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出品：科普中國

作者：臧銅鋼（古氣候?qū)W碩士研究生）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認(rèn)知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，認(rèn)識令人驚嘆的世界。

近些年來全球氣候變暖的問題日益受到關(guān)注，科學(xué)家對此議題也開展了長期而深入的研究。在這些研究中，很重要的一個內(nèi)容就是通過研究地球的歷史來試圖幫我們更好的預(yù)測未來。中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與氣候變化研究團(tuán)隊研究員敖紅與宋友桂等人就利用中國的黃土記錄，研究了百萬年前的一次重大氣候變化事件，對過去氣候變化的理解和未來氣候變化的預(yù)測做出了巨大的貢獻(xiàn)，這一研究成果于2024年4月19日發(fā)表在《自然-通訊》期刊上。

260萬年前，地球比現(xiàn)在熱得多

地球的氣候是一直在不停波動的，而且在過去的歷史上還有很長一段時間比現(xiàn)在還要溫暖。最近的一個溫暖時期就在距今約260萬年前的上新世到更新世的過渡期。

那時地球的全球平均溫度比現(xiàn)在高2-4℃，海平面比現(xiàn)在要高出約20米（即上海、天津、澳門等沿海地區(qū)全部都會被淹沒）。當(dāng)時的氣候條件和現(xiàn)在也完全不同，甚至在當(dāng)時連北極都不像現(xiàn)在這樣到處是冰雪覆蓋，只有南極覆蓋著冰蓋。這種情況被科學(xué)家稱為“單極冰室”，與現(xiàn)在的地球上南北兩極都被冰蓋覆蓋的“雙極冰室”相對應(yīng)。

但是隨后，地球進(jìn)入了一個漫長的冷卻期。

北極冰蓋擴(kuò)張與全球降溫

260萬年前，北半球的冰蓋剛剛開始擴(kuò)張，在格陵蘭島、北美和歐亞大陸上的冰蓋不僅厚度增加，同時還伴隨著很多小型冰山脫離冰蓋并飄入北太平洋和北大西洋。最終在全球溫度整體趨向于寒冷的條件下，北極逐漸布滿風(fēng)雪，由于冰川越多，水就會越少，在冰川最為廣闊的時候，海平面比現(xiàn)在低約100米。

一旦北極的冰蓋開始出現(xiàn)，全球的氣溫會進(jìn)一步持續(xù)降低。這是因為地球上的熱量是吸收太陽能而來，陽光照射到地球上后，有一部分被地球表面吸收，除了被地球吸收外還有一部分會反射回太空，森林、土壤、水面、冰雪等不同的地表類型對陽光的反射率也是完全不同的，而冰雪的反射率遠(yuǎn)高于其他地形。因此北極大量冰雪的形成，把更多的太陽光反射了回去，地球能吸收的能量就會減少，長此以往，地球變得越來越冷，從此在北極大量冰雪的影響下地球經(jīng)歷了非常久的持續(xù)降溫。最終形成了現(xiàn)在的南極、北極的“雙冰室”分布格局。

因此從北極冰蓋開始形成后整個地球的氣候開始慢慢變冷，但由于太陽本身的能量存在一定的強(qiáng)弱波動，因此在地球整體變得更加寒冷的大趨勢下，也會有小幅度的冷熱交替，以數(shù)萬年到數(shù)十萬年為周期變化，在相對溫暖的時期被稱為“間冰期”，而相對寒冷的時期被稱為“冰期”，現(xiàn)在的地球就處在一個相對溫暖的“間冰期”。

（圖片來源：veer圖庫）

北極冰蓋與亞洲冬季風(fēng)對我們的影響

北極冰蓋的出現(xiàn)對整個北半球乃至全球的氣候都產(chǎn)生了重大的影響，如北半球的冬季風(fēng)就與北極冰蓋息息相關(guān)。北方的冬天寒風(fēng)呼嘯，人們所謂的喝“西北風(fēng)”，這個“西北風(fēng)”其實就是冬季風(fēng)，它是由西伯利亞冷空氣向南移動形成的，如果冬季風(fēng)過于強(qiáng)盛，向更南的方向推進(jìn)，南方的冬天也會出現(xiàn)冰雹、大雪等天氣。

也因此一旦北極冰蓋消融，就會帶來非常嚴(yán)重的后果。除了大家眾所周知的冰蓋融化會導(dǎo)致海平面上升之外，北極冰蓋的消失還可能會導(dǎo)致亞洲冬季風(fēng)的減弱甚至消失，這會對整個亞洲的氣候造成顯著的改變，比如冬季氣溫升高，可能會擾亂目前的農(nóng)作物周期，目前的主食之一的小麥就可能因此而產(chǎn)量大減；還會導(dǎo)致我國南方洪澇災(zāi)害，造成居民傷亡和經(jīng)濟(jì)損失；此外，還有可能擾亂生態(tài)系統(tǒng)的平衡，以及可能對其它地區(qū)的氣候也有連帶影響等。

正是由于亞洲冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化和我們每一個人的生活都息息相關(guān)，因此它也一直是科學(xué)家的研究重點(diǎn)?？茖W(xué)家們研究冬季風(fēng)是為了更好的預(yù)測未來，但是要達(dá)到預(yù)測的目標(biāo)，他們首先需要研究冬季風(fēng)的歷史，這是因為只有當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了氣候變化的歷史規(guī)律，才能一定程度預(yù)測未來。

而在冬季風(fēng)的歷史研究中，最重要的就是：北極冰蓋形成之前冬季風(fēng)是否存在？冬季風(fēng)的強(qiáng)弱與北極冰蓋的變化是否有關(guān)系？

亞洲冬季風(fēng)示意圖

（圖片來源：《自然-通訊》雜志）

如何研究的過去的氣候變化

但是研究冬季風(fēng)的歷史變化又涉及到兩個難題：一是怎樣才能知道過去的氣候變化？二是如何確定氣候變化對應(yīng)的年代？

那么如何知道過去百萬年來亞洲冬季風(fēng)的變化呢？首先我們知道風(fēng)力較強(qiáng)的時候能帶動較粗的顆粒，風(fēng)力較弱的時候只能吹的動一些較細(xì)顆粒，因此土壤的粗細(xì)程度就能很好的指示季風(fēng)的強(qiáng)度。而亞洲冬季風(fēng)是從西伯利亞吹到我國，黃土高原就在亞洲冬季風(fēng)移動的必經(jīng)之路上，因此根據(jù)黃土高原上這些土壤顆粒的粗細(xì)變化就可以判斷在過去亞洲冬季風(fēng)的強(qiáng)度變化。

解決了冬季風(fēng)如何變化的問題，那么如何確定冬季風(fēng)變化對應(yīng)的時間呢。這里用的是“古地磁測年法”，地球磁場會影響礦物質(zhì)的磁性，地球磁場變化就會被礦物質(zhì)記錄下來。在過去，地球磁場曾有多次反轉(zhuǎn)。通過對地球磁場反轉(zhuǎn)的研究，科學(xué)家們編制出了地磁年代表?？茖W(xué)家只需對土壤礦物質(zhì)的磁性進(jìn)行研究，并且與地磁年代表進(jìn)行對比，可以確定土壤物質(zhì)的年代。

基于以上兩點(diǎn)，就可以較為準(zhǔn)確的判斷季風(fēng)強(qiáng)弱的變化以及對應(yīng)的年代。

研究有何發(fā)現(xiàn)？

中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與氣候變化研究團(tuán)隊研究員敖紅與宋友桂等人研究發(fā)現(xiàn)，亞洲季風(fēng)早在北極冰蓋形成之前就存在，但是在260萬年前北極冰蓋形成后，亞洲冬季風(fēng)的強(qiáng)度明顯增加了，同時還發(fā)現(xiàn)季風(fēng)強(qiáng)度一直以4萬年和10萬年的周期進(jìn)行變化，這個周期性并沒有受到北極冰蓋形成的影響。同時亞洲冬季風(fēng)4萬年和10萬年的變化周期竟然和全球的海平面變化周期幾乎完全一致。也就是說在過去的兩百多萬年里，海平面較高的時候亞洲冬季風(fēng)的強(qiáng)度都是處于較強(qiáng)的水平，同樣海平面較低時亞洲冬季風(fēng)都是處于較弱的水平。此外，在北半球冰川開始影響氣候之前，亞洲冬季風(fēng)的變化強(qiáng)度相對較弱。

此外，在北極冰蓋形成前后，除了4萬年和10萬年的周期變化外，亞洲冬季風(fēng)一直都有顯著的千年尺度波動，這樣千年尺度的波動變化在較溫暖（高CO?）的晚上新世和較寒冷（低CO?）的早更新世都持續(xù)存在，主要受到天文驅(qū)動和地球內(nèi)部氣候動力學(xué)的控制。

綜上，這一結(jié)果對于理解千年尺度的氣候動力學(xué)具有重要意義，說明了北極冰蓋大小只是影響亞洲冬季風(fēng)的強(qiáng)度，而沒有影響亞洲冬季風(fēng)的周期變化，從古至今亞洲冬季風(fēng)的強(qiáng)度一直是以4萬年、10萬年為大周期，千年尺度為小周期有規(guī)律的波動變化；同時亞洲冬季風(fēng)強(qiáng)度和全球海平面同步變化。

亞洲冬季風(fēng)強(qiáng)度和海平面變化等指標(biāo)對比

（圖片來源：《自然-通訊》雜志）

對我們有怎樣的啟發(fā)？

現(xiàn)在全球氣候變暖已經(jīng)是公認(rèn)的事實，但研究發(fā)現(xiàn)260萬年前全球氣溫比現(xiàn)在高2-4℃，而CO?濃度卻和現(xiàn)在濃度相當(dāng)，這樣看來，全球溫度是否會進(jìn)一步上升2-4℃？

研究發(fā)現(xiàn)亞洲季風(fēng)強(qiáng)度確實存在4萬年和10萬年以及千年尺度的變化周期，并且和海平面高度同步變化，那么未來是否可以通過監(jiān)測海平面變化來預(yù)測亞洲季風(fēng)的變化？這些變化又會對亞洲乃至全球氣候帶來什么樣的影響？我們?nèi)祟愑謶?yīng)該如何應(yīng)對這些未來的變化？

這些問題還需科學(xué)家們進(jìn)一步的研究，有朝一日，也許我們真的能完全摸清氣候變化的規(guī)律，解決氣候問題對人類帶來的負(fù)面影響，能夠了解氣候、掌握氣候、利用氣候。

參考文獻(xiàn)：

1、McClymont, E. L. et al. Climate evolution through the onset and intensification of Northern Hemisphere glaciation. Rev. Geophys. 61, e2022RG000793 (2023).

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