冰川学与冰冻圈理论ppt课件.ppt

四、,地球冰冻圈子系统概念,1、冰川研究的发端：欧洲平原的大漂砾的成因（找具体材料）争论导致山岳冰川的研究；2、山岳冰川研究，形成冰川地貌学，动力学和经典的冰期间冰期学说；各地冰期模式不同引发争论（如中国东部冰期模式？青藏高原大冰盖的有无等？）原因冰期沉积物易遭受后期的改造，冰期沉积不连续等。3、大洋钻探，深海泥芯18O与冰盖体积相关，浮游有孔虫组合转换函数表层海水温度；黄土沉积，10万、4万、2万年周期；地球轨道，70N太阳辐射，SST与18O的相位差，冰川的冰盖驱动说；问题：北极冰盖扩张与收缩如何驱动全球气候？南极冰盖响应的机制是什么？4、冰芯钻探：南极环境研究（稳定同位素与气温、降水的关系研究、气泡封存机制研究、阴阳离子与环境的关系研究等），浅冰芯（成排）序列研究；南极冰芯气泡研究，(大气成分变化CH4 、CO2)、北极冰芯DO旋回，青藏高原冰芯MIS3的特殊性；全球变化全球一致与地区特点的统一；全球变化的区域响应对区域气候预测的重要性,四、,冰川活动与冰期,1 .冰川活动与气候变化2 .冰期与间冰期3 .冰盖生成和消亡的原因4 .全球气候模型的结果5 .冰芯记录,四、,冰川活动与气候变化,冰川对于气候变化相当敏感。 当年平均气温降低冰雪消融减少，积累增加，雪线降低，冰舌就推进。反之则会发生后退。 雪线是常年积雪区的下限，在雪线位置冰川积累与消融处于平衡状态，年平均气温约为0。 通常雪线高程与冰斗底部的高程基本一致，所以山地古冰斗所在高程则可被看作是过去的雪线高程。 根据气温垂直递减率（environmental temperature lapse rate）,即随山地高程增加气温递减（6.4/1 000m）的原理，如果确定了过去某一时期雪线与现今雪线的高差，则可以推知当时气温与目前气温的差值,四、,冰期与间冰期,冰期（glacial epoch）是指地球上气候显著变冷的时期，高纬度地区的冰盖扩张，向中纬度推进，高山地区的山岳冰川向低地伸展，引起海平面降低、气候和土壤生物带向赤道方向迁移。在各个大陆以夏季风降水为主的地区，冰期时气候寒冷干燥，植被退化，某些内陆干旱地区沙漠扩张，黄土推积，湖面收缩下降。在以冬季风降水为主的内陆干旱地区气候则寒冷湿润，湖面上升扩张（如美国西部的大盆地、中东的咸海和里海地区）。 间冰期（interglacial epoch）是指两次冰期之间的温暖时间，冰川退缩，海平面回升，气候和生物带向两极方向迁移。以夏季风降水为主的地区间冰期时气候温暖湿润，湖面扩张，生物繁荣，内陆干旱地区流沙固定，黄土地表会有土壤发育。以冬季风降水为主的内陆干旱区的气候温暖干燥，湖泊收缩或者干涸，沙漠扩张。,冰期与间冰期,传统的冰期与间冰期划分冰期与间冰期的新观念以10万年为周期的气候变化旋回,四、,冰盖生成和消亡的原因,冰盖的形成和扩展冰盖的退缩和冰消作用冰退作用的机制,四、,冰芯记录,1 冰芯研究简史 20 世纪50 年代初期, 科学家们通过对自然界各种水体中氧同位素的研究, 发现降水中18O/ 16O比率和大气过程(尤其是降水时的温度、水汽来源和降水云系的历史) 有着密切关系, 并且这种关系不因降水形式的不同(降雨或降雪) 而发生变化。Dansgaard1 和Epstein2 首先将氧同位素比率可以反映气温的思想应用于冰川学研究, 发现粒雪层中氧同位素比率变化与雪层层位特征及气温季节变化具有很好的一致性。 于是, 1954 年美国科学家Bad2er3 首先提出在极地冰盖钻取连续冰芯以重建古气候环境的设想, 并在他的领导下美国军方雪冰与多年冻土研究基地(USA SIPRE , 现名为美国寒区研究与工程实验室, 即USA CRREL) 于1956 和1957年夏季在格陵兰Site 2 开展了深孔冰芯钻取计划4 . 1966 年, 第一支穿透格陵兰冰层的透底冰芯在Camp Century 地点获得, 长度为1 387 m5 . 时隔两年, 第一支穿透南极冰层的透底冰芯在Byrd站获得, 长度为2 164 m6 .,四、,冰芯记录,1 冰芯研究简史 目前已在两极冰盖及极区大冰帽的几十个地点钻取了中等深度( 200 m)以上的冰芯, 其中南极Vostok 冰芯是目前在极区钻取的深度最深(3 650 m) 、年代跨距最大( 400ka) 的冰芯. 然而与极地冰川不同, 中低纬度冰川往往由于消融使其冰雪中的气候环境记录受到影响, 于是直到20 世纪70 年代中期人们才开始探索开展中低纬度的山地冰芯研究. 当时瑞士提出了Alps 山地冰芯计划, 旨在揭示人类活动对于环境的影响, 以及揭示消融对于冰雪气候环境记录的影响和冰雪中氢、氧同位素比率与气象要素的关系7 .几乎在Alps 山地冰芯计划开展的同时, 美国俄亥俄州立大学极地研究所(现名为“伯德极地研究中心”) 也开始对热带秘鲁的Quelccaya 冰帽进行冰芯研究8 , 并成功地在该冰帽上钻取了164 m 的透底冰芯9 . 自此以来, 山地冰芯研究便在全球中低纬度地区蓬勃开展起来, 其中在青藏高原西昆仑山钻取的古里雅冰芯是迄今中低纬度所获得的长度最长(309 m) 、年代跨距最大(约760 ka10 ,11 ) 的冰芯.,四、,冰芯对于过去全球变化研究的贡献,冰芯以其分辨率高、记录时间长、信息量大和保真度高等特点, 而成为过去全球变化研究的重要方法之一。冰芯不但记录着过去气候环境各种参数(如气温、降水、大气化学与大气环流等) 的变化,而且也记录着影响气候环境变化的各种因子(如太阳活动、火山活动和温室气体等) 的变化, 同时还记录着人类活动对于环境的影响。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.1、温度 冰芯中揭示过去气温变化的主要指标是氢同位素的比率（一般以&D表示）和氧同位素比率(一般以&18O 表示)大气中的水汽从根本上说来自海洋。当水汽从海面上蒸发时, 重分子水不易蒸发, 因而造成海洋上空水汽中的重分子含量相对于海洋水为少, 其减少量与温度有关。当大洋上空水汽随气流向内陆上空移动并产生降水时, 重分子首先凝结, 因而越向内陆地区, 大气降水中的&D和&18O 越低，在中低纬度沿海地区, 降水中的&D和&18O 比率主要与降水量有关。在极地及大陆内部某些地区, 这主要与降水时的气温相关。研究表明, 在格陵兰地区温度每下降1 , &18O 值平均降低0.70；在南极地区温度每下降1 , &18O 值平均降低0.75；在青藏高原北部地区, 温度每下降1 , &18O 值平均降低0.65；因此通过对冰芯中&D和&18O 的测定, 就可以恢复出过去的气温变化历史。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.2、降水冰芯研究中，作为降水指标的是冰川净积累量。该信息的提取范围主要限于冰芯上部可以进行年层划分的时段。极地地区净积累速率记录可达14500多年。冰芯中年层的划分主要依据&18O 、化学成分和微粒等的季节变化特征来确定。同时, 还可依据冰内污化层, 对不同深度的年层厚度加以恢复, 以计算净积累量。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.3、大气成分含量及其变化最初降至冰川表面的雪花之间存在着空隙, 这些空隙中充满了空气。随着雪层密实化过程以及粒雪一冰转换过程的发生, 粒雪中原来与外界大气连通的孔隙转变成为冰中孤立的气泡, 并把当时大气中的各种气体成分保存下来。通过对冰芯气泡中气体成分的恢复, 可以研究古大气成分及其变化。目前在人类所发现的所有可以提取古气候环境信息的介质中, 唯有冰芯可以提供过去大气成分含量变化的完整信息。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.4、大气气溶胶大气气溶胶通过干、湿沉积沉降在冰川表面, 随着时间的推移, 便记录在冰层之内。冰川冰盖的低温环境, 为环境信息贮存提供了良好条件, 因此气溶胶在沉积之后的次生变化极为微弱。通过分析测试冰芯中的化学成分及微粒含量, 不但可以揭示过去大气气溶胶的变化历史, 还可以反映地球沙漠演化及大气环流强度的变化。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.5、生物地球化学循环冰川的低温环境限制了微生物的生存与发展, 有利于有机质的保存C,N ,S 和P等生源元素(专指参与生物体发生和运动作用的元素), 在生物地球化学循环过程的不同阶段以不同的物质出现。冰芯中记录的与生物地球化学循环有关的物质, 大多是生物新陈代谢的产物、有机物分解的产物及其在大气中转化之后的物质。而生物的新陈代谢速率、有机物质的分解速率与温度、降水等环境因素有关。因此, 对于冰芯中有机物质、有机酸（如甲基磺酸、甲酸和乙酸等）和与之有关的无机酸的分析, 不仅可以揭示不同时期生物地球化学循环过程的特征, 而且可以提供气候和环境变化的信息。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.6、火山活动火山喷发出的火山灰及气体, 随着大气环流传输到冰川（盖）上空, 并通过干、湿沉积过程降至冰面而记录下来。冰芯记录中的火山活动信息主要通过火山灰的鉴别及强酸（主要是硫酸根）信号的分析来获得。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.7、宇宙事件 在宇宙射线的作用下, 大气中的N、O 和Ar等不断地产生放射性同位素, 如, “3H，10Be，14C，26Al，36Cl ，和129I 等。这些放射性同位素会与大气中其他成分发生反应或结合, 并产生不同的指示效果。3H在空气中被氧化成3HHO, 并与水蒸汽混合. 14C 转化成为14CO2 , 并与不活跃的气体CO2混合.这样3H, 和14C分别成为水和碳循环的示踪剂。10Be，14C，26Al，36Cl ，和129I 等附着在气溶胶上, 与气溶胶一起沉积在冰面上, 并记录下来。目前, 主要开展冰芯内10Be 浓度变化的研究, 并由此揭示宇宙事件,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.8、超新星爆炸 银河系超新星爆炸时可以产生X射线, 它可以使地球平流层产生相当数量的NO。NO是冰芯中NO3的主要物质来源之一, 因此大气中NO的大量产生会使冰芯记录中的NO3浓度出现极值。因而通过分析冰芯中出现的强NO3峰值信号, 可以揭示冰芯记录时段内超新星爆炸的信息。目前, 对这一问题还存在争议。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.9、生物活动与植被演化生活在陆地和海洋中的各种生物, 他们与土壤、水体和大气之间不断地进行着物质交换,并向大气排放有机物质。这些有机物质（包括在大气中分解或氧化的产物）通过大气环流被带到冰川上空, 并通过干、湿两种沉积过程沉降于冰表面或封闭在气泡中, 最终形成冰芯记录。由于不同类型的生物向大气排放的有机质的种类不同, 并且其排放速率也会随气候及环境条件的变化而变化。因此, 通过分析冰芯中各种痕量有机气体、有机物质和花粉等, 就可以揭示不同时期生物活动程度的强弱和植被演化。,四、,从冰芯中可获取的主要气候环境信息,1.10、用冰芯冰结构变化研究古气候变化 因为冰体温度是冰晶生长的控制因素之一, 而冰体温度与冰面气温有密切关联, 所以冰晶尺度的变化能反映古气候变化。根据在东南极冰盖肠的研究, 冰晶变化与氧同位素变化有较好的对应关系。,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 1 Milankovich 循环 目前, 4 个完整的冰期间冰期气候循环已通过南极Vostok 冰芯得到了重建12 , 发现该地区冰期间冰期的气温变化幅度达12 左右, 并表现出明显的地球轨道效应, 即具有明显的100 ka 、40 ka 和2319 ka 的周期. 同时发现, 大气中的温室气体(CH4 、CO2) 含量变化以及大气气溶胶含量变化等都存在地球轨道参数变化的周期. 对于格陵兰冰芯的研究也发现了气温13 、大气化学、大气环流14 以及陆地生物的N 排放15 等的变化, 亦存在轨道效应. 末次间冰期以来青藏高原古里雅冰芯中的18O 记录, 也表现出20 ka 和40 ka 左右的明显周期10 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 1 Milankovich 循环 天文气候学研究表明, 地球中低纬度气候变化主要受岁差效应的影响, 而地轴倾斜效应对于气候变化的影响主要表现在极区16 . 天文理论的这一预测结果, 得到了青藏高原古里雅冰芯记录(显著的20 ka 左右周期) 10 , 17 和南极Vostok 冰芯记录(其18O 变化, 偏心率的贡献为37 % , 地轴倾斜的贡献为23 % , 岁差贡献仅为11 %) 12 的有力支持.而格陵兰冰芯记录中强烈的岁差周期13 , 很可能说明北半球高纬度大气环流与季风环流之间存在强烈的耦合效应. 青藏高原冰芯与格陵兰冰芯记录的气候变化相对于轨道效应引起的太阳辐射变化的滞后时间(约5 ka )10, 14 , 15 与亚洲季风23 ka 的周期变化滞后于岁差变化的时间(约5 ka18 ) 之间的一致性很可能说明了这一点.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 2 快速气候变化 早期当格陵兰深冰芯记录揭示出末次冰期内存在多次持续几百至几千年的相对温暖期(现称为DO 事件或D O 间冰阶或D O 循环) 时19 , 20 , 受到了怀疑, 并认为这很可能是由于冰层扰动引起的. 然而, 在冰体流动简单、夏季温度低于0 的格陵兰顶部所获得的GRIP 和GISP2 两个深孔冰芯, 其记录均表明以前格陵兰冰芯记录的发现是正确的21 , 22 , 即在末次冰期内存在D O 事件, 并可识别出24 个变幅达15 的相对温暖期. 冰期内这些持续约几千年的相对温暖阶段的建立, 在短短的几十年内就可完成21 , 23 . 冰芯电导率( ECM) 反映出在这些相对温暖阶段内, 气候也是不稳定的24 .例如在Allerod 和Bolling 温暖期内存在102 a 尺度的冷事件21 , 24 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 2 快速气候变化 格陵兰中部冰川积累量所指示的降水量变化随着D O 事件的发生, 也存在突变25 . 研究表明, D O 事件很可能与北大西洋含盐量变化导致的海洋环流变化有关26 , 27 . 最近发现D O 事件也存在于古里雅冰芯记录之中28 . 如果格陵兰冰芯记录到的D O 事件的持续时间超过2 ka , 这一事件在南极冰芯记录中也有明显的表现29 . 南极Vostok 冰芯中过量氘(D) 变化所揭示的其水汽源区洋面温度的变化与格陵兰冰芯记录的末次冰期气候变化存在一致性30 . D O 事件在不同地区气候记录中的存在, 表明其发生应该存在某种共同的原因。,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 2 快速气候变化 Younger Dryas ( YD) 事件是末次冰退期气候的快速转冷事件. 格陵兰冰芯记录表明, 这一时期的温度低于现今15左右31 , 并伴随50 %的净积累减少32 , 以及尘埃、海盐离子含量的增加33 , 34 和CH435 、N2O36 含量的减少. 分辨率为年的格陵兰冰芯记录还表明, YD 事件的持续时间大约为1.3 ka , 其建立和结束是极为迅速的, 仅在5 20 a 的时间内就完成了32 , 33 , 37 . 青藏高原古里雅冰芯记录揭示出, 在YD 事件时期内气候也存在着急剧的变化38 , 这一点在高分辨率的格陵兰冰芯记录和欧洲湖泊沉积记录中也有明显的表现39 . 南美热带冰芯研究也表明, YD 事件的存在40 , 41 . 对于南极内陆冰芯记录的研究, 未发现YD 事件的存在, 而发现了在北半球YD 事件发生之前存在一个相对较弱的冷期(日历年14.412.9 ka BP) 42 , 被称为“南极气候逆转变冷”事件(通常简称为ACR 事件) ,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 2 快速气候变化 ACR 事件超前北半球YD 事件至少1.8 ka43 . 而对于取自南极边缘的Taylor Dome 冰芯的研究, 发现在北半球YD 事件发生时该冰芯记录中也表现出一个弱的冷期44 , 这似乎表明YD 事件信号从北半球到南半球的衰弱. 新西兰冰川在YD 时期的前进45 , 一直被认为是南半球YD 事件存在的最好证据. 然而, 最近关于新西兰孢粉的研究结果, 显示这一时期气候以湿润为特征而不是以寒冷为特征46 . 综合不同地域冰芯中的尘埃记录12 , 24 , 40 , 41 , 4750 , 我们发现一个有趣的现象, 即YD 时期大气中的尘埃含量只是在北半球增加, 而在南半球并未表现出显著增加趋势. 大气中尘埃含量的变化与大气环流强度和尘埃源区的干湿变化有关, 冰芯研究表明冰退期南半球的环流强度变化状况和北半球的相一致51 ,因此YD 时南半球大气尘埃未表现出增加趋势, 很可能表明这一时期南半球气候较为湿润.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 3 气候变化与温室气体含量变化的关系 南极Vostok 冰芯记录表明12 , 大气中温室气体含量在冰期和间冰期存在巨大的差异, CO2 和CH4 含量分别可从冰期时的180 mL m- 3和320350L m- 3 增加到间冰期时的208300 mL m- 3和650770 Lm- 3 . 过去420 ka BP 以来大气中CO2 和CH4 含量的变化与气温的变化存在显著的正相关关系(其相关系数分别高达0.84 和0.85) . 北极和青藏高原冰芯记录也表明温室气体含量与气温之间的正相关52 , 53 . 一些研究表明54 ,55 , 大气温室气体含量的巨大变化可以解释冰期间冰期气温变化的50 %60 %. 然而, 最近在假定太阳辐射不变仅利用冰芯中CO2 记录来驱动气候模型, 结果发现模型不仅无法产生北半球冰量100 ka 的周期变化, 而且给出在冰期间冰期时间尺度上气温的变化幅度也不足1.5 56 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 3 气候变化与温室气体含量变化的关系 格陵兰冰芯研究结果表明57 , 末次冰消期大气中CO2和CH4 含量的增加超前格陵兰气温回升23 ka ,进一步的研究认为这很可能与北半球中纬度大陆地区气温回升较早有关. 然而, 对于GISP2 冰芯中Old Dryas 冷期向Bolling 暖期转换时期气泡中15N(温度指标) 和CH4 浓度的同时分析与研究, 不仅发现气温在约短短的70 a 间升高了9 3 , 而且发现气温开始升高的时间比CH4 浓度开始增加的时间早2030 a58 . 南极Vostok 冰芯的研究结果显示, 在倒数的三个冰消期, 大气中CO2 含量的增加滞后于气温上升约(600 400) a59 ; Dome C 冰芯记录也表明在末次冰消期大气中CO2 含量的增加滞后于气温上升约(800 600) a60 ; Taylor Dome冰芯记录则揭示出在末次冰期中大气CO2 含量变化滞后于气温变化约(1 200 700) a61 . 然而, 一些研究指出温室气体含量变化相对于气温变化的滞后时间在冰气年龄差异的误差范围之内12 .对比近几个世纪南极、北极和青藏高原冰芯中记录的大气CH4 含量53 , 62 , 尽管其变化趋势一致, 然而青藏高原冰芯中记录的CH4 含量最高, 格陵兰次之, 南极最低, 这一现象很可能表明中低纬度的湿地是大气中CH4 的主要源区之一.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 3 气候变化与温室气体含量变化的关系极地冰芯研究发现12 , 在冰期开始时大气中CH4 含量降低与气温降低是同步的, 而CO2 含量的变化却滞后于气温变化; 在冰期结束时CH4 含量的变化是十分特殊的, 即开始时缓慢增加, 然后在冰消期的后半期突然增加到极大值. 末次冰期时CH4 含量变化与DO 事件呈现明显的正相关, 而CO2 含量变化却与Heinrich 事件存在着显著的联系63 . 尽管YD 时期大气中CH4 浓度曾一度突然降低52 , 然而南极冰芯记录所揭示的大气中CO2 含量(由于格陵兰冰芯中碳酸岩物质甚或有机物氧化过程的存在, 使得南极冰芯中记录的CO2 含量变化较格陵兰冰芯的记录更能代表过去大气中CO2 的变化64 , 65 ) 自大约16 ka BP 至全新世的稳定增加趋势并未被YD 事件所中断43 , 而只是在ACR 事件时CO2 的增加速率有所减弱42 , 57 . 这些支持了大气中CO2 含量的变化主要与大洋过程相关66 的结论.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 4 南北半球气候变化的差异 自从70 年代深海记录研究发现南半球气候变化超前北半球气候变化约几千年的时间以来67 ,南北半球之间气候变化的差异问题一直是古气候研究的焦点问题之一. 高分辨率和准确定年(依据CH4 和18Oatm对比的方法) 的两极冰芯记录对比研究揭示出, 在末次冰消期南极气温的回升比格陵兰早约3 ka57 , 在末次冰期内南极气候的波动平均早于格陵兰约13 ka68 , 69 . 南北极之间气候变化的位相差异可能与大洋环流有关的北大西洋深水产生速率的变化有关70 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 4 南北半球气候变化的差异 最近的研究还发现, 在10ka 尺度上南北极气候变化之间存在“跷跷板”效应71 , 72 . 南北极气候变化的这种“跷跷板”效应,不仅是检验气候模型模拟结果正确与否的标准之一, 同时也将促使人们必须充分认识中低纬度水分循环过程及气候变化在全球变化中的作用.另外, 南北半球气候变化的过程亦存在差异.南极冰芯记录表明该地区气温变化呈现出升温和降温过程均比较和缓68 , 而格陵兰冰芯记录却显示出该地区升温突然、降温缓慢的特征21, 23 , 2 7 ,青藏高原冰芯记录又指示出该地区气温变化具有升温过程缓慢而降温突然的特征10 . 目前, 对于不同地区气温变化过程中的这种差异的原因还缺乏了解.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 5 高纬度与高海拔的气温变化幅度 末次冰盛期时, 全球平均气温降低5 左右73 . 格陵兰冰芯记录表明, 该地区末次冰盛期气温与全新世相比降低达1015 21 , 22 , 74 , 南极Vostok 冰芯记录揭示出末次冰盛期气温较全新世低8 左右12 . 海拔6 048 m 的南美热带Huas2caran 冰芯记录表明, 末次冰盛期时的降温幅度达812 40 , 青藏高原古里雅冰芯(海拔6 200 m) 记录也显示出末次冰盛期的降温在8 左右28 . 这些表明中低纬度的高海拔地区和极地地区一样, 可能都是气候变化的敏感地区.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 6 大气尘埃含量变化 冰芯中的尘埃物质(大气尘埃载荷的度量) 来源于地表、火山和宇宙尘埃等, 其中陆地表面是其主要来源. 将全球不同地区冰芯中尘埃含量进行对比, 发现北半球冰芯中的尘埃含量要高于南半球,山地冰芯中的尘埃含量要高于极区. 例如格陵兰Camp Century 冰芯中的微粒含量是南极Byrd 冰芯中微粒含量的718 倍49 , 青藏高原古里雅冰芯中的微粒含量(106107 个mL - 1) 11 , 50 高出格陵兰Camp Century 冰芯中的微粒含量( 104 105 个mL - 1) 49 约2 个数量级, 南美Huascaran 冰芯冰期和间冰期时的微粒含量(分别为32.2 mgkg - 1 和0.16 mgkg - 1 ) 40 也明显高于同期南极Vostok 冰芯中的微粒含量(分别为12 mgkg - 1和0.05 mgkg - 1) 12 . 冰芯微粒含量的这种空间分布特征与北半球陆地面积宽广、尘埃物源丰富以及山地冰芯更接近尘埃物源区有着直接的联系.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 6 大气尘埃含量变化 冰芯记录揭示出冰期与间冰期大气中尘埃含量存在巨大的差异.格陵兰冰芯中末次冰期时的尘埃含量是全新世的十几倍49 , 在个别冰芯中甚至达到40 倍24 ; 南极不同地区的冰芯记录也显示出, 冰期时的尘埃含量是间冰期时的几倍到40 倍12 , 49 ; 青藏高原敦德冰芯记录表明, 末次冰期时的尘埃含量大约是全新世的3 倍75 ; 南美热带赤道地区Huascaran 冰芯记录的末次冰期与全新世的尘埃含量相差更为悬殊, 末次冰期时尘埃的平均含量约为全新世的200 倍40 .冰期时较高的尘埃含量表明, 这一时期尘埃源区范围扩大(包括大陆架出露) 、干燥度增加、风力加大以及大气的经向输送加强等. 尽管不同地区冰芯中尘埃含量在冰期与间冰期之间的比值变化差异较大, 然而不论是在两极地区还是在青藏高原, 冰芯记录均表明一个共同的特征, 即暖期时大气尘埃含量低, 冷期时大气尘埃含量高.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 6 大气尘埃含量变化 研究发现青藏高原与格陵兰冰芯尘埃记录存在遥相关关系, 这表明两地冰芯中尘埃物质可能具有一个共同的源区中亚干寒区, 并且西风环流是它们联系的纽带76 . 这一推论得到了格陵兰冰芯尘埃的矿物构成及同位素示踪研究结果的支持77 .另外, 格陵兰高分辨率的冰芯记录还揭示出其尘埃含量变化存在明显的11 a 周期, 而且这种周期从100 ka BP 到现在一直存在78 . 这种现象很可能与太阳黑子活动11 a 周期相关的太阳辐射变化引起的尘埃源区干燥度变化或环流强度变化有关. 上文曾提到中低纬度气候环境变化主要受岁差效应的影响, 而南极Vostok 冰芯中近180 ka BP 来的尘埃含量变化表现出明显的岁差效应48 , 这说明其物质很可能主要来源于南半球的中低纬度地区. Vostok冰芯尘埃的矿物分析结果表明, 南美可能是其尘埃物质的主要源地79 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 7 太阳活动 大气中宇宙成因同位素(如14C、10Be 、36Cl 等)产生速率的变化可以揭示太阳活动的信息. 南极Vostok 冰芯研究发现, 在冰期间冰期时间尺度上该冰芯中10Be 浓度的变化主要是由降水变化引起的80 , 81 , 然而该冰芯记录到的大约出现在35 kaBP 和60 ka BP 时的2 个10Be 浓度峰值事件82 , 却无法用降水变化解释. 其中发生在35 ka BP 时的10Be 浓度峰值事件, 已得到了全球不同地域冰芯记录8385 和海洋记录86 , 87 的支持. 进一步的分析表明, 弱的太阳活动和弱的地磁场是该事件发生的主要原因85 , 88 . 至于60 ka BP 时的10Be 浓度峰值事件, 目前还缺乏其它地域的证据. 由于目前人们还无法准确估计在冰期间冰期时间尺度上降水变化对于冰芯中10Be 浓度变化的影响程度, 因而妨碍了这一时间尺度上太阳活动信息的建立.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 7 太阳活动 研究表明, 全新世时期冰芯中的10Be 浓度记录受降水变化的影响较小, 可以很好的揭示太阳活动状况89 , 90 ,并发现大约在5600 BC、5100 BC、4200 BC、3500BC、2800 BC、1900 BC、700 BC、300 BC、800 AD、1100 AD 和1700 AD时期太阳活动相对较弱91 .由于10Be 在大气中的滞留时间很短, 仅为12 a , 因此冰芯中10Be 记录也可以揭示较短时间尺度上的太阳活动信息, 如太阳活动的11 a 周期92 . Maunder 极小期内太阳黑子周期是否存在, 对于天文学家在识别太阳非线性发动机与太阳随机波动方面的研究是极为重要的. 格陵兰冰芯中的10Be 浓度记录表明,在Maunder 极小期内太阳活动的黑子周期是存在的93 . 根据青藏高原古里雅冰芯中NO-3 浓度可以揭示太阳活动信息的事实94 , 进一步证实Maunder极小期内太阳活动周期是正常的95 . 南极冰芯中NO -3 记录是否与太阳活动有关曾存在很大争议96 , 97 , 然而最近对于南极和北极高分辨率冰芯中NO -3 记录的进一步研究, 发现其变化是可以揭示太阳活动的信息98 , 99 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 8 地磁场强度变化 地磁场的产生与地球存在转动的热核有关, 然而由于其强度变化会受到太阳活动的影响, 加之发生在地球大气中的许多过程与现象与地磁变化有关, 因此研究地磁场强度的变化不仅是地球物理学的重要研究内容, 也是日地关系研究的一个重要纽带. 长期连续的古地磁场强度变化主要依据海洋等沉积记录来恢复, 最近利用大气中宇宙成因同位素产生速率的物理模型以及格陵兰冰芯中10Be 和36Cl的沉积通量记录, 首次通过冰芯恢复了2060 kaBP 时期的古地磁强度变化, 发现其变化与海洋沉积物记录的古地磁强度变化具有很好的一直性, 这证明了利用冰芯记录恢复古地磁变化的有效性100 . 与其它方法相比, 利用冰芯中的宇宙成因同位素记录恢复古地磁的优点不仅在于分辨率高,还在于宇宙成因同位素对地磁主偶极矩和弱的地磁场变化均很敏感.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 9 火山活动 冰芯中可以揭示火山喷发信息的指标包括ECM、SO2 -4 浓度、H+ 浓度和火山灰101 . 一般来说, 低纬度火山喷发的影响范围可以波及到全球,而中高纬度火山喷发的影响范围仅限于半球尺度.但如果中高纬度的火山喷发极为强烈, 其喷发物质可以通过平流层影响到全球范围. 如大约117 AD时新西兰Taupo 火山喷发的烟柱估计高达55 km ,在格陵兰冰芯中清楚的记录到这次喷发的信号102 . 冰芯记录的火山活动不仅真实可靠而且全面, 如近2 ka 来格陵兰冰芯记录的69 次过量SO2 -4浓度事件中, 85 %与文献记录的火山喷发相吻合102 , 其余15 %为文献未记载的火山活动. 过去110 ka 来格陵兰高分辨率冰芯记录研究103 表明,火山喷发主要集中在3 个时期, 即617 ka BP (尤其是713 ka BP) 、2736 ka BP 和7985 kaBP ,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 9 火山活动 其中第一个时期火山活动较强, 并与北半球冰盖消退、海平面上升期相一致, 而后两个时期火山活动相对较弱, 与冰盖增长、海平面下降期相对应. 这一发现极大地支持了陆地冰量变化及洋盆水量变化会导致火山活动增强的理论. 同时2736ka BP 和7985 ka BP 两个时期的火山喷发, 还可能加强了末次冰盛期与末次冰期的建立. 南极冰芯也发现晚冰期时, 火山玻璃沉积的明显增加49 . 全新世火山活动主要发生在其早期阶段, 如格陵兰冰芯表明对于过量SO2 -4 浓度超过100 ngg - 1的火山喷发事件, 在79 ka BP 时期有18 次, 而在02ka BP 仅有5 次102 . 近2 ka 来地球火山活动有增强趋势104 , 其中最大的一次火山喷发发生在1259AD , 这次喷发事件在两极冰芯中都具有明显的记录104106 . 同时, 格陵兰冰芯记录表明, 1580 1640 AD 和17801830 AD 是近2 ka 来火山活动的两个主要多发期104 , 并导致了气候的显著变冷.南极冰芯也揭示出19 世纪是全球火山活动相对活跃的时期105 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 10 生物地球化学循环在地球历史的大部分时间里, 燃烧过程(闪电、干旱所引起的植物起火燃烧) 对于地球生物化学循环具有重要作用. 直到目前, 人们才认识到呼吸、光化学和燃烧等自然过程控制着大气中许多痕量气体含量的变化107 . 对于格陵兰GISP2 冰芯近6 kaBP 来的记录研究表明108 , 5 ka BP 之前、0.750.35 ka BP 以及0.150 ka BP 是生物量燃烧的3个活跃期, 其中第一个时期与气候向暖干方向转化有关, 第二个时期与气候干燥和生物量分布调整有关, 第三个时期与人类活动有关. 进一步的分析发现, GISP2 冰芯地点现代冰雪中的碳黑含量与320330 AD 时期的相当, 约为2.1gkg - 1 , 而冰期时的碳黑含量不足0.05gkg - 1 109 . 南极Byrd 冰芯记录表明110 , 在末次冰期向全新世的过渡时期碳黑含量为0.1gkg - 1 , 到全新世碳黑含量有所增加, 平均为0.5 gkg - 1 (变化于0.10.9 gkg - 1之间) .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 10 生物地球化学循环 现有的分析资料表明, 全新世时期格陵兰冰芯记录的碳黑含量大约是南极冰芯记录的34 倍, 这表明北半球的生物量燃烧程度要大于南半球. 目前关于过去生物量燃烧的冰芯记录研究主要集中在极地地区, 然而80 %的生物量燃烧发生在热带地区111 , 因此今后应加强中低纬度山地冰芯中与生物量燃烧相关的森林大火等记录的研究.冰雪中MSA 常被用来做为DMS 海洋生物源强度变化的指标112 . 在冰期间冰期时间尺度上,两极冰芯记录的MSA 含量变化存在一定的差异.南极Vostok 冰芯中MSA 浓度在间冰期时(深海氧同位素1 阶段和5e 阶段) 为5 ngg - 1 , 而在冰期时为2531 ngg - 1 113 ; 格陵兰GRIP 冰芯记录的MSA 浓度在冰期与间冰期几乎是一致的114 . 这些记录之间的差异表明, 南大洋过去对于气候变化的响应与北大西洋对于气候变化的响应可能存在差异114 . 另外, MSA 与nss2SO2 -4 之间的质量比(记为R) 通常被用来示踪海洋上空大气中SO2 -4 的来源.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 10 生物地球化学循环 在格陵兰Renland 地区末次冰期时的冰层中,R 值比现在观测到的低纬度海洋边界层中的R 值(5 %左右) 还要低, 这表明在冰期时非生物来源的SO2 -4 主要控制着北半球高纬地区的S 循环115 . 研究还发现R 值与气温之间存在很好的关系116 , 然而格陵兰Renland 冰芯记录揭示出R 值与气温之间呈正相关关系117 , 而南极Vostok 冰芯记录却表明R 值与气温之间呈负相关关系118 . 两极地区冰雪中R 值与气温之间相反关系的原因值得进一步研究.根据两极冰芯中CH4 浓度记录以及纬向三箱模型, 研究了末次冰期以来CH4 不同源区对大气CH4 含量变化的贡献119 , 120 , 结果发现虽然热带地区是大气CH4 的主要源地, 然而除末次冰盛期之外(这一时期大气CH4 含量绝大部分来自热带湿地) , 北半球高纬湿地对大气CH4 含量的贡献几乎与热带地区的贡献处于同一量级.,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 11 超新星爆炸 超新星爆炸时会产生大量的X 射线, 当这些射线进入地球大气层后会使大气中产生大量的NO(NO 和NO2 是NO -3 的前身) , 从而在爆炸事件发生之后的冰雪沉积层中形成明显的NO-3 浓度峰值. 一般来说, 这一NO-3 浓度峰值在远离土壤和海洋的地区容易得到反映. Rood et al . 121 曾在1979 年报道了南极South Pole 冰芯中的NO-3 浓度记录, 发现有4 个高于NO-3 背景浓度2 -3 倍的峰值, 其中1811 AD、1572 AD 和1604 AD 的峰值浓度和当时已知的超新星爆炸事件相对应, 而第四个NO-3浓度峰值(大约出现在1300 AD 左右) 当时没有找到对应的超新星爆炸事件. 随后, 对于格陵兰Crete 冰芯NO-3浓度的分析表明122 , 历史时期的超新星爆炸并没有引起该冰芯中NO-3浓度出现峰值. 后来, 人们几乎拒绝接受冰芯中的NO-3 浓度可以揭示超新星爆炸的信息123 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 11 超新星爆炸 然而, 当最近天文学研究发现大约在1320 AD 前后存在一个叫Vela 的超新星时, 人们又重温South Pole 冰芯的NO-3浓度记录, 发现当年的第四个NO-3浓度峰值正好出现在1320 AD124 , 125 . 这激起了天文学家对于冰芯研究结果的浓厚兴趣. 那么为什么超新星爆炸的信息在南极South Pole 地区存在, 而在格陵兰Crete 地区不存在. 研究认为, 一种可能的原因是由于在极夜情况下极区高层大气可产生更多的NO-3,而过去1 000 a 中已知的几次超新星爆炸均发生在410 月的北半球夏半年125 .,四、,2 冰芯研究的贡献,2. 12 微生物及其DNA冰川冰虽然不能提供微生物的生长环境, 但它却是保存生物的良好载体