冰雪地球形成和融化的机制

摘要

新元古代是指距今大约10–5.4亿年前的这段时期,该时期的地球气候与其它时期的重要区别是气候呈现极端寒冷(全球性冰川)和极端炎热(所谓的热室或桑拿室)在数百万年或千万年时间尺度上的交替和转换。地质、地磁和地球化学证据表明,地球在新元古代时期曾经历过2–4次全球尺度的冰川期,也就是陆地冰川延伸到赤道附近,甚至热带海洋也被冰雪覆盖,形成极端寒冷的“冰雪地球”(Snowball Earth)。融化冰雪地球需要很高浓度的CO2,当冰雪地球迅速融化之后,大气中的CO2含量仍很高,加上水汽的温室效应,地球进入极端炎热的气候状态。新元古代时期的冰雪地球不仅是地球历史气候演化的重大问题,极端寒冷和炎热的气候环境对原始生命的生存和繁衍同样非常重要,因此,冰雪地球是过去20年地球远古气候的热点研究课题。
　　虽然已有大量的地质、地球化学和气候方面的研究,但关于冰雪地球形成和融化的机制等基本问题目前尚不清楚,尤其是地球是完全被冰雪覆盖,还是在热带仍有开放的海域?冰雪地球形成和融化时大气中的CO2含量分别是多少?海洋在冰雪地球形成和融化过程起到什么样的作用?大气和海洋环流特征是怎样的?冰雪地球融化之后的地表温度是多少?冰雪地球形成和融化过程中的各种气候反馈如何?本论文将利用能量平衡模式、辐射-对流模式、大气环流模式和海气耦合气候模式对这些基础问题进行研究。
　　我们的模拟研究表明,在新元古代时期太阳辐射强度比现在弱6％的条件下,冰雪地球的形成需要很低浓度的CO2,即极弱的温室效应。在现在海陆分布下，CCSM3给出的CO2阈值是17.5 ppmv,CCSM4给出的CO2阈值是70 ppmv。这些不同的CO2阈值主要是由于模式中不同的冰雪反照率造成的。
　　在冰雪地球形成的过程中,地表反照率不断升高,大气中水汽含量及其温室效应不断降低,有利于冰雪地球的形成。地表风应力将中高纬度海冰输送到低纬度地区,加速低纬度海冰的形成。风生洋流将热量从开放的热带洋面输送到冰线的边缘,阻碍冰雪地球形成。大气环流的作用则是随时间变化的:当冰线在热带外时,哈得雷环流通过将能量从热带输送到副热带,起到阻碍其形成的作用;当冰线推进到热带区域内时,哈得雷环流的近地表分支(信风)将相对冷的空气从冰面输送到冰线附近和开放洋面,起到促进冰雪地球形成的作用。最终整个系统是否进入冰雪地球状态,取决于外界强迫的强度与各个部分(大气、海洋、海冰和冰川)之间的相互作用。
　　融化冰雪地球的CO2阈值是冰雪地球研究中的另一个关键问题。我们使用辐射-对流模式得到的CO2阈值是210000 ppmv,使用大气环流模式 CAM3得到的结果是380000 ppmv。根据James F. Kasting的建议,在这些模拟试验中,我们首次考虑了高浓度CO2条件下压致增宽和分子碰撞增强所造成的CO2和H2O在红外波段吸收的增强。因此,我们给出的CO2阈值比之前其他学者的结果要低很多。同时发现,不同气候模式的晴空温室效应和云辐射强迫存在明显的差异,大气中臭氧浓度及其空间分布的变化对冰雪地球气候也有适度的影响。
　　冰雪地球融化后,由于大气中仍存在高浓度的二氧化碳,加上大量的水汽进入大气,在二氧化碳和水汽温室效应的共同作用下,地球将进入极端炎热的气候状态。我们的模拟结果表明,在400000 ppmv CO2下,全球平均地表温度高达70?C。在这种极端炎热的条件下,大气环流与现代气候条件下的大气环流有着显著的不同。热带洋面大气边界层内出现很强的逆温,并且赤道和极地之间的温差显著减小,这些共同导致对流运动明显减弱,哈得雷环流强度减弱、宽度变窄,同时中纬度费尔环流也相应地变弱,大气相对湿度降低,热带辐合带几乎消失。
　　新元古代冰期是否意味着地球完全被冰雪覆盖,还是热带维持开放的洋面一直是争论的热点问题。我们在海-气耦合气候模式中,首次发现热带维持稳定开放洋面的气候状态:雪水交融地球(a soft Snowball Earth)。即,冰线推进到热带区域以内,赤道附近开放洋面与低纬度常年被雪覆盖的陆地稳定地共存。从开放洋面到冰线附近的海洋热量输送是维持这一状态的关键。该气候态对冰期原始生命的生存和繁衍有很重要的意义。
　　冰雪地球的研究不仅有利于促进我们对地球气候及其演变的认识,而且有利于我们更好地理解现代气候条件下地球各个圈层-大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈之间的相互联系与相互作用。

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绪言

0.1 观测证据

0.2 各种假说

0.3 数值模拟

0.4 研究意义

0.5 本论文的研究内容

第一章 形成 I：太阳辐射和二氧化碳

1.1 引言

1.2 模式介绍和试验设计

1.3 结果

1.4 小结

第二章 形成 II：气候反馈

2.1 引言

2.2 结果

2.3 小结

第三章 形成 III：模式敏感性

3.1 引言

3.2 模式介绍和试验设计

3.3 CCSM3 与 FOAM, ECHAM5/MPI-OM 的

3.4 CCSM3 与 CCSM4 的差异

3.5 CCSM4 中冰雪地球的初始化

3.6 小结

第四章 融化：二氧化碳和臭氧

4.1 二氧化碳

4.2 臭氧

4.3 小结

第五章 融化后的气候

5.1 引言

5.2 试验设计

5.3 结果

5.4 讨论

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录 A 其他工作

附录 B 冰雪反照率反馈的数学表达

附录 C 所发表或接收的文章

致谢