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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、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發(fā)現(xiàn)之旅，認識令人驚嘆的世界。

近些年來全球氣候變暖的問題日益受到關注，科學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測未來。中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與氣候變化研究團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測做出了巨大的貢獻，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）。當時的氣候條件和現(xiàn)在也完全不同，甚至在當時連北極都不像現(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。

但是隨后，地球進入了一個漫長的冷卻期。

北極冰蓋擴張與全球降溫

260萬年前，北半球的冰蓋剛剛開始擴張，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，如北半球的冬季風就與北極冰蓋息息相關。北方的冬天寒風呼嘯，人們所謂的喝“西北風”，這個“西北風”其實就是冬季風，它是由西伯利亞冷空氣向南移動形成的，如果冬季風過于強盛，向更南的方向推進，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，就會帶來非常嚴重的后果。除了大家眾所周知的冰蓋融化會導致海平面上升之外，北極冰蓋的消失還可能會導致亞洲冬季風的減弱甚至消失，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；還會導致我國南方洪澇災害，造成居民傷亡和經(jīng)濟損失；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強度的變化和我們每一個人的生活都息息相關，因此它也一直是科學家的研究重點?？茖W家們研究冬季風是為了更好的預測未來，但是要達到預測的目標，他們首先需要研究冬季風的歷史，這是因為只有當我們發(fā)現(xiàn)了氣候變化的歷史規(guī)律，才能一定程度預測未來。

而在冬季風的歷史研究中，最重要的就是：北極冰蓋形成之前冬季風是否存在？冬季風的強弱與北極冰蓋的變化是否有關系？

亞洲冬季風示意圖

（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的年代？

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

解決了冬季風如何變化的問題，那么如何確定冬季風變化對應的時間呢。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，科學家們編制出了地磁年代表。科學家只需對土壤礦物質(zhì)的磁性進行研究，并且與地磁年代表進行對比，可以確定土壤物質(zhì)的年代。

基于以上兩點，就可以較為準確的判斷季風強弱的變化以及對應的年代。

研究有何發(fā)現(xiàn)？

中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與氣候變化研究團隊研究員敖紅與宋友桂等人研究發(fā)現(xiàn)，亞洲季風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，亞洲冬季風的強度明顯增加了，同時還發(fā)現(xiàn)季風強度一直以4萬年和10萬年的周期進行變化，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的強度都是處于較強的水平，同樣海平面較低時亞洲冬季風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，亞洲冬季風的變化強度相對較弱。

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)部氣候動力學的控制。

綜上，這一結(jié)果對于理解千年尺度的氣候動力學具有重要意義，說明了北極冰蓋大小只是影響亞洲冬季風的強度，而沒有影響亞洲冬季風的周期變化，從古至今亞洲冬季風的強度一直是以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；同時亞洲冬季風強度和全球海平面同步變化。

亞洲冬季風強度和海平面變化等指標對比

（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，這樣看來，全球溫度是否會進一步上升2-4℃？

研究發(fā)現(xiàn)亞洲季風強度確實存在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)測海平面變化來預測亞洲季風的變化？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撊绾螒獙@些未來的變化？

這些問題還需科學家們進一步的研究，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面影響，能夠了解氣候、掌握氣候、利用氣候。

參考文獻：

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

2、Haywood, A. M., Tindall, J. C., Dowsett, H. J., Dolan, A. M. & Lunt, D. J. A return to large-scale features of Pliocene climate: the Pliocene Model Intercomparison Project Phase 2. Clim. Past 16, 2095–2123 (2020).

3、Martínez-Botí, M. A. et al. Plio-Pleistocene climate sensitivity evaluated using high-resolution CO? records. Nature 518, 49–54 (2015).

4、McClymont, E. L. et al. Lessons from a high CO? world: an ocean view from ~3 million years ago. Clim. Past 16, 1599–1615 (2020).

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6、Ao H, Liebrand D, Dekkers MJ et al. Orbital- and millennial-scale Asian winter monsoon variability across the Pliocene–Pleistocene glacial intensification. Nat Commun 15, 3364 (2024)

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