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冰冷的景观,包装冰,婚礼海,南极洲。
冰冷的景观,包装冰,婚礼海,南极洲。 资料来源:ImageBROKER / Alamy Stock Photo
20日7月2日16:00

解释者:二氧化碳水平的上升和下降如何影响冰龄

Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

07.02.20
Zeke Hausfather.

Zeke Hausfather.

02.07.2020 |4:00 PM
解释者:二氧化碳水平的上升和下降如何影响冰龄

在过去的11,000年里,地球的气候已经非常稳定,扮演一个重要的角色在人类文明的发展中。

在此之前,地球经历了一个持续了数万年的冰河时代。在过去的一百万年里,地球的历史以一系列的冰河时代为特征,这些冰河时代被相对较短的温度升高所打破。

这些冰河时期是由地球轨道的缓慢变化触发并结束的。但是,大气中二氧化碳浓度的变化也在推动冰期开始时的降温和冰期结束时的升温方面起着关键作用。

上一个冰河时期的全球平均气温比现在低4摄氏度左右。一个切实的风险是,如果排放量继续上升,本世纪全球变暖的程度将超过2万年前上一个冰川期中期到今天的程度。

在这个解释中,Carbon Brief亚慱官网探讨了最后一个冰期是如何提供强有力的证据,证明二氧化碳在地球气候中扮演着“控制旋钮”的角色。它也是一个警示故事,告诉人们气候是如何从相对较小的外部“力量”中经历巨大变化的。

米兰科赫循环

地球经历过在过去的一百万年里,大型大陆冰盖的许多时期都覆盖了大量北半球。这些冰龄与全球温度的大幅下降 - 4C或更高的今天的水平 - 在土地和高纬度地区的变化大得多。

这些冰川期不时被“间冰期”打断,温度会上升到目前的水平。最近一次冰河期发生在12万到11500年前,而现在是间冰期全新世-预计将持续更长时间几万年(和人类活动可能无意中拖延进一步的下一个冰河时代的开始)。

冰期周期主要是由地球轨道的周期性变化驱动的。三个不同的轨道循环米兰科赫循环他们发现后,塞尔维亚科学家Milutin米兰柯维奇博士- 互动,以改变进入太阳能的分布,以大大影响地球气候。

三个米兰科夫循环的例证从彗星节目的在大学的大气研究中心。
三个米兰科接近周期的例证彗星计划在大学大气研究中心。

这些包括:

  • 岁差——地球旋转轴的方向在26000年的变化,影响夏季高纬度地区接收到多少太阳(并改变多少到达北方和南方)。
  • 倾斜 - 在地球轴的倾斜度相对于太阳倾斜的41,000岁的变化,改变了两年期间在杆子与赤道的一年内收到了多少太阳。
  • 地球绕太阳公转轨道的形状发生了10万到40万的变化,改变了季节的长度,影响了岁差的重要性。

这三个周期以不同的时期随着时间的推移而在不同的方式重叠,这意味着ICE年龄并不总是具有相同的持续时间。这些循环中没有一个显着改变从太阳到达地球的总能量;相反,它们主要是为了改变整个地球表面的太阳能量的分布。

当这些循环导致北部纬度夏天越来越少,它允许冰盖开始扩张。这些冰盖反过来反射更多的阳光返回空间,导致驱动额外区域冷却的“正反馈”。

北纬比南纬重要得多——至少在过去的几百万年里是这样——因为它包含更多的陆地面积(比海洋更容易被冰覆盖),而且南极一直被冰覆盖着。

温室气体

这些转变在地球表面上的太阳能量的分布是不足以解释在冰龄期间气候的巨大变化,特别是高纬度地区。

大气温室气体浓度的变化——尤其是二氧化碳——在冰期寒冷条件和间冰期温暖条件的形成过程中发挥了重要作用。在这种情况下,二氧化碳不是冰河时代的直接原因;相反,它是一种反馈,放大轨道变化引起的变化。

在冰川时期的温度和CO2浓度之间存在众所周知的相关性。下图显示了温度(红线) - 重建海德拉巴Rogogen同位素分析 -yabo亚博体育app下载 和大气二氧化碳浓度(蓝线)在过去的80万年中,来自南极冰的气泡。

(这些古老的气泡通过钻孔进行访问冰核通过冰盖和冰川。冰核只是“代理数据”的一个例子,其中来自遥远过去的气候信息从间接证据收集,这些证据被锁定在地球上的各种形式。)

利用Uemura等人2018年的同位素模拟和Bereiter等人2014年的南极复合冰芯大气二氧化碳数据(蓝线),南极富士圆丘监测点的南极气温(红线)重建。数据跨度从公元前23000年到公元前8500年。
南极重建的空气温度(红线)在穹顶富士站点南极洲使用同位素建模Uemura等人(2018)和南极复合冰核心大气二氧化碳数据(蓝线)来自Bereiter等(2014).数据跨越80万BCE到1980年的时期。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

虽然二氧化碳浓度提供了全局平均值的良好代表 - 因为CO2是一个混合温室气体——值得注意的是,这里显示的温度重建仅代表南极洲。有有力的证据从上个冰川期全球气候指标来看,气温下降的幅度要小得多大约是一半南极的温度。

轨道循环的变化不会立即导致升高或落入大气二氧化碳。相反,高纬度区域的冰盖上的初始增加触发导致大气二氧化碳的反馈落在冰龄的开始时。

这以多种方式发生。随着冰床的增长,海平面剧烈变化,与今天的水平相比,跌幅大约120米,并暴露当前水下的大面积土地并允许种植植被占用更多二氧化碳。

寒冷的海水溶解更多二氧化碳,从大气中吸收更多,虽然这是有点偏移这是由于高盐度对海洋二氧化碳吸收的影响——因为来自冰雪的淡水会冻结成冰盖。

此外,冰河时代的冰川将岩石研磨成尘土,为海洋生物提供营养,帮助增加海洋深处的碳含量,因为植物被吃掉并沉入海洋。

词汇表
反照率:这是一种衡量太阳能量被表面反射的大量的能量。它来源于拉丁语albus,意思是白色。Albedo被测量为百分比......阅读更多

扩展的海冰也占地的海洋地区,其中提升有助于将深海二氧化碳带回表面,限制可以从海洋释放到大气中的二氧化碳。随风,蒸发和盐度驱动的海洋循环的变化也在减少与冰发术相关的二氧化碳中发挥作用。

最后,落地海平面也影响了珊瑚礁和其他影响海洋中储存的二氧化碳量的海洋生态系统的生长。

作为理查德教授巷,地质教授亚慱彩票APP宾夕法尼亚州立大学,讲碳简介:亚慱官网

轨道特征对到达地球的总阳光上的影响几乎是零;阳光刚刚在地区和季节之间移动。但是,整个世界都冷却到冰河时代,尽管世界上有一半的世界变得越来越多,但整个世界都会出现在冰河时代。而且,到目前为止,所有这些解释都需要二氧化碳的影响,这精美地解释它。

一种最近的研究经过丹尼尔博士Baggenstos伯尔尼大学同事们在从最后一次冰河时代到当前的中间批位期间,在过渡期间审查了不同因素的相对贡献。他们发现,作为冰盖收缩的Albedo改变了表面的反射率 - 是负责大约一半的变暖的最大因素,同时改变二氧化碳浓度和其他温室气体负责37%,而反射粉尘量的减少其他气溶胶大气中占了剩下的13%。

落后和领先

网上有很多关于二氧化碳在冰河时代的作用的讨论相关论点气候变化怀疑论者所关注的一个事实是,在冰期末期的“冰川消退”期间,二氧化碳滞后于温度。

然而,在某些方面,这正是我们所期望的;在最后一次冰河时代结束时没有人类燃烧化石燃料,所以二氧化碳送达了反馈改变轨道而不是气候迫使就是今天。

正如艾利告诉碳简报的那样:亚慱官网

“轨道无法直接改变二氧化碳 - 北方夏季的速度更多,融化了冰,但不会立即导致二氧化碳改变。因此,二氧化碳必须是反馈意见。因为阳光的数量 - 以及冰量 - 具有直接和立即对温度的影响,在地球上应该有任何地方,其中CO2滞后的任何变化而不是引领轨道原因和温度变化。

这不应该打扰任何人。它经常这样做,但它不应该。你有时使用的类比是,如果我超越我的信用卡并投入债务,兴趣会让我的债务更大。利息滞后债务 - 首先我陷入债务,然后我付出兴趣,然后我进一步偿还债务。几乎每个人都明白这是一个明智的,如果不愉快的情况。当轨道影响冰和温度时,这会改变其他事情,又影响二氧化碳,这反过来又影响温度 - 如果理解完整的故事,就会相似明智。“

尽管如此,近年来,随着对南极冰芯过去温度和二氧化碳水平的更好重建,人们对冰期末期二氧化碳和温度之间相互关系的理解有所加深。

虽然科学家习惯于认为二氧化碳的温度滞后600至1,000年在亡观期间,最近的一些研究表明滞后是相当小甚至太小,无法检测.这是具有挑战性的精确匹配CO2从冰芯记录和温度记录,因为冰盖上的新降雪之间存在延迟(捕获气泡),然后慢慢压缩成冰。

下图显示了最后一次冰河时代结束期间的南极温度(红色线)和来自最近代理重建(蓝线)的CO2 - 从23,000bc到8,500bc。虽然某些时期可能会经历几百年的滞后,但这种关系看起来比早期的重建提出更大的不确定因素更紧张。

标题
南极重建的空气温度(红线)在南极富士圆顶基地使用同位素模拟Uemura等人2018和南极复合冰核心大气二氧化碳数据(蓝线)来自Bereiter等人2014.数据跨度从公元前23000年到公元前8500年。图表由碳简报使用亚慱官网高级园林

此外,仅看南极的温度数据也掩盖了更微妙的全球图景。

一种2013纸经过杰里米博士波士顿学院同事在最后一次冰河时代结束时审查了世界各地80个气候代理记录的网络。他们发现,虽然二氧化碳通常在南半球的温度滞后 - 与南极重建一致 - 对世界其他地区来说也不是正确的。

北半球和全球总体温度实际上都落后于二氧化碳;换句话说,对于整个世界来说,变暖发生在大气中二氧化碳浓度增加之后。原因是是复杂的部分原因是冰河时代结束时洋流的变化。

下图显示了Shakun等人2013年的论文对世界不同地区的结果,以及他们对上一个冰期末期不同气候代理地点和时间时期的估算的不确定性。橙色值代表南半球,蓝色值代表北半球,灰色值代表全球气温估计数。y轴上的计数代表了1000个模拟中有多少个模拟显示了这种程度的滞后——这些模拟检查了结果对二氧化碳年龄测定和代理温度估计的不确定性的敏感性。

全球(灰色)的大气二氧化碳浓度和温度之间的滞后,北半球(NH;蓝色)和南半球(Sh; Red)代理堆栈在此期间从20,000到10,000年。
全球(灰色)的大气二氧化碳浓度和温度之间的滞后,北半球(NH;蓝色)和南半球(Sh; Red)代理堆栈在此期间从20,000到10,000年。图2b in.Shakun等人2013

具体而言,Shakun及其同事们认为轨道周期的变化引发了北半球冰盖的初始熔化。这导致大量淡水倒入海洋,因为冰盖融化,扰乱了大西洋经向翻转环流(amoc),反过来,它又冷却了北半球并加热了南半球。

南半球的变暖导致海洋中二氧化碳的释放,反过来又使整个地球变暖。Shakun等人认为,上个冰期末期的全球变暖绝大多数发生在CO2增加之后,尽管这种变暖是由反射率变化和温室效应共同驱动的。

我们可以从冰川周期中学到什么

过去冰川期的世界与今天非常不同。我们并不一定认为今天所有的力量都在起作用,因为人类排放导致了气候变化。

例如,南大洋没有大规模的海冰覆盖,这意味着在目前的气候条件下,气温上升不会导致海洋二氧化碳的释放——尽管海洋二氧化碳汇的强度是这样的预计将减少随着世界的不断变暖。

虽然在过去百万年的CO2和温度之间存在明显的关系,但难以推断未来的地球气候变化。例如,在最后一次冰河时代的末端,大气压二氧化碳浓度增加约50%,而全球温度增加约4℃。如果二氧化碳是工作中唯一的因素,那么这意味着很高气候的敏感性CO2 - 每加倍CO2约8C,远高于基于气候模型的当前估计和其他证据。

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但是,如果二氧化碳只贡献了大约35%在最后一次冰河时代结束时的变暖 - 随着熔炼冰盖的改变冰片发挥着重要作用 - 这意味着围绕3C的气候敏感性 - 与当前的模型估计有更多的惯例,但是非常大的不确定性鉴于模型在这段时期内模拟全球变化的准确性存在局限性。

与此同时,二氧化碳在冰河时期的初始轨道变化中发挥了如此重要的作用,这进一步证实了它的作用主要控制旋钮地球的气候。

在冰川期,相对较小的外部力量变化可以驱动如此巨大的行星反应,这一事实应该成为一个警示的例子。这是因为人类排放的二氧化碳和其他温室气体使地球进一步超出了过去几百万年的气候条件范围。

全球气温是只有左右4℃寒冷在最后的冰河时代比今天。在较高的排放情景下,减缓努力有限,世界上可能在多世纪以来的时间更加温暖,而不是在最后一千年的冰河时代结束时变暖。

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