地球轨道参数如何塑造冰期旋回?新研究揭示关键机制

【字体: 时间:2025年02月28日 来源:SCIENCE 44.7

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  为解决岁差(Precession)、倾角(Obliquity)和偏心率(Eccentricity)在冰期 - 间冰期转换中作用不明问题,研究人员通过分析去冰期和冰期开始形态,发现 100 kyr 冰期旋回很大程度上是可预测的,有助于预测地球气候自然变化。

  在地球气候的漫长历史中,冰期和间冰期的交替一直是科学家们关注的焦点。米兰科维奇理论(Milankovitch theory)指出,北半球巨大大陆冰盖的消长,源于地球自转轴倾斜度和绕太阳公转轨道几何形状的微小变化,这些变化影响着入射太阳光的季节性和地理分布。地球自转轴相对于公转平面的倾斜(倾角,Obliquity)变化会导致季节性差异,周期约为 4.1 万年(kyr),并强烈影响高纬度地区夏季接收的总能量。自转轴(以及轨道本身)的进动(岁差,Precession)会使至日相对于日地距离的时间发生变化,周期约为 2.1 万年。岁差对中高纬度地区的夏季峰值强度影响最大。地球轨道的形状(偏心率,Eccentricity)也在从较圆到较扁之间变化,周期约为 10 万年(和 40 万年),偏心率对岁差的幅度影响最大。
米兰科维奇在 20 世纪初提出这一理论,但直到 1976 年,海斯(Hays)、英布里(Imbrie)和沙克尔顿(Shackleton)提供了首个有力的地质证据支持后,该理论才得以证实。在一系列古气候记录中识别出岁差和倾角的特征周期,证实了这两个参数在更新世冰期旋回(Pleistocene glacial cycles)的节奏中必定发挥了一定作用,但它们的确切作用仍不明确。此外,观测到的约 10 万年的强周期性,很难与偏心率微弱的直接影响相协调。从那时起,人们进行了许多尝试,以区分岁差和倾角的相对重要性,尤其是在冰期终止(去冰期,deglaciation)过程中。这类研究面临的最大障碍是,难以精确确定古记录的绝对年龄,从而无法区分这两个参数的直接影响。研究人员采用了一种替代方法,绕开了对这种高精度年龄测定的需求;他们研究了去冰期 - 冰期开始的形态,并将其与轨道相位进行对比。

研究发现,去冰期的持续时间与冰期终止时岁差和倾角的相位之间存在很强的相关性。去冰期的开始很可能是由夏季峰值强度增强(即岁差)与倾角上升共同驱动的,而冰期的开始仅由倾角决定。研究结果可以用北半球冰盖平均纬度的变化来解释,冰期开始于高纬度地区,受倾角影响,而去冰期则反映了岁差和倾角对完全扩展的冰川冰盖的双重影响。当岁差的相关变化相对于倾角的相位提前开始时,就会出现漫长的去冰期,实际上延迟了冰盖向北退缩到间冰期状态的时间。最后,研究发现导致冰期终止的岁差峰值(总是与倾角上升同时出现)紧跟在偏心率最小值之后。这与一种观点相符,即偏心率减小可以通过降低岁差幅度来促进大型冰盖的增长。

研究结果表明,中更新世到晚更新世约 10 万年的冰期旋回在很大程度上是可预测的。这使得研究人员能够仅根据轨道相位,预测过去 90 万年中所有去冰期和间冰期的发生和持续时间。这也让人们能够在假设没有人类活动导致的 CO2强迫的情况下,对地球气候的自然未来进行初步估计。
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