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古气候

地质学术语,古气候(Ancient climate)是指现代气候以前的气候,包括历史气候和地质时期气候。在地质学上,指地质时期气候。古气候的研究,在地理学和气象学上,对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要作用;在地质学上,对于地层划分和对比,地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有指导意义。

古气候是指史前地质时期的气候。有别于历史时期气候,又称地质气候或地史气候,研究这一时期气候状况和变迁的学科称古气候学,主要依据古生物和地史资料等中得到的化石、沉积物、孢粉等信息推断气候的干湿和冷暖变化。 [1]

地球气候变迁遗留的痕迹很早就被人们所注意。中国北宋时期的沈括通过对延州(今陕西省北部)化石的观察,提出在当时气候条件不宜竹类生长的延州,可能在“旷古以前,地卑气湿而宜竹”的观点。1686年,英国R胡克根据波特兰角的海龟化石和巨大的菊石,认为该地过去气候曾经是比较温暖的。1840年,瑞典JLR阿加西根据阿尔卑斯山的冰川堆积,第一次提出地球气候史上曾出现过冰期气候。20世纪初,德国A彭克和E布吕克纳著《冰川时期的阿尔卑斯山》,将阿尔卑斯山第四纪大冰期划分为4个冰期(后又划分成5个冰期)。20世纪以来,许多学者对古气候进行了研究。中国气象学家竺可桢曾对历史气候作了大量研究,他的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》(1972年)一文受到国内外有关学者的普遍注意。 [1]

地球上仪器观测的气候记录,最长不过二、三百年。有两类资料可以把气候记录延长到没有仪器观测的年代:一类是历史资料,如考古发掘文物、历史文献等;另一类是各种天然气候记录,包括树木年轮、地层中的生物化石、植物孢粉、各类沉积物的特征,以及各种自然地理因子变迁的痕迹等。这些天然气候记录有连续的,也有间断的,其适用的地理范围、研究的时期及在气候上的意义也都不相同。时期愈早,古气候记录愈少。

地质时期气候研究主要包括寻找古气候证据和确定证据年代(称为断代技术)两个步骤。前者采用地质学方法、地理学方法和同位素方法(物理学方法)等。地质学方法是根据生物生存条件、岩层和沉积矿床的形成与气候的关系,通过对地层中生物化石和沉积物等特性的研究,阐明地质时期气候在时间和空间上的分布和变化规律。例如:煤层的存在,可以推断为湿润气候;出现珊瑚礁,可推断为温暖气候;有石膏、岩盐,可推断为干燥气候。此外,通过地层中植物孢粉判别母体植物的种属,可推测过去的植被及其相应的气候。地理学方法主要是考察自然地理环境的变迁,如海平面的升降、河流和湖泊水位的变化、冰川和雪线的进退、沙漠和冻土以及森林等界限的推移,用以估计相应的气候演变。同位素方法是利用元素同位素含量和比值来推测过去气候的温度,其中以氧同位素方法应用最广。例如,利用氧同位素比值可以测定极地冰原不同冰层形成时的温度况。自然界的氧有氧-16、氧-17、氧-18三种同位素。在冰层形成时,气温越低,其中氧-16和氧-18的比值越高。因此,可以根据氧-16和氧-18比值的变化,了解第四纪海面温度的变化。氧同位素方法同样可用于测定钟乳石和树木年轮形成时的温度。利用碳-13和碳-14的比值,也可推测过去的温度,但应用不太广泛。

断代技术是确定各种证据形成的顺序和年代。可分为相对断代和绝对断代。相对断代只说明证据在形成时间上的新老顺序,主要依据古生物方法加以划分,如孢粉断代、地层学断代等。绝对断代是明确给出证据形成的绝对年代,主要是根据岩石中放射性同位素蜕变产物的含量加以测定的。

历史气候研究主要利用历史文献和考古发掘物中关于气候的证据,分析历史时期的气候状况。

我国有大量的历史时期天文学、气象学和地球物理学现象的可靠记载,许多古文献中有着台风、洪水、旱灾、冰冻等一系列自然灾害的记载, 以及太阳黑子、极光和彗星等不平常的现象的记录,而中国历史文献记载的时间可以准确到年,甚至到月、日。与其他的需要通过实验室技术测定年代的代用资料相比,它的年代认定清楚,这一优点可以有效地用于对其他代用气候记录的年代校订。

地球起源以来的约46亿年中,气候曾发生过多次巨大变化。现今人们还无法了解地球早期的气候状况,只能通过某些直接和间接的方法,推测约20亿年以来的气候变化。前寒武纪以来,至少出现过多次全球性的大冰期。

一般认为,对地质时期温度的估计从中生代(距今2.3~0.67亿年)起才比较可靠。据H弗洛恩估计,中生代时的年平均温度在两极附近为8~10℃,低纬度热带地区为25~30℃。

新生代(距今约6700万年以来)气候的主要特征是中纬度温度缓慢地下降,而热带地区却无明显变化。它导致南极洲冬季降雪,山岳冰川逐渐增加,大洋底水温下降。大约在距今500万年以前,南极地区已出现冰盖。到250万年前,北半球冰岛等地区也开始出现山岳冰川,以后格陵兰等地的现代冰川又相继形成。于是,地球气候逐渐进入到一个新的大冰期,即第四纪大冰期。

第四纪大冰期开始时间有很大争论,但多数人认为始于距今 200万年以前。第四纪气候是以大陆冰盖和中、高纬度山岳冰川为主要特征,统称为第四纪大冰期。在第四纪内,依据冰川覆盖面积的变化,可划分出几次冰期和间冰期。由于气候变化随地区的差异和研究方法的不同,各地划分的冰期有所不同。

第四纪中以里斯冰期的冰川作用最为强烈,当时地球有十分之二到十分之三的大陆面积为冰川覆盖(现今约为十分之一)。在亚洲,冰盖到达贝加尔湖附近。

冰期气温平均比现代低 8~10℃。间冰期气温比现代高,北极地区气温较现今高10℃以上,低纬度地区也较现今高5~6℃。冰期和间冰期温度的巨大变化,导致其他气候要素和自然地理因子的变化:①雨带分布的变化。冰期时,极地冰原面积扩大,极地反气旋增强,极地高压带向中、低纬度地区扩展,迫使行星极锋带移至中、低纬度地区,导致中、低纬度地区低气压活动频繁,雨量充沛,湖水面积扩大。例如,亚洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等,在冰期时均为湿润地区,但在间冰期时,上述地区的气候常很干燥。②雪线的升降。冰期时,全球山岳雪线普遍下降,大多数山岳雪线下降1000~1400米,热带地区雪线下降700~900米。③海平面的升降。冰期时,地球表面的水相当大的一部分形成巨大冰盖而留在陆地上,海平面因此降低。例如,玉木冰期时的海平面比现代低约100米。在间冰期最暖时期的海平面,可能比现代高出15~30米,甚至更高。④生物群落的迁移。在冰期时,冰川扩张,气候带向低纬度地区移动。在间冰期时,冰川退缩,极地地区气温升高,气候带向高纬地区移动。与气候带相应,生物群落也随之南北迁移。例如:克里米亚(里斯冰期)的地层里发现过北极狐、北极鹿化石;在南高加索,从冰期地层里发现过猛犸象化石,这些都属于极地动物。在间冰期,北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜温动物群活动。

冰后期(约从1万多年前开始),全球气温逐渐上升,冰川覆盖的面积相应缩小,海平面随之上升,地球气候又进入较为温暖的时期。

古气候学(paleoclimatology)是研究地质时期气候形成的原因、过程、分布及其变化规律的学科。即根据物质成分、沉积岩结构特点和生物,按一定的理论和方法推断各地质时代的气候。古气候学的研究与地质学、古生物学、地球化学、同位素化学、大气物理学和天文学等密切相关。 [1]

19世纪早期,古气候的研究材料主要来源于欧洲和北美。由于当时北美前寒武纪晚期冰川沉积尚未发现,所以认为整个地质时期的气候都是温暖的,直到第三纪气候才开始变冷,到第四纪更新世出现冰川。把高纬度地区指示温暖气候的沉积与化石,认为是热带或亚热带气候曾达到极地附近的证据。

19世纪后期至20世纪初期,在南大陆发现晚古生代冰碛物以后,地质学家不再把冰川看作是更新世特有的古气候现象。于是对高纬度地区曾存在温暖气候的事实产生了另一种解释,即地质时期古地理面貌与现今不同,各大陆及相对的极地曾发生过大规模的位移。这就是魏格纳大陆漂移说的基础之一。与此同时,先后有不少论述古气候的论著,从而奠定了古气候学的基础。

20世纪50年代以后,利用现代大气物理学研究成果,古气候学在研究方法、测试技术、古气候成因研究以及应用上都有较大的发展。还把地球的热平衡、辐射分布、大气环流、洋流、气候带等理论应用到古气候的研究中去。此外,还对影响古气候的地内和地外原因进行深入探讨。

另一重要的进展是根据氧同位素对古气温的测定。60年代以后,古代海洋和大陆温度定量恢复方法的发展,对第四纪大冰期陆、海、冰古地理的恢复,大气海洋一般环流模式及冰期气候的模拟,及地球轨道变化对气候的影响的研究等,使古气候学取得了很大发展。

气候变化早为人们关注,洪涝、旱灾早与人类的生产、生活,甚至生死存亡休戚相关。自从有文字以来,各地旱涝灾情的记载随处可见,可见气候与人类关系之密切。

近年来,人们又议论着一个新的话题:世界气候真的会越来越暖吗?世界气候变暖真能把南极大陆的冰盖融化吗?海平面真的会因此而出现灾难性的上升吗?……

过去,环境变化并未被人们重视。然而,近来,人们在关注气候变化的同时,也关心着环境状态的演变。诸如,城市空气是否变得污浊,饮用水和食物是否被污染,南极臭氧洞是否能向北移动威胁人类的安全,……

要评价现代气候和环境的变化很自然地要考证过去气候和环境的历史资料。然而,有观测记录的历史气候资料,最长的只有数百年,而历史环境资料就更短了,真正有观测记录的是最近几十年的事。

科学家们知道,气候和环境变化的准周期长短不一,有几年,几十年,几百年甚至几千年。因此,恢复古气候和古环境变化资料,是研究未来气候和环境演变的基础。

我国气候学奠基人竺可桢先生首先采用古代文字记载、物象等手段,恢复了我国5000年来的气候演变,成为世界上研究古气候变化的一个里程碑。然而,恢复古环境资料,恢复比5000年更古老的气候资料仍然没有得到解决。

冰芯

正当气候学家和环境学家冥思苦想的时候,冰川学家帮了大忙。

冰川学家在研究南极大陆冰盖的年龄及其形成的历史过程时,采用了钻取冰岩芯样品的方法来测定冰川的年龄和形成过程。他们发现,从冰川的冰岩芯样品中,不仅能测定冰川的年龄及其形成过程,还可以得到相应历史年代的气温和降水资料,以及相应年代的二氧化碳等大气化学成分含量,开辟了恢复古气候和古环境的新的道路。

由于南极大陆的冰盖厚度深达几百至几千米,而且气候极其寒冷,成冰过程中无融化现象,因而,从这儿钻取的冰岩芯样品能较准确地代表历史气候和环境的真实状况,这是南极得天独厚的条件。

记载表明,从南极大陆冰盖获取的冰岩芯样品,到现今已超过2000米,获得了15万年以前的古气候和古环境资料。

首先,谈谈怎样获取冰龄的资料。南极大陆冰盖是由积雪本身的重量长年挤压而成,称作重力冰。在南极地区,由于气温低,积雪不融化,每年的积雪形成一层层沉积物,年覆一年,从底部至上逐渐形成一层层的冰层,越向上年代越新。冬季气温低,雪粒细而紧密;夏季气温高,雪粒粗而疏松;因而,冬夏季积雪形成的冰层之间具有显著的层理结构差异,宛如树干的年轮一样,用这种直观的方法只可辨认约90米厚的冰层,代表近500年的冰沉积。

要测定100米以上深度的冰层年龄,必须采用氧同位素方法。

所谓氧的同位素,即同属氧元素(O)但具有不同质量数的氧原子,如16O,17O和18O就是氧的三种同位素。氧元素符号左上角的数就是它的质量数,显然,18O的质量大于16O。18O不易蒸发,16O易蒸发。因而,在夏天高温时,水中所含16O减少,故18O/16O的值增加;冬天低温时,18O/16O的值减小。据此,测定冰岩芯中各冰层的18O/16O值的变化,即可确定冰层的年龄:其比值的每一起伏为一年。

有了冰层的冰龄资料,再进一步确定各冰龄的气温和降水,便有了历史气候的最基本资料了。

原则上,可以根据各年冰层厚度来确定当年降水量。其条件是,必须选取风速很小地区的冰岩芯资料才能排除风吹雪的影响。如,在南极内陆区域,由于风速小,冰芯资料最理想。

用冰岩芯提取古代气温资料的方法,可通过如下途径来进行。

首先,实际测定一组现代南极冰盖上某点的气温以及相应时间降雪中18O/16O的值,得到南极地区气温与18O/16O值关系的曲线;之后,把过去某一年冰层中18O/16O值与上述曲线比较,即可知道当年的气温。

原苏联科学家利用这种方法,测定了南极东方站0~2038米的冰岩芯样,从中提取了15万年以来全球气温的变化资料。

获取古环境资料的方法可根据不同的大气化学成分而定。

二氧化碳与气候的密切关系,早为世界关注。因此,获取二氧化碳历史资料的问题首先得以提到日程。

在南极地区降雪堆积并挤压成冰层的过程中,总会保留下冰间空穴,保存着当年的空气。在分析冰岩芯样品时,分析冰芯中滞留氧泡的大气化学成分,即可测得其二氧化碳的含量。有了上述测定冰龄的前提,二氧化碳的历史演变资料即可得到。

依照同样方法,还可分析得到诸如甲烷、氮等气体的历史资料。

从冰岩芯样品中还可分析其它各种元素成分的历史资料,如:硫,砷,氟,钾,……这些都是研究环境变化的重要依据。同钻取冰岩芯样品分析古气候和古环境资料的思路一样,从南极地区的湖底沉积中钻取岩芯,也可得到古气候和古环境的历史资料。

为什么从湖底沉积物的柱状剖面中能够提取古气候和古环境的信息呢?

大家知道,在气候严寒的极地条件下,温度是植物生长的主要限制因素。温度高,有利于植物生长,温度低,植物生长受到限制。可见,有机质含量高和植物残体丰富应指示相对高温条件;反之,有机质含量低和植物残体贫乏应指示相对低温状况。据此,可以用湖底沉积物样品各沉积层中的植物残体含量变化来定性地描述历史气温的变化趋势。另外,由于南极地区气温低,植物有机体分解缓慢,因而,湖底沉积物中能保存较多没有完全分解的或比较完整的植物残体,为我们通过湖底沉积物来反演历史气候变化资料提供了可能条件。

南极地区湖底沉积物样品的年龄是采用14C方法测定的。要知道14C方法测定年龄的道理,首先我们要了解什么叫14C。14C即原子质量数为14的碳原子。其次,我们要知道14C的性质。在自然界中,所有含碳物质均在与大气不断地交换,而产生新的14C补充于该含碳物质中;同时,按照放射性衰减的规律,14C又在不断地减少,如此补充和衰减的综合结果,使所有含碳物质中的14C含量保持动态平衡。然而,一旦含碳物质停止与大气交换(如:生物死亡,碳酸盐沉淀理藏于地下等),14C得不到补充,原来含有的14C将按其衰减规律减少,即每隔5730年左右,14C含量将减少一半。

了解了14C的性质,14C测年法也就不难明白了。从埋藏在地下的生物残体或含碳样品中,测定含碳样品中14C的原子数,再与现代自然界里相同含碳物质中14C的原子数相比较,就能知道样品的14C原子数减少了多少,根据其半衰减周期为5730±40年的规律,该样品的历史年代就可找确定了。

南极地区为人类蕴藏了如此丰富的古气候和古环境档案资料,应该能为研究现代和未来气候的演变提供有效的科学依据。

例如,从南极内陆冰芯中获得的15万年来气温演变资料不难看出,距今2万年以来,全球气温开始上升,近1万年以来一直处于高温期间(间冰期),这与近数十年来实测全球平均气温逐渐增高的结果相符。这是"人类活动影响全球变暖"的有力证据。于是,有人预测,未来气候将逐渐变暖,论据是工业发展和人类活动将不断排放出更多的二氧化碳和甲烷等温室气体,加热大气。然而,根据冰芯得到的气温历史资料也表明,在距今约12万年到14万年之间,地球上也有一个高温期,且其平均气温值要比近1万年来的平均气温值还要高。如果说,近一万年来,尤其是近百年来地球上气温升高是由于人类及工业活动的影响,那么,距今十多万年前的高温期是否也是受人类和工业活动的影响呢?从已知的人类发展史来看,显然,当前还没有充分的根据证明是人类活动的影响。

人类在讨论数十年来全球平均气温升高的原因时,往往归咎于二氧化碳含量增加产生的“温室效应”。若仅就这数十年的情况看,的确,两者之间似乎存在着正相关。然而,若仔细对比二氧化碳含量与气温变化之间关系,情况就不完全相同了。例如,距今11万年~10万年间,气温一直在升高,但同期的二氧化碳含量却在下降。这说明,气温和二氧化碳浓度变化之间,并不一定都有明显的成正比变化的关系。

可见,由南极地区冰岩芯反演得到的古气候和古环境资料,一方面为未来气候和环境变化可提供预测依据,同时,也可为解释当今气候环境变化的原因提供有效的科学思路。 [1]


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