世，并且現(xiàn)在仍在繼續(xù)，那么20世紀(jì)的升溫可能標(biāo)志著該千年周期中的下一個(gè)溫暖期的開始[1]？
我們的研究表明，事實(shí)正是如此。
二、1500-1800年潮汐周期與全球氣候變化
在十五世紀(jì)至十七世紀(jì)的二百余年內(nèi)，全球強(qiáng)震發(fā)生頻繁，其它自然災(zāi)害也很集中，如瘟疫流行，低溫凍害嚴(yán)重，被稱為小冰期時(shí)期。這個(gè)時(shí)期也正是太陽黑子蒙德極小值時(shí)期，太陽活動(dòng)處于低值狀態(tài)，有人把它看作是小冰期氣候產(chǎn)生的原因。小冰期氣候是瑪雅文明消失的原因。
1997年邦德通過分析大西洋底的沉積層，發(fā)現(xiàn)地球的寒冷期和溫暖期出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)，波動(dòng)周期大約為1500~1800年。
2000年加州大學(xué)圣地亞哥分校海洋學(xué)研究所的查爾斯. 季林說，月球通過影響地球上的潮汐使地球的溫度上升，是地球的恒溫器。季林認(rèn)為，地球、月亮和太陽相對位置的變化會(huì)引起潮汐強(qiáng)度的逐漸變化，其周期與邦德提出的“氣候周期”是一致的。當(dāng)日、地、月排成一線且相互距離最小時(shí)，日月引潮力相互加強(qiáng)而變?yōu)樽畲螅厍蚝Ｑ蟪毕?guī)模也最大，這時(shí)就有更多來自海洋深處的冷水被帶到海面。這些冷水可以冷卻海洋上的空氣。當(dāng)日、地連成的直線與月、地連成的直線相互垂直時(shí)，太陽潮汐減弱月球潮汐，使地球海洋潮汐變小，這時(shí)海洋深處的冷水很難被帶到海面，世界就變得暖和。據(jù)季林的計(jì)算，大約在1425年即小冰期的末期，潮汐達(dá)到了最大值，從那以后逐漸減弱，直到3100年潮汐又達(dá)到最大值。這個(gè)周期是過去1萬年氣候變遷的主要?jiǎng)恿Α＿@個(gè)效應(yīng)使地球的溫暖期從小冰期末期一直持續(xù)到24世紀(jì)，而后隨著潮汐的增強(qiáng)，地球的氣候?qū)⒅饾u變冷（見圖2）。
潮汐高低潮還有200年左右的明顯周期變化。其中，1425年、1629年兩次峰值對應(yīng)小冰期時(shí)期，1770年的峰值對應(yīng)18世紀(jì)的低溫，1974年的峰值對應(yīng)20世紀(jì)70年代的氣候變冷。特別是54-56年周期（“太平洋十年濤動(dòng)”周期，英文縮寫為PDO），在全球氣候變化中有非常明顯的作用。
過去5000年間，太陽活動(dòng)較弱或沒有的時(shí)期與歷史記錄中的冷期相對應(yīng)。太陽活動(dòng)減弱的主要時(shí)期有：奧特極小期，沃爾夫極小期，史玻勒爾極小期和蒙德極小期。最近發(fā)現(xiàn)，潮汐、火山活動(dòng)與太陽活動(dòng)有相同的200年的周期，與200年氣候周期相對應(yīng)。
圖2 潮汐強(qiáng)度變化的1800年周期（據(jù)Charles D. Keeling and Timothy P.Whorf，2000）
表1 太陽活動(dòng)、火山噴發(fā)、強(qiáng)潮汐和低溫期對應(yīng)的200年周期
太陽黑子延長極小期 | 時(shí)間（年） | 壞天 時(shí)代 | 潮汐極大年時(shí)間 | 火山活躍時(shí)間 | 全球 氣溫 |
歐特 | 1040-1080 | 1010-1110 | 1062 | ？？ | 低溫 |
沃爾夫 | 1280-1350 | 1165-1360 | 1264 | 1275-1300 | 小冰期 |
史玻勒 | 1450-1550 | 1420-1525 | 1425 | 1440-1460 1470-1490 | 小冰期 |
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| 1570-1600 |
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蒙德 | 1640-1720 | 1600-1725 | 1629 | 1640-1680 | 小冰期 |
道爾頓 | 1790-1830 | 1790-1915 | 1770 | 1810-1820 | 小冰期 |
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| 1850-1860 1870-1890 1900-1920 |
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21世紀(jì) | 2007-？？ | 1997-？？ | 1974 | 1980-?? | 低溫？ |
注：數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[7，25，46]。
表2 自1890年以來特大地震、氣候變化和PDO冷位相對應(yīng)關(guān)系的準(zhǔn)60年周期
年代 | 8.5級以上地震次數(shù) | 全球9級以 上地震次數(shù) | PDO時(shí)間位相 | 氣候冷暖 | |
全球 | 中國 | ||||
1890-1924 | 6（4） | 1 | 0 | 1890-1924冷 | 低溫期 |
1925-1945 | 1（1） | 0 | 0 | 1925-1946暖 | 溫暖期 |
1946-1977 | 11（7） | 1 | 4 | 1957-1976冷 | 低溫期 |
1978-1999 | 0（0） | 0 | 0 | 1977-1999暖 | 溫暖期 |
2000-2012 | 6（6） | 0 | 2 | 2000-2030冷 | 低溫期？ |
注：括號內(nèi)為國外數(shù)據(jù)，？表示預(yù)測。
國內(nèi)外相關(guān)研究表明，太陽黑子周期長度的變化與地球冷暖變化也具有相關(guān)性。湯懋蒼等人指出，依據(jù)太陽黑子周期長度(SCL)資料，將過去2500年分為"好天時(shí)代"(SCL＜11年)和"壞天時(shí)代"(SCL＞11年)，發(fā)現(xiàn)在"壞天時(shí)代"中國旱災(zāi)頻率顯著高于"好天時(shí)代"。"好(壞)天世紀(jì)"與氣候暖(冷)期有好的對應(yīng)；太陽黑子延長極小期、冷氣候和SCL 長(即壞天時(shí)代)的對應(yīng)關(guān)系見表1。這表明，SCL長，太陽活動(dòng)弱，全球氣溫降低，太陽黑子延長極小期和SCL長（壞天時(shí)代）一一對應(yīng)。從公元850年起，我們可以確定的太陽黑子延長極小期就有5次之多，它們與潮汐最大值對應(yīng)，與低溫和小冰期對應(yīng)。值得注意的是，1890-1924年和1947-1976年拉馬德雷冷位相時(shí)期與太陽黑子周期長度谷值相對應(yīng)，1925-1946年和1977-1999年拉馬德雷暖位相時(shí)期與太陽黑子周期長度峰值相對應(yīng)。除潮汐變化外，太陽活動(dòng)可能是拉馬德雷現(xiàn)象的形成原因之一。潮汐增強(qiáng)、太陽黑子延長極小期、太陽黑子周期長度變長、拉馬德雷冷位相和冷氣候有很好的對應(yīng)關(guān)系。
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-735952.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-726547.html
在潮汐1800年周期變化幅度上，目前全球氣候正處于變暖的峰期（見圖2）。
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-860579.html
三、冰期時(shí)代的溫室氣體去向
Crowley認(rèn)為，如果人類將已探明的化石燃料全部消耗，那是大氣中的CO2含量將是工業(yè)化前的67倍，這與白堊紀(jì)時(shí)期大氣中的CO2含量水平相當(dāng)[1]。
據(jù)網(wǎng)上資料，二氧化碳濃度有逐年增加的趨勢，50年代其質(zhì)量分?jǐn)?shù)年平均值約315×10-6，70年代初已增加至325×10-6，目前已超過345×10-6，平均每年增加1.0~1.2×10-6，或每年約以0.3%的速度增長。綜合多數(shù)測定結(jié)果，在工業(yè)革命以前的二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為275×10-6。白堊紀(jì)時(shí)期大氣中的CO2含量為18425×10-6。這么多的溫室氣體從何而來？http://tech.qq.com/a/20131102/002746.htm
科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)，全球表面升溫的暫?；蛟S是由于空氣中的大量熱量被深海所吸收。這項(xiàng)研究通過微型海洋生物貝殼的化學(xué)組成間接獲得了溫度信息，這些海洋生物從太平洋的深處沖刷到了海底沉積物中。這些微生物展現(xiàn)了在1500英尺（457米）到3000英尺（914米）深度之間，太平洋在數(shù)千年時(shí)間里的長期冷卻漸變過程，直到公元1100年的中世紀(jì)暖期開始，溫度才開始有所上升。而隨后在17到18世紀(jì)的小冰河時(shí)期，溫度再一次下降。
楊學(xué)祥和楊冬紅分別在1997-2011年提出了“海底藏冷相應(yīng)”、“海洋鍋爐效應(yīng)”、“拉馬德雷冷位相災(zāi)害鏈”、200年和準(zhǔn)60年“潮汐降溫效應(yīng)”。
我們在2006年提出，氣候潮汐循環(huán)說和海震調(diào)溫說，闡明了冷氣候、強(qiáng)潮汐和強(qiáng)震相互對應(yīng)的物理機(jī)制，對2000年地球進(jìn)入拉馬德雷冷位相后的氣候預(yù)測有重大科學(xué)意義。中國連續(xù)18年暖冬的終結(jié)是2000年地球進(jìn)入拉馬德雷冷位相和印尼發(fā)生地震海嘯的合理結(jié)果。規(guī)律表明，在拉馬德雷冷位相時(shí)期，全球強(qiáng)震、低溫、颶風(fēng)伴隨拉尼那、全球性流感伴隨厄爾尼諾將越來越強(qiáng)烈。在20世紀(jì)50-70年代，強(qiáng)沙塵暴與流感爆發(fā)一一對應(yīng)，沙塵暴可能傳播禽流感。
海底溫度測量表明，海底冷水層的溫度為攝氏2度，表層海水水溫為27.5度左右，溫差為25.5度，為強(qiáng)潮汐調(diào)溫效應(yīng)和海震調(diào)溫效應(yīng)提供必要的條件。歷史資料顯示，在全球溫暖的白堊紀(jì)，海洋底層溫度為15度，表層溫度為21度，溫差為6度。這是強(qiáng)潮汐調(diào)溫效果在白堊紀(jì)顯著降低的原因。而在第四紀(jì)冰期到來之前，海洋底層水溫度逐漸降低到0度，增大的溫差為強(qiáng)潮汐和海洋巨震的調(diào)溫作用準(zhǔn)備了條件。超低海底冷水被強(qiáng)潮汐和海洋巨震翻到海洋表面，使大氣迅速變冷，導(dǎo)致冰期的到來。
赤道熱兩極冷是太陽能量緯度不均勻分布造成的。由于大氣熱容量低，大氣熱對流不能改變這一基本規(guī)律。海水則不同，其熱容量大，熱對流的傳熱效果十分顯著。計(jì)算表明，每立方米的水和空氣溫度降低一度所釋放的能量分別為4180000焦?fàn)柡?/span>1290焦?fàn)?，前者是后者?/span>3240倍。這個(gè)巨大差別可從海洋性氣候和大陸性氣候的比較中看到。瓦倫西亞島和赤塔同在北緯52度附近，前者位于愛爾蘭的大西洋岸，屬于海洋性氣候，后者位于亞洲大陸內(nèi)部，屬于大陸性氣候。雖然緯度相近，但溫差在一年內(nèi)的分布相差懸殊。一年內(nèi)最冷和最熱月份溫度的差值，在瓦倫西亞只有7.9度，在赤塔則為46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均溫度為攝氏10.3度，后者為零下3度，差值為13.3度。這說明海洋的內(nèi)能多于大陸，海洋是大氣熱量的重要供應(yīng)者。
海水因?yàn)楹衅骄s3.5%的鹽分，所以它的最大密度約出現(xiàn)在攝氏負(fù)2度左右，恰好與海水開始結(jié)冰的溫度很接近。兩極臨近結(jié)冰的海水密度最大，源源不斷地沉入兩極海底，自轉(zhuǎn)離心力使較重的海水向赤道海底運(yùn)動(dòng)，形成全球巨厚的海底冷水層。由于太陽輻射不能進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，“冷”被安全地封存在海底，冷水領(lǐng)域還不斷擴(kuò)大。赤道海水表層熱水在上、冷水在下，垂直方向只有熱傳導(dǎo)、沒有熱對流。隨著海洋冷水區(qū)的不斷擴(kuò)大和赤道海洋表層熱水區(qū)的不斷縮小，赤道和兩極的溫差也不斷加大，形成中、高緯度地區(qū)的冰蓋和冰川。我們稱這個(gè)過程為海底藏冷效應(yīng)。它是海氣相互作用的典型范例，大氣中的“冷能”由此而進(jìn)入海洋。冰雪反射太陽輻射，隨著冰雪面積的不斷擴(kuò)大，地表接受到的太陽能量越來越少，使大氣和海洋越來越冷，冰期有一個(gè)長期的“冷積累”過程（見圖3）。
圖3 太陽輻射變化、核幔角動(dòng)量交換和氣候變化的關(guān)系
由于內(nèi)核相對地殼地幔的差異旋轉(zhuǎn)，太陽輻射達(dá)到最大值時(shí)使核幔角動(dòng)量交換達(dá)到高峰，部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芊e累在核幔邊界赤道區(qū)（此處核幔速度差最大，積累的熱能最多）。超級熱幔柱（羽）由核幔邊界赤道熱區(qū)升起，在海底赤道區(qū)噴發(fā)，加熱了底層海水，并引發(fā)赤道和兩極之間的海洋整體熱循環(huán)，降低了赤道和兩極大氣的溫差，使兩極的海溫和氣溫逐漸上升到冰點(diǎn)以上，消除了海洋藏冷效應(yīng)的“冷源”，形成全球無冰溫暖氣候，產(chǎn)生晚白堊紀(jì)赤道海洋表層低溫之謎（當(dāng)時(shí)溫度為攝氏21度，比現(xiàn)代低6.5度）。我們稱這個(gè)過程為海洋鍋爐效應(yīng)。有證據(jù)表明，隨著熱幔柱噴發(fā)強(qiáng)度的減弱，近一億年間海洋底層水冷卻了攝氏15度，大氣冷卻了10~15度。這是典型的地、海、氣相互作用。計(jì)算表明，一億二千萬年前形成翁通爪哇海臺(tái)的海底熱幔柱噴發(fā)，其釋放的熱量可使全球海水溫度增高33度，噴發(fā)過程經(jīng)歷了幾百萬年時(shí)間。有證據(jù)表明,在古新世末不到6000年的時(shí)間內(nèi)大洋底層水增溫4度以上。海底火山活動(dòng)引發(fā)的深海熱對流在全球氣候變化中的作用不容忽視（見圖3）。
http://guancha.gmw.cn/content/2007-12/25/content_715516_2.htm
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-736985.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-521283.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-750399.html
海洋冷循環(huán)是以冷源為動(dòng)力的海洋循環(huán)，例如海洋藏冷效應(yīng)；海洋熱循環(huán)是以熱源為動(dòng)力的海洋循環(huán)，例如海洋鍋爐效應(yīng)。
在大氣層，太陽能量加熱地表，使低空的空氣變熱膨脹，密度變小而上升到高空，形成以熱源為動(dòng)力的大氣環(huán)流。但是，太陽能量不能到達(dá)深海，只能加熱海洋表面，因此不能形成有效的熱對流。所以，在海洋中，冷循環(huán)就非常重要。兩極的海洋是冷循環(huán)的出發(fā)點(diǎn)。
據(jù)網(wǎng)上資料，溫鹽環(huán)流是一個(gè)大尺度的海洋環(huán)流，由溫度及含鹽度的差異所致。在北大西洋，環(huán)流的表面暖水向北流而深海冷水向南流，造成凈熱量向北輸送。表面海水在位于高緯度的固定下沉區(qū)下沉。
表面風(fēng)對于100 米左右以下深度的海水環(huán)流所起的作用微乎其微，而海水溫度和鹽度的變化則足以使海水密度產(chǎn)生差異。
海水密度的差異使得產(chǎn)生了密度梯度，導(dǎo)致海流的形成。這種方式產(chǎn)生的海流流速非常慢（每年只有若干公里），只有通過特殊的手段才能發(fā)現(xiàn)這種海流，也就是通過把不同深度的水團(tuán)的溫度、鹽度和氧含量表示在圖上，才能發(fā)現(xiàn)它的存在。
海洋的溫鹽環(huán)流系統(tǒng)是大洋中最重要的海水運(yùn)動(dòng)，一般被形象地稱為“大洋輸送帶”。在這個(gè)系統(tǒng)中，北大西洋表面冷而致密的海水下沉到海洋深處，再經(jīng)過印度洋和太平洋，最終回到大西洋。這整個(gè)循環(huán)過程要花費(fèi)數(shù)個(gè)世紀(jì)之久，是調(diào)節(jié)地球上大陸之間熱量的最重要的循環(huán)之一。溫鹽環(huán)流在地球上溫度和鹽度都不同的大洋之間輸送著營養(yǎng)物質(zhì)和熱量。
圖4 兩極海洋冷循環(huán)的基本模式
NASA所繪制的溫鹽環(huán)流分布圖。不同的生態(tài)系統(tǒng)，其所受到的環(huán)境因子便有所不同，而溫鹽環(huán)流對于海洋生態(tài)系而言具有極大的重要性，因?yàn)樗仓鲗?dǎo)了鹽份的循環(huán)。而對氣候的重要性同樣重要，因?yàn)槠湟舶殡S氣候與能量的調(diào)節(jié)。
圖5 NASA所繪制的溫鹽循環(huán)圖（藍(lán)色表示冷流，紅色表示熱流）
圖6 以南極為中心的溫鹽循環(huán)圖（藍(lán)色表示冷流，紅色表示熱流）
在南極，冷源在環(huán)南極大陸邊緣的海洋；在北極，冷源僅有北大西洋的北端。在這里，陸海的分布決定了海洋環(huán)流的方式：南極圈內(nèi)有大片的海洋與赤道海洋相通，可形成高密度冷水的下沉和對流，而北極圈內(nèi)僅有大西洋北端與赤道海洋相通，北太平洋的白令海峽限制了北太平洋冷源的形成。陸海分布的類型決定了大西洋溫鹽循環(huán)在全球變化中的重要地位。
溫室氣體在水中的溶解度伴隨水溫的降低而增大。由于冷水中含有較多的溫室氣體，所以，伴隨冷水在海底的積累，溫室氣體也被貯存在海底冷水之中。海底冷水溫度的降低意味著全球氣溫變冷。
事實(shí)上，大氣和海洋的溫室氣體交換是連續(xù)發(fā)生的，兩極的冷水將溫室氣體帶入海底，赤道處海水上升被加熱向大氣釋放出溫室氣體，總體處于平衡狀態(tài)之中。
全球大氣表面每年獲得5.4×1024J的太陽能量，其中，43%由于反射和散射而折回宇宙空間，14%為大氣所吸收，只有43%可以到達(dá)地表，每年約為2.3×1024J。全球每年水蒸發(fā)所需能量為1.44×1024J，占到達(dá)地表太陽能量的63%[1]。
地球?qū)μ柟獾姆瓷渎什皇枪潭ú蛔兊?，冰川消長、雪線的伸縮、大氣透明度的增減、云層厚度的變化，都會(huì)影響地球的反光率，其中冰川和積雪的作用最大。在其它因素不變的條件下，微弱因素引發(fā)的氣候變冷一旦啟動(dòng)，如下步驟將連續(xù)反復(fù)發(fā)生：冷的激發(fā)使冰川和積雪面積增加；冰川和積雪面積增加使地球反光率增大；增大的反光率就會(huì)導(dǎo)致地球接受太陽能量減少使氣溫進(jìn)一步下降；以此形成不斷增大的反復(fù)循環(huán)，可稱之為“弱因迭代效應(yīng)”。微弱因素引發(fā)的變暖會(huì)起到相反的效果。這是“弱因”打破地球復(fù)雜系統(tǒng)平衡的根本原因。
溫室氣體也具有“弱因迭代效應(yīng)”：溫室氣體增加使氣候變暖，氣候變暖導(dǎo)致海溫增加，海溫增加將使海洋釋放更多溫室氣體，以此形成反復(fù)循環(huán)。不過，海洋變暖的速度很緩慢，不如光反射率變化來得迅速。前者適于長周期變化循環(huán)，后者適于短周期變化循環(huán)。
太陽活動(dòng)變化也具有“弱因迭代效應(yīng)”：太陽活動(dòng)減弱導(dǎo)致全球氣溫輕微下降，兩極變冷導(dǎo)致冷水中溶解更多溫室氣體，使溫室氣體進(jìn)入海底的數(shù)量增多；赤道輕微變冷導(dǎo)致上升冷水變熱幅度減少，使溫室氣體進(jìn)入大氣的數(shù)量減少，這就打破了原有的進(jìn)出平衡，導(dǎo)致更多的溫室氣體滯留在海底，使氣溫進(jìn)一步變冷，如此迭代下去，大氣中的溫室氣體越來越少，氣溫下降也就越來越強(qiáng)烈。
相反，太陽活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致全球氣溫輕微上升，兩極變暖導(dǎo)致冷水中溶解溫室氣體變少，使溫室氣體進(jìn)入海底的數(shù)量減少；赤道輕微變暖導(dǎo)致上升冷水變熱幅度增大，使溫室氣體進(jìn)入大氣的數(shù)量增大，這就打破了原有的進(jìn)出平衡，導(dǎo)致更多的溫室氣體進(jìn)入大氣，使氣溫進(jìn)一步變暖，如此迭代下去，大氣中的溫室氣體越來越多，氣溫上升也就越來越強(qiáng)烈。
配合冰川和積雪面積增加使地球反光率增大的“弱因迭代效應(yīng)”，太陽活動(dòng)變化引發(fā)全球氣候變化的可能性也大大增加（見表1和圖1）。
四、海洋鍋爐效應(yīng)造就中生代溫暖期
已有的研究表明，陸地和海洋含碳量遠(yuǎn)高于大氣，存儲(chǔ)在海洋中的碳只要釋放2%，就將使大氣中的CO2含量增加一倍[3]。白堊紀(jì)大氣碳含量是目前的8~10倍[4, 5]，末次冰期高峰時(shí)大氣CO2和CH4含量分別比現(xiàn)在減少30~40 %和50 %[6]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)釋氣和海洋增溫排氣是主要原因[5]。
圖7 全球巨大火成巖省
圖8 巨大火成巖省和全球變暖
圖9 巨大火成巖省的規(guī)模比例
火山活動(dòng)是大氣溫室氣體的主要來源。據(jù)Gerlach的估算，全球陸相火山以寧靜方式放出CO2的速率為每年792 百萬噸，而陸相火山噴發(fā)出的CO2的速率僅為每年66 百萬噸[7]。前者是后者的12倍多。寧靜方式火山放氣沒有明顯的火山灰，其增溫效果顯著。據(jù)Coffin和Eldholm（1993）海洋考察結(jié)果表明，巨大火成巖省所顯示的大陸溢流玄武巖和大洋溢流玄武巖的噴發(fā)強(qiáng)度與全球氣溫和大氣CO2高濃度相對應(yīng)（圖7, 8, 9）[8]。
120 Ma前海底熱幔柱噴發(fā)形成翁通爪哇海臺(tái)，其釋放的熱量為6×1026J，海洋的質(zhì)量為1.45×1024 g，可使全球海水溫度增高33℃，平均每萬年海溫升高0.1℃[4]。有證據(jù)表明，在古新世末不到6000年的時(shí)間內(nèi)大洋底層水增溫4℃以上[9]。海底火山活動(dòng)引發(fā)的海溫增高和CO2排放在全球氣候變化中的作用不容忽視，這是白堊紀(jì)強(qiáng)烈火山活動(dòng)、大氣中高濃度CO2和異常高溫一一對應(yīng)的原因。最近發(fā)現(xiàn)在15~20 Ma前南極的夏季溫度要比現(xiàn)在高出大約11℃，最高可以達(dá)到大約7℃。這一南極地區(qū)的“綠化”過程最高峰大致出現(xiàn)在中新世中期，距今大約16.4~15.7 Ma。中新世中期的溫暖環(huán)境被認(rèn)為應(yīng)當(dāng)對應(yīng)于400~600 ppm的大氣CO2濃度[1]。15~18 Ma前發(fā)生的哥倫比亞溢流玄武巖噴發(fā)是大氣CO2濃度增加的重要原因之一（圖8）。
1000 km3熔巖要釋放1.6×1013 kg的CO2，3×1012 kg的硫和3×1010 kg的鹵素。一個(gè)巨大火成巖省的累積過程要發(fā)生上千次這樣的噴發(fā)，它使現(xiàn)代人類造成的污染物產(chǎn)生的影響相形見絀[4]。120 Ma前海底熱幔柱噴發(fā)形成翁通爪哇海臺(tái)的體積為36×106 km3，15~18 Ma前發(fā)生的哥倫比亞溢流玄武巖體積為1.3×106 km3，釋放的CO2分別為5.8×1017 kg和2.1×1016 kg。
現(xiàn)代火山活動(dòng)有明顯致冷的記錄。短周期的對應(yīng)關(guān)系是：小冰期對應(yīng)強(qiáng)火山活動(dòng)，小氣候最適期對應(yīng)弱火山活動(dòng)。但是，火山長周期的對應(yīng)關(guān)系卻是：火山活動(dòng)峰值與全球無冰期對應(yīng)，而谷值與大冰期對應(yīng)（見圖7）[10]。圖8、圖9 和圖10有很好的對應(yīng)性。Larson給出了1.5億年以來全球地磁、洋殼產(chǎn)量、古溫度、古海平面、黑色頁巖的異常變化，與圖8、圖9 和圖10的變化趨勢基本一致[11]。20世紀(jì)80年代以來第三代全球洋底磁條帶圖的研究，揭示了地表三大洋底在距今160 Ma（卡洛期末）、139 Ma（凡蘭吟期初）和97 Ma（阿爾布期末）前發(fā)生過三次幾乎同時(shí)的重大裂解作用[12]。
圖10 北美火山活動(dòng)曲線[據(jù)Engel and Engel, 1964[10]
古地球自轉(zhuǎn)可能存在間隔2億多年的準(zhǔn)周期，圖11給出了朔望月天數(shù)變化所表示的地球自轉(zhuǎn)速度變化曲線[13]。從圖5中可以看出，1.4億年中生代，地球自轉(zhuǎn)速度處于高峰；2.3億年前二疊紀(jì)，地球自轉(zhuǎn)速度處于低谷。在15~25 Ma期間，地球自轉(zhuǎn)處于增速階段，目前處于低谷。
圖11 近5億年來朔望月天數(shù)的變化(據(jù)任振球, 1990 [13])
在過去4.5億年中地球旋轉(zhuǎn)速率、地磁軸視極移、洋脊的活動(dòng)、海平面和氣候變化有伴隨出現(xiàn)的現(xiàn)象。地球旋轉(zhuǎn)加速時(shí)期主要對應(yīng)了正極性時(shí)期，而旋轉(zhuǎn)減慢時(shí)期主要對應(yīng)了負(fù)極性時(shí)期，前者如志留紀(jì)至早泥盆紀(jì)和中生代，這階段由于地球旋轉(zhuǎn)速度加快，使地磁極具正極性、洋脊活動(dòng)增強(qiáng)、全球性海侵和古氣候變暖。自晚泥盆紀(jì)至二疊紀(jì)和新生代，是地球旋轉(zhuǎn)速度減慢時(shí)期，表現(xiàn)為負(fù)極性為主、洋脊活動(dòng)減弱、全球性海退、氣候劇烈變化和出現(xiàn)大冰期。這些資料表明，在幾億年時(shí)間尺度上，各種地質(zhì)旋回有一定程度的相關(guān)性存在，與地球自轉(zhuǎn)速度變化相對應(yīng)[14]。
表3 地球自轉(zhuǎn)周期與地質(zhì)旋回
時(shí)間 地球自轉(zhuǎn) 全球氣候 生物滅絕事件 熱幔柱噴發(fā) /Ma 形成物 體積/106km3 |
480 高峰 溫暖期 北美火山活動(dòng)高峰 437 低谷 奧陶志留紀(jì)大冰期 北美火山活動(dòng)低谷 370 高峰 泥盆紀(jì)溫暖期 北美火山活動(dòng)高峰 280 減慢 石炭二疊紀(jì)大冰期 北美火山活動(dòng)減弱 248 減慢 西伯利亞暗色巖 230 低谷 二疊紀(jì)大冰期末 北美火山活動(dòng)低谷 160 加快 中生代溫暖期 三大洋底重大裂解作用 140 加快 中生代溫暖期 香港超級火山 139 加快 中生代溫暖期 三大洋底重大裂解作用 120~124 高峰 溫暖期 不明顯 (水下噴發(fā)) 翁通爪哇海臺(tái) 36 北美火山活動(dòng)高峰 110~115 加快 溫暖期 大規(guī)模生物滅絕 凱爾蓋朗海臺(tái) 變小 97 加快 中生代溫暖期 三大洋底重大裂解作用 65~69 高峰 溫暖期 恐龍滅絕，所有物種近 德干暗色巖 變小 一半滅絕 55~59 高峰 溫暖期 許多深海有孔蟲類和 北大西洋火山 變小 陸生哺乳動(dòng)物滅絕 邊緣 25 低谷 低溫 15~18 加快 變暖 大規(guī)模物種滅絕 哥倫比亞河溢 1.3 流玄武巖 10~12 高峰 變暖 0~2 低谷 第四紀(jì)大冰期 北美火山活動(dòng)低谷 |
對比圖10和圖11 ，兩種曲線有相同的變化趨勢：火山活動(dòng)高峰對應(yīng)全球氣候變暖和地球自轉(zhuǎn)加快，火山活動(dòng)低谷對應(yīng)全球氣候變冷和對應(yīng)地球自轉(zhuǎn)減慢。表3給出了這種地質(zhì)旋回與地球自轉(zhuǎn)周期的相關(guān)關(guān)系，熱幔柱強(qiáng)烈噴發(fā)導(dǎo)致大量生物滅絕[4]。在15~20 Ma前南極的夏季溫度要比現(xiàn)在高出大約11℃，最高可以達(dá)到大約7℃。這一南極地區(qū)的“綠化”過程最高峰大致出現(xiàn)在中新世中期，距今大約16.4~15.7 Ma。可以對比的是，在15~25 Ma期間，地球自轉(zhuǎn)處于增速階段，火山活動(dòng)強(qiáng)烈。這種對應(yīng)并不是個(gè)例，葉淑華院士指出，在距今0.65-1.4億年前的白堊紀(jì)，地磁場突然倒轉(zhuǎn)，巖漿活動(dòng)非常劇烈；大氣溫度比現(xiàn)在高18℃左右；海平面比現(xiàn)在約高150米；地球的自轉(zhuǎn)變快；古生物大量滅絕；大氣中CO2的含量十倍于現(xiàn)在；隕石增多[15]。在此期間，地球自轉(zhuǎn)速度處于峰值。與此相反，437 Ma的奧陶-志留紀(jì)大冰期、230 Ma石炭-二疊紀(jì)大冰期、2 Ma第四紀(jì)大冰期以及25 Ma第三紀(jì)變冷期都對應(yīng)地球自轉(zhuǎn)速度低谷和北美火山活動(dòng)低谷。
根據(jù)地質(zhì)和氣象等綜合數(shù)據(jù)，表4給出地球自轉(zhuǎn)周期、地質(zhì)旋回、氣候變化和地磁變化的對應(yīng)規(guī)律，與圖10和圖11地球自轉(zhuǎn)變化曲線和火山活動(dòng)變化曲線相對應(yīng)。特別值得指出的是，地殼相對地核自轉(zhuǎn)減慢對應(yīng)地磁反向，地殼相對地核自轉(zhuǎn)加快對應(yīng)地磁正向，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為地球各圈層差異旋轉(zhuǎn)影響地磁反向提供了證據(jù)[2]。
海底火山噴發(fā)強(qiáng)烈，海洋鍋爐效應(yīng)使海底水溫增加，終止海底藏冷效應(yīng)，海洋增溫釋放出溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖（見圖3）。
表4 地球自轉(zhuǎn)周期、地質(zhì)旋回和地磁極性倒轉(zhuǎn)[1, 2, 16, 167]
地質(zhì)界線 | 新生代/ 現(xiàn)在 | 中生代/ 新生代 | 侏羅紀(jì)/ 白堊紀(jì) | 古生代/ 中生代 | 石炭紀(jì)/ 二疊紀(jì) | 下古生代/ 上古生代 |
年代/102Ma | 0 | 0.65 | 1.36 | 2.25 | 2.80 | 3.45 |
地殼自轉(zhuǎn) | 減慢 |
| 加快 |
| 減慢 |
|
火山活動(dòng) | 噴發(fā)最弱 | 噴發(fā)中等 | 噴發(fā)最強(qiáng) | 噴發(fā)中等 | 噴發(fā)最弱 | 噴發(fā)中等 |
海陸變動(dòng) | 大陸為主最大海退 | 由主要是海變?yōu)榇箨?/span> | 最大海侵 | 由主要是大陸變海 | 大陸為主最大海侵 | 由主要是還變到大陸 |
氣候變化 | 第四紀(jì)大冰期 |
| 溫暖期 |
| 石炭二疊紀(jì)大冰期 |
|
陸海分布類型 | 大陸集中在北極 |
| 大陸分散在赤道 |
| 大陸集中在南極 |
|
造山作用 生物滅絕 | 第三紀(jì)大褶皺 |
| 白堊紀(jì)恐龍滅絕 |
| 石炭二疊紀(jì)大褶皺 |
|
地磁極性 | 反向 |
| 正向 |
| 反向 |
|
五、結(jié)論
氣候變化的3億年周期、10萬年周期、4萬年周期、2萬年周期、1500-1800年周期、200年周期、60年周期與天文軌道周期（包括潮汐周期）、火山活動(dòng)和太陽活動(dòng)密切相關(guān)，“弱因迭代效應(yīng)”是打破平衡走向極端天氣的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
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