科学研究
科研成果
刘永岗与合作者揭示在冰雪地球事件中赤道附近季节性温差远超现代
发布日期:2020-06-05浏览次数:

大气与海洋科学系助理教授刘永岗与合作者的最新研究表明:虽然现代地球赤道附近的季节性温差(最高月平均温度减去最低月平均温度)小于10摄氏度,但是在全球冰封,也即冰雪地球(Snowball Earth)的状态下,该温差可以超过20甚至30摄氏度。并且通过计算表明,这么大的季节性温差足够使地面产生裂缝形成沙楔,很好地解释了观测。该工作以“Large Equatorial Seasonal Cycle during Marinoan Snowball Earth”为题发表在最近一期的《科学进展》(Science Advances)杂志上。

大约7.2 – 6.3亿年前,地球上可能发生过两次全球性的冰期,冰川覆盖的范围令人震惊,因为在在古赤道附近的低海拔也发现大量冰川遗迹,它们的存在说明当时地球非常冷,关于这个极端的冰期事件有三种不同的假说,分别为软雪球假说(也称为水腰带地球或泥球假说)、硬雪球假说和高倾角地球假说(图1)。

图1 冰雪地球事件的三种假说:软雪球假说(“Soft snowball Earth”, or “Waterbelt Earth”, or “Slushball Earth”)、硬雪球假说(“Hard snowball Earth” or just “Snowball Earth”)和高倾角假说(“High obliquity)。上面两图中蓝色区域为海洋,粉色区域为冰川覆盖的陆地(约6-7亿年前),白色区域为海冰。硬雪球假说中的海冰厚度达到1000米左右,全球平均温度低至-50摄氏度左右。

其中高倾角假说认为赤道附近的冰川不一定代表全球都很冷,如果地球自转轴的倾角大于54°(现代地球的倾角约23°),则赤道比两极还冷,并且赤道的季节性温差非常大。该假说的关键证据是在古赤道附近发现的沙楔。沙楔是在年平均气温比较低的情况下,秋冬季气温快速下降导致地面收缩而产生的裂缝被沙土充填而成(图2),要求有干冷的环境和可能超过30摄氏度的季节性温差,在现代地球上主要形成于高纬度地区。虽然高倾角假说由于其不能给出地球倾角变化的机制而不被大部分科学家接受,但是前人关于软雪球和硬雪球假说的气候模拟研究都不能解释在古赤道附近发现的沙楔。

图2 地面表层沙楔(灰色区域)的示意图。地表裂缝中的沙尘一般是由风搬运来的,起初裂缝很窄,但是由于填充的沙尘强度较弱,在后续的几千年中会继续不断开裂,变得越来越宽。实际的沙楔只是近似为楔形,在其它过程(比如流水)的作用下常常可以产生复杂的扭曲变形,并且可以形成多重沙楔(如右图)。大的沙楔深度可以达到3米以上(比如高倾角假说所指的沙楔),其宽度有时也可以达到3米以上。

本研究注意到赤道附近的季节性太阳辐射变化受到地球轨道的偏心率影响比较大,因此尝试用偏心率的变化来解释观测到的季节性温差。地球轨道的偏心率在0.016 到0.0679之间周期性(有约10万年和约40万年两个周期)的变化,现代地球轨道的偏心率接近其极小值,约为0.0167。当在气候模式中逐渐增大偏心率的时候,我们发现赤道附近的季节性温差也显著增大。如果是一个雪球的话,季节性温差可以达到30摄氏度以上,并且在雪球中赤道地区也非常冷,年平均温度为-20摄氏度或更低,通过对地表张力的计算表明完全可以产生很深的裂缝。这也就表明我们完全没有必要用高倾角地球假说来解释观测到的古赤道附近的沙楔。

同时,计算还表明在软雪球中赤道附近的季节性温差即使在大的偏心率下也不会超过20摄氏度。这是由于其热带地区比较温暖湿润,地表的热容量较大,在季节尺度上不容易产生大的温度振荡。因此,本研究结果更支持6亿多年前的全球大冰期是一个硬雪球地球的假说,对解决冰雪地球各假说之间的争论有重要帮助。

论文第一和通讯作者是刘永岗,合作者包括北京大学的杨军助理教授、胡永云教授和沈冰副教授,以及美国路易斯安那州立大学并即将到南京大学任职的鲍惠铭教授。该项目受到国家自然科学基金委的资助。论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaay2471