以史為鑒，可以知興替。這個“史”不僅僅是人類文明演化歷史，更是漫長的地球自然變化史。

“利用復(fù)雜氣候模型，我們對過去三四萬年的氣候瞬變進行模擬實驗，首次證實地球軌道的變化可以直接觸發(fā)氣候突變，系統(tǒng)論證了地球軌道變化對氣候突變的雙重調(diào)節(jié)控制。”11月4日，中國科學(xué)院(以下簡稱中科院)地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、青藏高原研究所研究員，蘭州大學(xué)教授張旭告訴科技日報記者。

這項研究為理解更新世氣候突變事件的觸發(fā)機理提供了全新的動力模型。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然·地球科學(xué)》雜志。

能夠直接觸發(fā)大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流突變

約270萬年前，隨著北半球大陸冰蓋的逐漸發(fā)育，氣候系統(tǒng)開始經(jīng)歷以萬年尺度為周期的冷暖交替，即我們熟知的冰期—間冰期氣候旋回。在冰期氣候背景下，全球氣候頻繁出現(xiàn)千年尺度的氣候突變事件。20世紀80年代，有學(xué)者指出，氣候突變的主要原因與大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的變化有關(guān)。

“這一觀點在30多年的持續(xù)研究中得到普遍認可，但對其觸發(fā)機理存在多種推測。有學(xué)者提出，其可能與海洋環(huán)流的內(nèi)部變率有關(guān)，或是由冰蓋或者海冰的消融所致。還有學(xué)者指出大氣二氧化碳濃度和南半球西風(fēng)帶也起到積極的作用。但這些推測主要集中在地球系統(tǒng)的內(nèi)部因素。”張旭介紹。

以往的大量研究已證明，地球軌道變化可通過氣候內(nèi)部因素的變化(例如冰量變化)調(diào)節(jié)控制氣候突變事件的發(fā)生，即軌道對氣候突變存在間接調(diào)節(jié)控制。

那么，地球軌道變化是否可以直接觸發(fā)千年氣候突變事件呢?

為此，研究人員首先開展了過去4萬年至3.2萬年的氣候瞬變模擬實驗。在實驗中，研究人員僅將地球軌道參數(shù)作為變化量，而如冰量、溫室氣體等其他所有的環(huán)境變量均保持恒定，以此檢驗地球軌道變化是否可以直接觸發(fā)大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的突變。

實驗結(jié)果顯示，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流出現(xiàn)了類似于氣候記錄中的千年尺度震蕩，相應(yīng)的溫度和降水變化也與氣候記錄有較好的一致性。“中國黃土、石筍、湖泊清晰記錄了千年尺度的突變事件。這些突變事件對我國自然環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。我們在復(fù)雜氣候模型中首次證實了地球軌道變化可直接驅(qū)動氣候突變。”中科院院士、中科院青藏高原研究所所長陳發(fā)虎強調(diào)。

可以幫助人類建立對“后天”的科學(xué)認識

隨后，研究人員又進行了軌道參數(shù)的單一強迫實驗，即僅改變地軸傾角、離心率和歲差，進一步定性不同軌道參數(shù)變化對氣候突變的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，歲差的變化可通過影響北半球低緯地區(qū)的夏季太陽輻射，調(diào)節(jié)大氣水汽從大西洋向太平洋的輸送強度，進而調(diào)控北大西洋的海表鹽度，引起大西洋經(jīng)向反轉(zhuǎn)流的突變。

同時，地軸傾角可通過影響北半球高緯地區(qū)的年平均太陽輻射的變化，調(diào)控北大西洋深層水生成區(qū)的海水溫度以及海冰面積，進而影響表層海水垂直混合的強度，引起突變。“這組數(shù)值實驗證實了單一軌道參數(shù)的變化也可直接觸發(fā)北大西洋海洋環(huán)流的突變，即軌道變化對氣候突變的直接調(diào)節(jié)控制。”張旭解釋。

為了系統(tǒng)地厘清地球軌道變化調(diào)制千年氣候事件的規(guī)律，研究人員又通過大量的數(shù)值實驗，總結(jié)出了解釋更新世不同時期千年氣候事件的動力概念模型。“我們的模型被證實不僅適用于晚更新世，也適用于中早更新世。”張旭說。

陳發(fā)虎表示，通過這些研究，我們可以確定，更新世以來冰期中的千年尺度氣候事件很可能一直受到極地冰蓋變化和地球軌道參數(shù)變化的雙重調(diào)節(jié)控制。但是，軌道尺度氣候變化和千年尺度氣候突變?nèi)绾螀f(xié)同影響更新世以來的氣候演變，還需通過含冰蓋動力過程的地球系統(tǒng)模型做進一步研究。

“科學(xué)家們通過對古氣候現(xiàn)象背后機理的研究，嘗實揭示不同時空尺度氣候過程的協(xié)同作用對氣候變化的影響，努力掌握氣候演變的規(guī)律。這不僅對于人類預(yù)測和應(yīng)對未來氣候突變有巨大而深遠的意義，也可以幫助人類建立起對于‘后天’更加科學(xué)和理性的認識。”陳發(fā)虎說道。