地球軌道變化可觸發氣候突變

以史為鑑，可以知興替。這個“史”不僅僅是人類文明演化歷史，更是漫長的地球自然變化史。

“利用複雜氣候模型，我們對過去三四萬年的氣候瞬變進行模擬實驗，首次證實地球軌道的變化可以直接觸發氣候突變，系統論證了地球軌道變化對氣候突變的雙重調節控制。”11月4日，中國科學院（以下簡稱中科院）地球科學卓越創新中心、青藏高原研究所研究員，蘭州大學教授張旭告訴科技日報記者。

這項研究為理解更新世氣候突變事件的觸發機理提供了全新的動力模型。相關研究成果在線發表於《自然·地球科學》雜誌。

能夠直接觸發大西洋經向翻轉環流突變

約270萬年前，隨着北半球大陸冰蓋的逐漸發育，氣候系統開始經歷以萬年尺度為週期的冷暖交替，即我們熟知的冰期—間冰期氣候旋迴。在冰期氣候背景下，全球氣候頻繁出現千年尺度的氣候突變事件。20世紀80年代，有學者指出，氣候突變的主要原因與大西洋經向翻轉環流的變化有關。

“這一觀點在30多年的持續研究中得到普遍認可，但對其觸發機理存在多種推測。有學者提出，其可能與海洋環流的內部變率有關，或是由冰蓋或者海冰的消融所致。還有學者指出大氣二氧化碳濃度和南半球西風帶也起到積極的作用。但這些推測主要集中在地球系統的內部因素。”張旭介紹。

以往的大量研究已證明，地球軌道變化可通過氣候內部因素的變化（例如冰量變化）調節控制氣候突變事件的發生，即軌道對氣候突變存在間接調節控制。

那麼，地球軌道變化是否可以直接觸發千年氣候突變事件呢？

為此，研究人員首先開展了過去4萬年至3.2萬年的氣候瞬變模擬實驗。在實驗中，研究人員僅將地球軌道參數作為變化量，而如冰量、温室氣體等其他所有的環境變量均保持恆定，以此檢驗地球軌道變化是否可以直接觸發大西洋經向翻轉環流的突變。

實驗結果顯示，大西洋經向翻轉環流出現了類似於氣候記錄中的千年尺度震盪，相應的温度和降水變化也與氣候記錄有較好的一致性。“中國黃土、石筍、湖泊清晰記錄了千年尺度的突變事件。這些突變事件對我國自然環境產生了重大影響。我們在複雜氣候模型中首次證實了地球軌道變化可直接驅動氣候突變。”中科院院士、中科院青藏高原研究所所長陳發虎強調。

可以幫助人類建立對“後天”的科學認識

隨後，研究人員又進行了軌道參數的單一強迫實驗，即僅改變地軸傾角、離心率和歲差，進一步定性不同軌道參數變化對氣候突變的影響。

研究發現，歲差的變化可通過影響北半球低緯地區的夏季太陽輻射，調節大氣水汽從大西洋向太平洋的輸送強度，進而調控北大西洋的海表鹽度，引起大西洋經向反轉流的突變。

同時，地軸傾角可通過影響北半球高緯地區的年平均太陽輻射的變化，調控北大西洋深層水生成區的海水温度以及海冰面積，進而影響表層海水垂直混合的強度，引起突變。“這組數值實驗證實了單一軌道參數的變化也可直接觸發北大西洋海洋環流的突變，即軌道變化對氣候突變的直接調節控制。”張旭解釋。

為了系統地釐清地球軌道變化調製千年氣候事件的規律，研究人員又通過大量的數值實驗，總結出瞭解釋更新世不同時期千年氣候事件的動力概念模型。“我們的模型被證實不僅適用於晚更新世，也適用於中早更新世。”張旭説。

陳發虎表示，通過這些研究，我們可以確定，更新世以來冰期中的千年尺度氣候事件很可能一直受到極地冰蓋變化和地球軌道參數變化的雙重調節控制。但是，軌道尺度氣候變化和千年尺度氣候突變如何協同影響更新世以來的氣候演變，還需通過含冰蓋動力過程的地球系統模型做進一步研究。

“科學家們通過對古氣候現象背後機理的研究，嘗實揭示不同時空尺度氣候過程的協同作用對氣候變化的影響，努力掌握氣候演變的規律。這不僅對於人類預測和應對未來氣候突變有巨大而深遠的意義，也可以幫助人類建立起對於‘後天’更加科學和理性的認識。”陳發虎説道。