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Science: 太阳辐射在间冰期末期激发的气候突变
2021-08-27 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  气候突变是以短时间尺度内发生剧烈的气候变化为标志,是地球科学领域研究的前沿热点问题之一,对现代以及未来全球气候变化具有重要的指示意义。长期以来,大量的古气候地质记录显示在末次冰期发生了广泛的气候突变事件。然而,随着越来越多较长时间尺度、高分辨率地质证据的出现,气候突变事件被发现不仅出现在较冷的冰期,而且也出现在与我们现代气候息息相关的较温暖的间冰期,尤其是在间冰期的末期。然而,是什么因素导致了这种温暖时期的气候突变尚不清楚。     

  太阳辐射是地球气候系统最重要的外部驱动力之一,对区域和全球气候变化均发挥着至关重要的作用。然而,由地球轨道因素引起的地表所接收的太阳辐射的变化非常缓慢(轨道尺度,万年到十万年级别),使得太阳辐射的影响在气候突变研究中常被忽视。在2021827日发表的Science期刊中(Yin et al., 2021),比利时新鲁汶大学(UCLouvain)的尹秋珍教授、新鲁汶大学和中科院地质与地球物理研究所联合培养的博士生吴志鹏等,通过对过去80万年以来11个间冰期阶段的气候瞬变模拟,发现在每个间冰期即将结束的时候,缓慢变化的太阳辐射都可以在全球范围内引起快速的气候突变事件。具体表现为,当北半球夏季太阳辐射降低到一个临界值时,大西洋经向翻转环流(AMOC)短时间内突然剧烈减弱,随之发生大幅度的振荡(图1)。AMOC的这种变化在北半球引起大范围快速降温事件,同时在不同地区的降雨和植被中也引起快速的波动。他们的研究揭示,这种太阳辐射引起的快速降温事件在北半球高纬度地区短时间内形成大量的积雪,有可能是造成间冰期温暖气候结束、寒冷冰期开始的一个重要因素。这一通过气候模拟获得的间冰期后期突然变冷事件包括它们发生的时间,也得到了格陵兰冰芯记录、伊比利亚边缘海浮游有孔虫壳体δ18O以及其他高分辨率记录的进一步证实。 

1 以末次间冰期为例显示的太阳辐射引起的AMOC和温度的变化(Yin et al., 2021)。(A)四个纬度(55°N65°N75°N85°N)夏半年平均太阳辐射的平均值,夏半年平均太阳辐射是由北半球夏半年总的太阳辐射除以其时间长度所得到;(B)大西洋径向翻转流(AMOC)强度;(C)北大西洋年均海表面温度(SST);(D)为(B)中“B”和“A”点的年均SST差异;(E)为(B)中“B”和“A”点年均表面气温差异

  尹秋珍等的模拟结果显示,间冰期末期AMOC的突然减弱受控于北半球高纬度夏季太阳辐射,而温室气体只起到轻微调控太阳辐射的作用。随着太阳辐射的逐渐降低,北极海冰范围逐渐扩张。当太阳辐射降低到一个临界值时,海冰开始覆盖拉布拉多海的对流中心,导致其对流突然关闭,引起AMOC的突然减弱。同时在北欧海北部,海冰与海洋内部温度的相互作用使得那里的对流产生了百年尺度的高振幅振荡,从而引起了AMOC的大幅度振荡。只有当太阳辐射重新升高到一定程度,使得拉布拉多海和北欧海北部不再被海冰覆盖,这种AMOC的大幅振荡才会停止。    

  由于不同间冰期太阳辐射的纬度和季节性分布不同,太阳辐射的临界值在不同间冰期也会略有不同,但都足够低,且变化范围较小,在352.1 W/m2 (MIS-15e)358.2 W/m2 (MIS-7a)之间(图2)。北半球夏季平均太阳辐射的变化同时受控于岁差和斜率,其中岁差的影响更为显著。尹秋珍等的研究表明,太阳辐射临界值的出现需要较大的岁差(北半球夏季在远日点且偏心率较大)以及较小的斜率。他们的研究显示,在过去80万年,这种太阳辐射临界值不仅出现在间冰期,也出现在很多冰期(图2)。但是由于冰期非常不同的气候条件(较大冰盖、较低温室气体等),冰期的太阳辐射临界值很有可能有别于间冰期的临界值。同时,他们的研究还显示,与过去80万年的间冰期相比,我们目前所处的间冰期非常特别,在很长的一段时间内太阳辐射都太高,不足以达到临界值,临界值只出现在5万年后(图2),与Berger and Loutre (2002)通过冰盖模拟得出我们目前所处的间冰期超长、下一个冰期在5万年后才可能出现的结论是一致的。 

2 过去80万年至未来10万年太阳辐射的临界值变化(Yin et al., 2021)。红色和蓝色曲线是平均夏半年太阳辐射(定义见图1)。灰色阴影是钻孔U1385底栖有孔虫δ18O曲线展示的冰期-间冰期旋回。两条水平虚线分别是太阳辐射的最高和最低临界值(358.2352.1Wm-2)。黄点表示间冰期末期AMOC突然减弱的时间点    

  主要参考文献 

  Berger A, Loutre M F. An exceptionally long interglacial ahead?[J]. Science, 2002, 297(5585): 1287-1288. 

  Yin Q Z, Wu Z P, Berger A, et al. Insolation triggered abrupt weakening of Atlantic circulation at the end of interglacials [J]. Science, 2021, 373: 1035-1040.      

(撰稿:吴志鹏,/新生代室)

 
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