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地球轨道变化可触发气候突变

来源:科技日报2021-11-11 09:35

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  以史为鉴,可以知兴替。这个“史”不仅仅是人类文明演化历史,更是漫长的地球自然变化史。

  “利用复杂气候模型,我们对过去三四万年的气候瞬变进行模拟实验,首次证实地球轨道的变化可以直接触发气候突变,系统论证了地球轨道变化对气候突变的双重调节控制。”11月4日,中国科学院(以下简称中科院)地球科学卓越创新中心、青藏高原研究所研究员,兰州大学教授张旭告诉科技日报记者。

  这项研究为理解更新世气候突变事件的触发机理提供了全新的动力模型。相关研究成果在线发表于《自然·地球科学》杂志。

  能够直接触发大西洋经向翻转环流突变

  约270万年前,随着北半球大陆冰盖的逐渐发育,气候系统开始经历以万年尺度为周期的冷暖交替,即我们熟知的冰期—间冰期气候旋回。在冰期气候背景下,全球气候频繁出现千年尺度的气候突变事件。20世纪80年代,有学者指出,气候突变的主要原因与大西洋经向翻转环流的变化有关。

  “这一观点在30多年的持续研究中得到普遍认可,但对其触发机理存在多种推测。有学者提出,其可能与海洋环流的内部变率有关,或是由冰盖或者海冰的消融所致。还有学者指出大气二氧化碳浓度和南半球西风带也起到积极的作用。但这些推测主要集中在地球系统的内部因素。”张旭介绍。

  以往的大量研究已证明,地球轨道变化可通过气候内部因素的变化(例如冰量变化)调节控制气候突变事件的发生,即轨道对气候突变存在间接调节控制。

  那么,地球轨道变化是否可以直接触发千年气候突变事件呢?

  为此,研究人员首先开展了过去4万年至3.2万年的气候瞬变模拟实验。在实验中,研究人员仅将地球轨道参数作为变化量,而如冰量、温室气体等其他所有的环境变量均保持恒定,以此检验地球轨道变化是否可以直接触发大西洋经向翻转环流的突变。

  实验结果显示,大西洋经向翻转环流出现了类似于气候记录中的千年尺度震荡,相应的温度和降水变化也与气候记录有较好的一致性。“中国黄土、石笋、湖泊清晰记录了千年尺度的突变事件。这些突变事件对我国自然环境产生了重大影响。我们在复杂气候模型中首次证实了地球轨道变化可直接驱动气候突变。”中科院院士、中科院青藏高原研究所所长陈发虎强调。

  可以帮助人类建立对“后天”的科学认识

  随后,研究人员又进行了轨道参数的单一强迫实验,即仅改变地轴倾角、离心率和岁差,进一步定性不同轨道参数变化对气候突变的影响。

  研究发现,岁差的变化可通过影响北半球低纬地区的夏季太阳辐射,调节大气水汽从大西洋向太平洋的输送强度,进而调控北大西洋的海表盐度,引起大西洋经向反转流的突变。

  同时,地轴倾角可通过影响北半球高纬地区的年平均太阳辐射的变化,调控北大西洋深层水生成区的海水温度以及海冰面积,进而影响表层海水垂直混合的强度,引起突变。“这组数值实验证实了单一轨道参数的变化也可直接触发北大西洋海洋环流的突变,即轨道变化对气候突变的直接调节控制。”张旭解释。

  为了系统地厘清地球轨道变化调制千年气候事件的规律,研究人员又通过大量的数值实验,总结出了解释更新世不同时期千年气候事件的动力概念模型。“我们的模型被证实不仅适用于晚更新世,也适用于中早更新世。”张旭说。

  陈发虎表示,通过这些研究,我们可以确定,更新世以来冰期中的千年尺度气候事件很可能一直受到极地冰盖变化和地球轨道参数变化的双重调节控制。但是,轨道尺度气候变化和千年尺度气候突变如何协同影响更新世以来的气候演变,还需通过含冰盖动力过程的地球系统模型做进一步研究。

  “科学家们通过对古气候现象背后机理的研究,尝实揭示不同时空尺度气候过程的协同作用对气候变化的影响,努力掌握气候演变的规律。这不仅对于人类预测和应对未来气候突变有巨大而深远的意义,也可以帮助人类建立起对于‘后天’更加科学和理性的认识。”陈发虎说道。(陆成宽)

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