萝莉写真馆微博:IPCC说了什么?(十二)冰期古气候研究
重建古气候信息最重要的时间序列资料是从冰芯里面得到的。冰川的沉积有很好的时间序列,可以通过技术手段对不同截面冰芯的时间进行推测,而冰芯里面所储存 的微小气泡,就可以提供古代气体的直接资料。目前通过对冰芯进行分析,已经可以重建65万年以来的很多气候信息。研究古气候很多时候都无法进行甚至间接测 量,只能使用代用资料,这些代用资料利用涉及到化学、物理和生物参数的变化。很多生物有机体,比如树木、珊瑚、浮游生物、动物等等,对不同的气候有不同的 变化,分析这些资料,很多时候是化石资料,就可以重建这些生物体的生长过程信息。比如树木年轮的宽度,密度就可以来推断当时的温度变化等等信息。不过使用 代用资料的时候需要很谨慎,单一的某种代用资料往往不够全面充分,代表性不足,所以古气候研究很多时候需要使用多种代用资料进行交叉检验,尽可能更全面地 分析问题,也可以了解不同资料的可靠程度和处理方法。不过无论人们怎么努力,古气候研究所使用的资料无论从空间分布上还是时间跨度上都是非常有限的,要使 用这些分析结果进行局部的甚至全球的气候分析,就需要在样品的空间时间季节分布等等方面特别小心。
虽然很早就有人通过各种资料对古代气候进行分析描述,古气候学真正起步是从1970年代开始的。早期的研究集中在冰河时期的研究上,揭示了小冰川期和中世 纪暖期的存在。1980年代特别是1990年代以后,古气候学的研究进步迅速,已经可以对很多问题进行更加严格系统地分析,不过整体上来讲,这个学科仍然 处于发展之中。
中间的图的黑色数据是通过对深海底有孔虫沉积进行采样分析得到的6500万年以来的O18含量纪录。在海洋不结冰的时候,O18的含量与深层海水温度有直 接关系,图中的红线表示的是这个情况,可以看出这个时期深海海水温度很高,最热的时候竟然超过了12摄氏度。在大约3300万年前海洋开始结冰以 后,O18的含量变化就与南北极的冰面面积有关。图中的蓝色横条显示了冰面的情况,从上到下分别是南极东部冰原、南极西部冰原、北半球冰原。虚线的地方是 临时性冰面或者冰面面积比目前的冰面小的时期,实线的部分是冰面面积和现代的冰面面积相当或者更大的时期。
下面的图是6500万年以来的大气二氧化碳纪录。不同颜色的数据是不同研究者得到的不同结果,一个个长条实际上是一个个数据,长条的范围表示误差,可以看 出估计的误差还是非常大。这一阶段对于样本时间的估计误差也是惊人的,经过人们多年的努力,对时间的估计的误差仍然在100万年左右。这里面引起较多人兴 趣的是在300-330万年的这个阶段。一般认为这个时候地球的温度比工业化前要温暖2-3摄氏度,这个幅度基本上是很多模型预计的21世纪中后期的地球 升温幅度。由于那个时候现代人还没有出现,所以这个时期应该可以反映在没有人类干扰的情况下,这个温度状态下的自然平衡。300万年在地质上相距现在的时 间并不算遥远,大陆、海洋的位置、植被等等情况都与人类工业化以前的地球比较接近,所以有很重要的参考价值。目前估计这个时期的大气二氧化碳浓度在 360-400ppm之间,海平面比目前要高出15-25米,冰面的面积比现在也要小很多,陆地旱情也要比现在缓解不少。此外还发现了极地温度升高幅度很 大,而热带地区温度与现在差别不明显。当然,因为信息并不完整,这些结论也许与使用的数据重建方法的可靠性有关。
到目前为止的最后一次冰期,或者叫末次冰期,开始于11万6千年前,一直持续到2万1千年前,已经有证据证明冰期的发生和结束都与地球的轨道运动有关,有 个专门名词描述轨道运动变化而导致的能量变化,叫做轨道强迫。轨道强迫发生之后,地球的化学和物理变化对这个强迫进行反馈,放大了这个轨道强迫的效应。使 用轨道强迫的概念对末次冰期进行模拟,基本上可以重建温度和降水形态变化的特征。轨道强迫模型还可以模拟6000年前的中纬度变暖以及增强的季风等变化, 模拟当时的温度变化幅度。也就是因为目前对轨道强迫的理解,研究者认为目前的间冰期应该至少持续上万年的时间,甚至认为促发11万6千年前冰期发生的北半 球夏季极冷现象可能还需要3万年才会再次发生。末次冰期前的就叫做末次间冰期,时间是从11万6千年前到13万年前。冰芯资料显示这个时候在格陵兰顶峰地 区仍然被冰覆盖,但是格陵兰岛南部的一些冰原面积在减少。冰芯资料还显示当时极地平均温度要比20世纪的极地温度高出3-5摄氏度。高温造成的北半球大量 的冰盖融化可能造成了高达4米的海平面升高,南极冰盖也有可能为海平面升高做出贡献。下图是重建的12万5千年前到13万年前北极夏季地表温度与现在的差 别(左),以及格陵兰和西北极海冰的最小冰层厚度与范围分布(右)。