为什么地质历史时期地球经历一段较长的冷期后,便迅速经历一个相对较短的气候变暖期,随后又再次重复?最近,中科院地球化学研究所的研究人员研究这种冷暖转变的背景时发现,这涉及到南北两个半球气候过程之间的相互作用及其机制问题。

南北极好像是安装在地球南北两端的“冷凝器”,在全球气候变化中起着极其重要作用。科学家在一项研究中提出新解释:为什么近60年来地球南北两极存在相反的、好似“跷跷板”的气候变化?

《自然?地学》本周在线发表了一篇关于古近纪海洋表面温度的文章。文章重建了从4300万年前到1800万年前北大西洋的海洋表面温度变化,结果显示在3400万年前在长达200万年的时间段里南北半球气候的差异性演化,从而进一步揭示了海洋环流变化对气候系统的巨大影响作用。

该所环境地球化学国家重点实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心研究员洪冰课题组与阿根廷、日本等国科研人员合作,在国际地学期刊《地球科学评论》上提出证据,表明来自北半球高纬度巨量的融冰洪水倾泻入北大西洋,导致大西洋经向倒转环流的运转变慢甚至停止,从而导致地球系统能量的重新分配,让北半球变冷而南半球变暖,出现一个正相的半球热梯度或半球间温度反差,使得地球热带辐合带和南半球西风带的平均纬度位置向南极方向移动;与此同时,起源于南半球的印度洋夏季风强度也随之转弱。

近几十年来,许多科学家都从不同的研究角度注意到地球南北两极呈现相反的气候变化,北极地区显著变暖,南极和南大洋则大范围变冷,地球南北两极存在相反的、好似“跷跷板”的气候变化。

古近纪(6500万-2300万年前)是地球气候系统演化的重要时期。零星的温度记录显示此时期是地球气候历史上的炎热期。很长时间里,大陆上都没有永久冰川覆盖。而在大约3400万年前即著名的始新世-渐新世转折期,经过之前的缓慢全球降温,永久陆地冰川开始在南极洲形成(北半球格陵兰冰川直到300万年前才形成),大约同一时间,环南极洋流通道由于板块构造运动也开始打通,大致形成了现代意义上的海陆分布,海洋环流系统及海洋水体结构。

洪冰介绍,这种变化过程显示了北半球对南半球的影响,而南半球是否影响、如何影响北半球,还未可知。他们的这项研究,进一步阐明了南半球西风带的活动特征,指出在大约南纬47度附近存在一个风力最强又相对稳定的核心区;南半球西风带对不同相位的半球间温度反差的响应,表现为以大约南纬47度为轴,向地球南极或赤道方向摆动的过程。

对于这一现象,国外科学家曾提出与“大洋传送带”假说有关的“经向环流”理论。认为大西洋经向环流从南半球向北半球输送热量,这支环流的加强将使得北半球高纬变暖,南半球高纬变冷;反之,则北半球高纬变冷,南半球高纬变暖。反映全球气候变暖的科幻片《后天》就是运用这一科学理论。

海洋环流系统中,大西洋经向翻转环流,表现为海洋表层环流由南半球穿过赤道流向北半球而海洋底层环流流回南半球,在现代气候突变事件中起着重要的作用,包括亚洲的季风环流变化都认为和此密切相关。因此大西洋经向翻转环流变化的机制及预测是当今海洋学和气候变化研究的热点问题。迄今为止,对于北半球(北大西洋深层水的形成)还是南半球(环南极上升流的形成)控制翻转环流还存在着较大的争议。目前大西洋经向翻转环流的演化历史也并不清楚。而在始新世-渐新世转折期,由于南极冰川和环南极洋流通道刚开始形成,这为研究南半球在翻转环流中的作用提供了一个理想的检验场所。实际上,研究人员已经预测到由于南极冰川和环南极洋流通道的形成会引起大西洋经向翻转环流的增强,从而导致北半球升温而南半球降温的差异性温度演化。但是由于底部洋流的冲刷作用,此关键时段的海洋沉积物在北大西洋多数没有保存下来,因而此预测还停留在假设阶段,迄今为止还没有古气候记录验证了南北半球海表温度在始新世-渐新世转折期时得差异性发展。

此外,研究认为在末次冰期一系列突出的寒冷事件中,当灾难性的融冰洪水对地球气候系统造成冲击时,也同时启动了地球气候系统的自我修复过程。其结果不仅把更多大洋深处的二氧化碳释放到大气环境中,导致南北半球的不同变暖,也增强了对南大洋深层水的拉动作用,并最终导致大西洋经向倒转环流重新加快运转,使北半球变暖而南半球变冷。

不过,由南京信息工程大学极地气候系统与全球变化实验室主任王召民教授、管兆勇教授,中国极地研究中心副主任孙波研究员以及美国、英国科学家合作进行的一项最新研究,认为没有证据表明南北两极好似“跷跷板”的气候变化是由大西洋经向环流的变化引起。

此次研究利用了国际大洋钻探项目2012年在加拿大纽芬兰海域获取的200米海洋沉积物首次重建了2500万年长(4300
万年前到1800万年前)的古近纪温度记录,并包含了关键的3400万年前的始新世-渐新世转折期的气候信息。记录证实了古近纪是地球气候历史上的炎热期。文章指出北大西洋的25度海温等温线在古近纪和当代相比向北移动了15个纬度。而在这2500万年间,此海表温度记录显示了在绝大多数时间(除了始新世-渐新世转折期)里和海洋底层温度呈现一致的变化,揭示了气候系统的协同变化。而在始新世-渐新世转折期的200万年间,北大西洋海温并没有随着南极冰川的形成而显著降温,而是呈现出极其缓慢降温的趋势。此次研究证实了南北半球温度在始新世-渐新世转折期的差异性演化,因此支持南半球对大西洋经向翻转环流的更重要的控制作用,
并进一步揭示了当气候边界条件(南极冰川和环南极洋流通道形成)显著改变时,气候系统需时才达到新的平衡状态。

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