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杨学祥:小冰期的成因:火山喷发导致小冰期是中国学者首创

2012-02-16 18:41阅读:
小冰期的成因:火山喷发导致小冰期是中国学者首创
杨学祥

小冰期是指一段在中世纪温暖时期之后开始的时段。地球曾经历的小冰期(Little Ice Age, 特指1617世纪为主的寒冷阶段。大约15世纪初开始,全球气候进入一个寒冷时期,通称为“小冰期”,在中国也称为“明清小冰期”,小冰期结束于20世纪初期。小冰期(Little Ice Age)
词最早用来描述“全新世最暖期之后冰川中等规模复活的寒冷时期”。那时,欧洲出现了冰川的膨胀和冰舌的前进。它们破坏了农田,毁灭了山村。在英格兰中部,16世纪冬天的温度约比现今低1.5℃。

关于小冰期的成因,目前有以下几种假说:

太阳活动低值说:

在十五世纪至十七世纪的二百余年内,全球强震发生频繁,其它自然灾害也很集中,如瘟疫流行,低温冻害严重,被称为小冰期时期。这个时期也正是太阳黑子蒙德极小值时期[1],太阳活动处于低值状态,有人把它看作是小冰期气候产生的原因。
当新闻媒体和政治家们向即将来临的全球变暖灾难开战的同时,科学界本身对此问题还没有达到一致。许靖华指出,过去150年的温度记录表明,由于化石燃料的燃烧引起大气中二氧化碳的含量不断增加,全球有变暖趋势。尽管大气中二氧化碳含量仍在不断增加,但这种趋势被寒冷期中断了三次(最近的一次寒冷期在60年代末70年代初)。因此,温度变化记录与温室气体含量变化并不完全一致,而一些科学家则发现平均气温与太阳活动变化有密切的关系[2]
大量观测数据表明,地质环境记录的气候变化与由地球轨道引起的太阳辐射量的变化有较好的一致性[3~8]。对宇宙飞船测量数据的分析确定,太阳的辐射输出变化于0.1~0.3% 的水平上[6]。这一问题的争论焦点是,地球接收到的太阳能量变化是否足以引起地球气候长周期(冰期和间冰期)和短周期(小冰期与小气候最适期)的相互转变[6~9]Eddy等人估计,太阳常数变化引起的气候响应与正常发生的变化相比是很小的——太阳常数的变化至多使地球表面的温度受到零点几度的扰动,问题的关键在于能够激发低层大气发生变化的机制[6,10]

宇宙星云说:

该假说认为,地球冰期和小冰期的发生与太阳带领它的家族通过银河旋臂的时间有关。我们的银河系是一个漩涡状星系,它具有 4 条旋臂。根据星系旋臂形成假说,太阳及其家族在绕银河系核旋转时,每隔一个周期就要通过一次旋臂,而在旋臂里星际物质比较密集。因此有人认为,当太阳通过旋臂时,大量星际尘埃的存在使星际空间的透明度减少。太阳辐 射出来的光和热受到星际尘埃的反射和折射,到达地球的太阳能量就会减少,从而形成冰期或小冰期。宇宙尘埃云说是一种地外机制,但它也受到近期观测资料的挑战[9]

臭氧洞漏能说:

臭氧洞漏能效应是最近提出的一种高、低层大气中太阳能量重新分布的变化机制:国内外几乎所有的气候模式研究都表明,所谓全球气候变暖是指对流层里气候变暖,而在平流层里则是变冷的[11]。平流层里的臭氧吸收了进入大气层太阳总辐射的2%。臭氧含量减少,降低了平流层吸收太阳能量的能力,并将这部分能量泄漏给对流层。这就是臭氧洞漏能效应。太阳辐射变化、地球各圈层(包括地核、地幔、地壳、海洋和大气各圈层)差异旋转和大气污染使平流层臭氧减少,使对流层臭氧增加。这些是平流层变冷、对流层变暖的物理原因。80年代全球迅速变暖与平流层同期臭氧急剧下降密切相关;而60年代降温与平流层同期臭氧含量增加相对应[12~14]。计算表明,由太阳潮汐力产生的地球自转速度长时间减慢造成了地壳、平流层、对流层的差异旋转,加强了大气的绕极涡旋,形成近日点极昼处的最大臭氧洞(南极臭氧洞)和远日点极昼处的较小臭氧洞(北极臭氧洞)。最大臭氧洞在南北极的交替出现与地球轨道近日点的进动(周期约为2万年)有关,臭氧洞的规模与黄赤交角(周期约为4万年)及地球轨道偏心率(周期约为10万年)有关。当平流层底部积聚了大量卤素(由火山喷发等自然作用和人类污染源产生),极昼时过量紫外线可以穿透平流层到达其底部,使卤素光解出ClBr等离子,它们随绕极涡旋上升,破坏了臭氧。因此,影响地球气候变化的轨道三要素同时也影响臭氧变化,它们共同完成地球长短周期的气候变化过程。例如,一万年前近日点在夏至,地球轨道偏心率也达到本周期的最大值,最大臭氧洞出现在北极,造成了北极冰盖的大规模融化;而公元1250年近日点在冬至,地球轨道偏心率逐渐变小,最大臭氧洞出现在南极,造成南极冰盖较小规模的融化。月亮潮汐力周期地加强或减弱这一效应,并引起臭氧异常分布和厄尔尼诺现象[13,15-19]
20世纪80年代全球迅速变暖与平流层臭氧急剧减少相关,而60年代降温与同期平流层臭氧含量增加一一对应[20]。平流层臭氧含量增加对应地球低温,平流层臭氧含量减少对应全球增温。全球变暖与南北极臭氧洞扩大相对应,小冰期可能起源于平流层臭氧含量增大,太阳活动减弱是臭氧含量增大的原因。

地磁层漏能效应:

电离层吸收太阳辐射的7%。地磁场强度越大,电离层的离子密度就越大,吸收太阳辐射的能力就越强。二千年以来全球磁场持续减弱,而最近150多年地磁强度下降了10%~15%。南大西洋出现地磁异常区,其磁场减弱达35%,地球磁极弱化,处于“磁极翻转”的雏形阶段,这可能是地球发生许多灾变和异常现象的深层原因[141620]
地磁场强度增强,全球气温变冷;地磁场强度减弱,全球变暖。地磁场强度增强可能是小冰期形成的一个原因。

潮汐震荡调温说:

2000年查尔斯·季林(Keeling)提出,强潮汐把海洋深处的冷水带到海面,使全球气候变冷,形成的全球气候波动周期大约为1800年。在十五世纪小冰期时期,潮汐强度为最大值,以后开始减弱,直到3100年潮汐强度又将达到最大值。潮汐调温效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到二十四世纪,而后随着潮汐的增强,地球的气候将逐渐变冷[21]
强潮汐震荡是小冰期产生的可能原因[22]

火山活动致冷说:

如文献[5]所述,现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是:小冰期对应强火山活动,小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后,较小的气溶胶可在数月内传播到全球,并可在平流层内持续漂浮1~3年,使太阳直接辐射减弱,造成大气降温[23]
最近,一个由多国科学家组成的研究小组近日在《地球物理通讯》月刊发表研究报告称地球的小冰期是由火山喷发造成的。“小冰期”(Small glacier epoch)通常是指从15世纪初到19世纪末,全球气候进入的一个寒冷时期,在中国也称为“明清小冰期”。对于“小冰期”的成因科学界一直有着不同的说法。由美国科罗拉多大学气候科学家吉福德·米勒带领的国际科学团队对冰岛和加拿大古代植物和冰川样本进行了研究,最新发表的研究报告显示火山喷发导致了“小冰期”的到来。
研究报告称,1275年到1300年之间,热带地区经历过四次大规模火山喷发,喷发出来的大量硫酸盐颗粒进入大气层上空发射了太阳辐射,使地球气温降低;1430年到1450年,也发生了一轮大规模火山喷发,其中包括瓦努阿图的火山。研究人员通过碳14测定,研究小组分析了约147种样本,并发现了两个突然的集中死亡时期,这两个时期发生在冰冠大量增长的时候。一个是在1275年到1300年,一个是在1430年到1450年。这与火山大规模喷发的时间相吻合。
虽然火山喷发导致的气温骤降的时间并不长,但是足以使北冰洋的冰川夏季也扩张。太阳辐射反射减少了墨西哥湾暖流,气温持续下降。这也是为什么火山喷发导致了短暂气温下降会导致几个世纪的寒冷时期“小冰期”的到来[24]
冰岛和美国等国的科研人员最新研究认为,地球小冰期始于13世纪后期,这比当前地质学界普遍接受的小冰期起始时间提前了100多年。

火山喷发的原因:

小冰期是在中世纪温暖时期之后开始的。中世纪全球变暖导致冰川融化和海平面上升,破坏了原有的地壳均衡,导致失去冰盖的大陆上升和增加海水的大洋下沉,由此引发的地壳均衡运动被称为冰川地壳均衡运动和水均衡运动,从而激发地震火山活动大规模发生。

重要提示:

对比可知,火山喷发导致小冰期的观点不是外国科学家现在首次提出的,中国学者张振克等人在2000年就提出了这一观点。类似问题一再重演,中国学者的首发权应该引起重视,不能掉以轻心[25]

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