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[中国科学报]挖掘黄土里的“冰河世纪”

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还记得电影《冰河世纪》中那只大眼、尖牙、为了松果不要命的松鼠吗?它生活在北半球被大范围冰川覆盖的“冰期”,而目前人类生活在冰量较小的短暂“间冰期”。从260万年前开始,地球出现了这种剧烈的冷暖交互状态。

“预测未来气候变化需要知道冰期如何开始。一旦冰期再次出现,人类要么学会在冰上生存,要么像电影中的小动物一样,集体迁徙。”近日,兰州大学西部环境与气候变化研究院教授聂军胜表示。

通过对中国黄土的研究,聂军胜团队揭示出第四纪北半球冰期是由巴拿马地峡形成、亚洲季风增强导致北太平洋海水盐度减小、海水分层并最终大面积结冰。该成果近日发表在《科学报告》杂志上。

在聂军胜的办公室,记者见到了32个装有黄土的盒子。它们来自秦岭山脉以北、毛乌素沙漠以南的黄土高原—解析260万年前“冰河世纪”开始原因的秘密就隐藏其中。

聂军胜说,研究近代气候变化可以查阅历史资料,但要想知道远古时期的气候变化,只能通过分析沉积物、树轮、冰芯。黄土是地球沉积物,正如飞机的黑匣子,见证了地球气候的变化。通过表土研究建立黄土物理化学参数与气候的关系,就可以应用这些参数从古代黄土中恢复当时的气候历史。

从黄土这个“黑匣子”中挖掘冰期形成原因,聂军胜由一个异常的曲线图开始。2008年,聂军胜在美国读研究生期间,生成了黄土高原两个磁学参数的古气候记录。通过观察曲线,他发现,从600万年前到450万年前和260万年前到现在,两曲线变化的趋势相同。而从450万年前到260万年前,两曲线趋势却异常变为相反。

为何地球气候在260万年前出现急剧变化,从之前的温暖状况变为之后冰盖周期性消融和扩张?“没有黄土研究,这个疑问很难解释清楚。”聂军胜说,从2010年开始,他回到国内,与中科院地球环境研究所宋友桂团队合作,对分布在秦岭山脉以北到毛乌素沙漠以南的黄土高原表土样品进行了系统采集,样品覆盖甘肃、宁夏、陕西、山西、河南5个省区。然而,重建大陆古气候变化历史并非易事,难点在于多数古气候指标受温度、降水等多重气候因素影响。

如何分离混合信号?聂军胜想到了磁学参数—气候变化会把黄土改造成土壤,成壤过程中生成的纳米级磁性颗粒浓度和含量的变化可能会对气候的不同参数有不同的敏感度。研究团队将黄土中磁性颗粒的浓度信息、粒径信息和矿物类型信息用不同的磁学参数分离出来,最终发现聂军胜在2008年生成的两条曲线对应的两个磁学参数对温度和降水有不同的敏感程度。

基于这个发现,聂军胜对如何解释那段异常变化的曲线有了清晰的认识:黄土高原在450万年前到260万年前变冷变湿,而其他时段水热趋势相同。为什么忽然变冷变湿?因为冰盖能否长大的两个重要因素是有足够多的水汽和足够冷的气候,而冰期开始前黄土高原异常(变冷变湿)的水热变化趋势十分有利于冰盖的扩张。

研究小组进一步发现:450万年前,大西洋和太平洋因为板块漂移导致盐度发生分异。500万年前,南北美洲相距较远,大西洋和太平洋两侧的表层海水可以自由交换,因此盐度差为零。随着南美洲板块逐渐向北漂移和南北美洲距离接近,两个大洋表水交换能力减弱,而东北信风的存在使大西洋水汽不断被带入太平洋,使太平洋盐度降低,从而造成北太平洋海冰面积扩大、北太平洋高压中心加强和东亚夏季风增强。夏季风的增强会导致北太平洋海水进一步变淡,形成一个正反馈系统,最终导致北太平洋海水分层和深层海水里的二氧化碳无法到达大气。这就导致大气中二氧化碳含量降低、气候变冷和北半球冰盖形成。

按照这样的推论,如果未来大气中二氧化碳浓度上升使得格陵兰冰盖消融,并导致大西洋海水分层,气候将会变冷,而不是一些科学家预测的全球变暖。

(来源:中国科学报 2014-07-17  第四版综合  记者刘晓倩) 

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