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南极威德尔海浮冰景观。
南极威德尔海浮冰景观。 图片来源:ImageBROKER/Alamy Stock Photo
2020年7月2日16:00

解释者:二氧化碳浓度的上升和下降是如何影响冰期的

泽克·豪斯的父亲

泽克·豪斯的父亲

2020年7月2日下午4:00
解释者:二氧化碳浓度的上升和下降是如何影响冰期的

在过去的11000年里,地球的气候相当稳定一个重要的作用在人类文明的发展中。

在此之前,地球经历了长达数万年的冰河期。在地球过去的百万年历史中,一系列的冰河期被相对较短的升温期所打破。

这些冰期是由地球轨道的缓慢变化触发和结束的。但大气中二氧化碳浓度的变化也对冰河期开始时的降温和冰河期结束时的变暖起着关键作用。

上一次冰河时期,全球平均气温比今天低4摄氏度左右。如果排放量继续上升,本世纪全球变暖的程度将超过2万年前最后一个冰河世纪中期到今天。

在本书中,《碳简报》探讨了上一个冰河时亚慱官网代如何为二氧化碳作为地球气候的“控制旋钮”的作用提供了强有力的证据。它也起到了警示作用,告诉人们气候是如何从相对较小的外界“外力”中经历巨大变化的。

米兰科维奇循环

地球经历过在过去的百万年中,大量的大陆冰原覆盖了北半球的大部分地区。这些冰期与全球气温的大幅下降有关——比今天的水平低4摄氏度或更多——陆地和高纬度地区的变化要大得多。

这些冰期被“间冰期”所打断,温度上升到目前的水平。最近的冰河期发生在12万至11.5万年前,而当前的间冰期全新世–预计将持续更长时间几万年(1)人类活动可能会无意中耽误下一个冰河世纪的开始(甚至更远)。

冰期周期主要由地球轨道的周期性变化驱动。三个不同的轨道周期米兰科维奇循环他们的发现者塞尔维亚科学家Milutin Milankovich博士–相互作用,以显著影响地球气候的方式改变入射太阳能的分布。

来自大学大气研究中心彗星计划的三个米兰科维奇周期的图解。
三个米兰科维奇旋回的图解彗星程序在大学大气研究中心。

其中包括:

  • 岁差-地球自转轴方向26000年的移动,影响高纬度地区夏季太阳的接收量(以及到达南北方向的移动量)。
  • 倾角-地球轴线相对于太阳倾斜41000年的变化,它改变了一年中两极和赤道接收到的太阳数量。
  • 偏心率——地球绕太阳轨道形状的100000-400000变化,改变了季节的长度,影响岁差的重要性。

这三个周期在不同的时期以不同的方式重叠,这意味着冰河期的持续时间并不总是相同的。这些周期都没有实质性地改变从太阳到达地球的能量总量;相反,它们主要是改变太阳能量在地球表面的分布。

当这些周期导致北纬地区夏季日照减少时,就使得冰盖开始扩张。这些冰原反过来又将更多的入射阳光反射回太空,从而产生一种“正反馈”,推动区域进一步降温。

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

温室气体

太阳能量在地球表面分布的这些变化不足以解释冰河时期气候的剧烈变化,特别是在高纬度地区以外。

大气温室气体浓度的变化,特别是二氧化碳浓度的变化,在冰河期寒冷条件和间冰期温暖条件的发展中起着重要作用。在这种情况下,二氧化碳并不是冰河期的直接原因;相反,它是一种反馈,用来放大由轨道变化引起的变化。

众所周知,冰河时期的温度和二氧化碳浓度之间存在着相关性。下图显示了两种温度(红线)–根据液压rogen同位素分析-和大气yabo亚博体育app下载CO2浓度(蓝线)在过去80万年中,南极冰层中的气泡。

(这些古老的气泡是通过钻孔进入的冰芯穿过冰原和冰川。冰芯只是“代理数据”的一个例子,从遥远的过去收集的气候信息来自于地球上以各种形式存在的间接证据。)

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CO2数据(蓝线),重建了南极福地穹顶的南极气温(红线)。数据跨度从公元前23000年到公元前8500年。
南极重建空气温度(红线)在南极洲富士圆顶遗址使用同位素模拟Uemura等人(2018年)南极复合冰芯大气二氧化碳数据(蓝线)Bereiter等人(2014年). 数据跨度从公元前800000年到1980年。碳纤维简图亚慱官网海图.

尽管二氧化碳浓度很好地代表了全球平均值,因为二氧化碳是充分混合温室气体——需要注意的是,这里显示的温度重建仅代表南极洲。有有力的证据根据上一次冰河时期全球各地的气候指标显示,气温下降的幅度要小得多-大约一半–随着南极温度的升高。

轨道周期的变化不会立即引起大气中二氧化碳的上升或下降。相反,高纬度地区冰盖的初始增加会触发反馈,导致冰河期开始时大气中的二氧化碳含量下降。

这有很多种方式。随着冰盖的增长,海平面急剧变化,与今天的水平面相比下降了120米左右,暴露了目前水下的大片土地,使得正在生长的植被吸收了更多的二氧化碳。

更冷的海水溶解更多的二氧化碳,从大气中吸收更多,虽然这是有点偏移更高的盐度对海洋吸收二氧化碳的影响——因为雪中的淡水冻结成冰原。

此外,冰河时期的冰川将岩石磨成尘埃,为海洋生物提供营养,当植物被吃掉并沉入海洋时,有助于增加深海中的碳含量。

词汇表
反照率:这是一种测量太阳能量有多少被表面反射的方法。它源于拉丁语albus,意思是白色。反照率是用百分比来衡量的…阅读更多

膨胀的海冰也覆盖了海洋的某些区域,在这些区域上涌有助于将深海二氧化碳带回到海面,限制数量从海洋释放回大气的二氧化碳。由风、蒸发和盐度驱动的海洋环流变化也在减少与冰川作用有关的二氧化碳方面发挥了作用。

最后,海平面下降还会影响珊瑚礁和其他海洋生态系统的生长,从而影响海洋中二氧化碳的储存量。

作为理查德·艾利教授地球科学教授亚慱彩票APP宾夕法尼亚州立大学,告诉Carbo亚慱官网n简报:

轨道特征对到达地球的总阳光的影响几乎为零;阳光只是在地区和季节之间移动。但是,整个世界都进入了冰河期,冰河期过后,整个世界都在变暖,尽管当另一半得到更多的太阳时,一半的世界得到的太阳更少。到目前为止,所有的解释都需要二氧化碳的影响,这很好地解释了它。

A最近的研究通过Daniel Baggenstos博士瑞士伯尔尼大学同事们研究了从最后一个冰河期到当前间冰期过渡期间不同因素的相对贡献。他们发现,反照率——随着冰原收缩而改变的表面反射率——是造成大约一半气候变暖的最大因素,而改变二氧化碳浓度和其他温室气体是造成37%气候变暖的原因,同时减少了反射性尘埃和其他温室气体的数量气溶胶在大气中占了剩下的13%。

滞后和超前

网上有很多关于冰河时期二氧化碳作用的讨论,还有关联参数那些对气候变化持怀疑态度的人关注的焦点是,冰河时代末期的“冰消作用”期间,二氧化碳的排放滞后于气温。

然而,在某些方面,这正是我们所期望的;在上一个冰河世纪末,没有人类燃烧化石燃料,因此二氧化碳更像是一种燃料反馈改变轨道而不是气候强迫就是今天。

艾利告诉《碳简报》:亚慱官网

“轨道没有办法直接改变二氧化碳——在北方的夏天,更多的太阳融化了冰,但不会立即导致二氧化碳的变化。所以,二氧化碳一定是一种反馈。因为阳光的量和冰的量对温度有直接和直接的影响,地球上应该有一些地方二氧化碳的任何变化都是滞后的,而不是导致轨道原因和温度变化。

这不应该困扰任何人。我有时用的比喻是,如果我的信用卡超支而负债,利息就会增加,使我的债务更大。利息滞后于债务——首先我负债,然后我支付利息,然后我进一步负债。几乎每个人都明白,这是一个明智的,如果不愉快的情况。当轨道影响到冰和温度时,这就改变了其他的东西,反过来又影响到二氧化碳,而二氧化碳反过来又影响到温度——如果理解了整个故事,同样是合理的。”

也就是说,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,对冰期结束时二氧化碳和温度之间相互关系的理解有所提高。

虽然科学家过去认为,在冰消期,二氧化碳使气温滞后600至1000年,但最近的一些研究表明,这种滞后是非常严重的相当小甚至太小,无法检测. 这是一个挑战恰恰匹配冰芯的二氧化碳记录和温度记录是因为冰原上新的降雪(捕获气泡)和雪慢慢压缩成冰之间有一个延迟。

下图显示了南极的温度(红线)和最近的代理重建(蓝线)在最后一个冰河时代结束时(从公元前23000年到公元前8500年)产生的二氧化碳。虽然某些时期可能会经历几百年的滞后,但这种关系似乎比早期重建所提出的更紧密的耦合,具有更大的不确定性。

标题
南极重建空气温度(红线)在南极洲富士圆顶遗址使用同位素模拟Uemura等人,2018年南极复合冰芯大气二氧化碳数据(蓝线)Bereiter等人2014年. 数据跨度从公元前23000年到公元前8500年。碳纤维简图亚慱官网海图.

此外,仅从南极洲的温度数据来看,也模糊了一个更加微妙的全球图像。

A2013年论文通过Jeremy Shakun博士属于波士顿学院他的同事们研究了上一个冰河世纪末全世界80个气候替代记录的网络。他们发现,虽然二氧化碳通常滞后于南半球的温度,这与南极的重建是一致的,但世界其他地区的情况并非如此。

北半球和全球总体温度实际上都滞后于二氧化碳;换句话说,就整个世界而言,变暖发生在大气二氧化碳浓度增加之后。原因是什么都很复杂冰河时代结束时,部分是由洋流的变化驱动的。

下图显示了Shakun等人2013年关于世界不同地区的论文的结果,以及他们在上一个冰河期结束期间不同气候代理位置和时间段的估计中的不确定性。橙色表示南半球,蓝色表示北半球,灰色表示全球温度估计。y轴上的计数表示1000次模拟中有多少次显示了这种大小的滞后,这1000次模拟检验了结果对二氧化碳年龄数据和代理温度估计的不确定性的敏感性。

全球(灰色)、北半球(NH;蓝色)和南半球(SH;红色)的大气CO2浓度和温度在20000年到10000年前增加的滞后。
全球(灰色)、北半球(NH;蓝色)和南半球(SH;红色)的大气CO2浓度和温度在20000年到10000年前增加的滞后。图2bShakun等人2013年.

具体来说,沙坤和他的同事认为,轨道周期的变化引发了北半球冰原的最初融化。由于冰原融化,大量淡水涌入海洋,扰乱了海洋大西洋经向翻转环流反过来,北半球变冷,南半球变暖。

这个南半球变暖引起了海洋释放二氧化碳,这反过来又加热了整个星球。Shakun等建议在CO2增加后最后一次冰河时代结束时绝大多数全球变暖,尽管这种变暖是由反博会(反射率)变化和温室效应的组合驱动的。

我们能从冰川循环中学到什么

过去冰河时代的世界与今天大不相同。不一定假设今天所有的力量都在起作用,因为现在人类排放的气体推动了气候变化。

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,气温上升预计不会推动海洋释放二氧化碳——尽管海洋二氧化碳汇的强度是有限的预计将减少随着世界继续变暖。

虽然在过去的一百万年里,二氧化碳和温度之间有着明显的关系,很难推断未来地球气候的变化。例如,在上一个冰河世纪末,大气中的二氧化碳浓度增加了50%左右,而全球气温却增加了4摄氏度左右。如果二氧化碳是唯一的影响因素,这就意味着一个非常高的温度气候敏感性二氧化碳排放量——每增加一倍二氧化碳排放量约为8摄氏度,远高于基于气候模型的当前估计以及其他证据。

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但是,如果二氧化碳只贡献了35%左右在上一个冰河世纪末的气候变暖中,冰原融化引起的反照率变化起着主要作用,这意味着气候敏感性约为3摄氏度,这与目前的模型估计值更为一致,不过,有一个新的假设非常大的不确定性考虑到模型在这段时间内模拟全球变化的精确程度有限。

同时,事实上,二氧化碳在冰河期放大初始轨道变化中扮演了如此重要的角色,这进一步证实了它的作用主控制旋钮地球气候的变化。

在冰河时期,相对较小的外部作用力变化可以驱动如此大的行星响应,这一事实应该作为一个谨慎的例子。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脱离了过去几百万年的气候条件。

全球气温只有4摄氏度左右冷在最后一个冰河时期比今天更重要。在减排力度有限的高排放情景下,一个多世纪内全球变暖的程度很可能超过上一个冰河世纪末数千年来的变暖程度。

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