科学研究
科研成果
我院博士生刘鹏等揭示地球早期沙尘对气候的影响
发布日期:2020-09-09浏览次数:

北京大学大气与海洋科学系博士生刘鹏与合作导师刘永岗、胡永云以及合作者在Nature Communications发表论文“Large influence of dust on the Precambrian climate”,揭示了地球早期沙尘的气候辐射效应足以使全球地表温度降低10°C左右。

他们的数值模拟表明,在陆地植被出现之前,大气的沙尘含量可能是现代大气中的10倍,如此多的沙尘,对太阳辐射具有强烈的散射作用,使得到达地表的太阳辐射减少,全球地表温度降低10摄氏度左右。相比较而言,现代地球上的沙尘对全球地表温度的影响小于0.5摄氏度。这说明沙尘的辐射效应在远古气候中非常重要,但通常都被忽略了。同时,大量的沙尘在海洋中沉降,为海洋生物提供了大量营养物质,促进海洋微生物生长;沙尘的沉降还有可能产生大面积的沉积层,为地质记录的平台型沉积提供了一种更为合理的解释。

地球上的陆地植被在约5亿年前才出现,在此之前,陆地上只有一些地衣、青苔类的植物,更早的时候只有一些微生物如蓝藻。因此,植被对土壤的固定作用可能远弱于现代地球,大部分地表的土壤都有可能被风卷起。而现代地球的陆地大部分(约70%)都被植被覆盖,只有有限的荒漠地区可以起沙。在约21000年前较寒冷的末次盛冰期(LGM)中,由于植被减少、海平面下降和冰川运动产生更多的沙尘源,大气中的沙尘含量比现代高约1倍(图1)。在地表完全没有植被的情况下,地质学家们普遍认为沙尘量应该很大,但其实没有确凿的观测证据。本研究首次从模拟的角度提供了定量的证据。

图1 模拟得到的前寒武(Precambrian)、工业革命前(Preindustrial)和末次盛冰期(LGM)的大气沙尘含量。黑色实线表示的是各个时期的大陆轮廓。LGM的沙尘含量只是是数值模拟得到的一种可能分布。

在有些前寒武(5.4亿年以前)地层中,比如美国蒙大拿州的Revett组中,常看到壮观的薄层层状沉积单元,可以绵延上百公里,没有什么起伏(图2)。之前大家认为它可能是由洪水的大范围冲积(sheetflooding)而成,但是这些沉积单元中有很多很薄的层也可以不间断地延伸几十上百公里,用洪水冲积来解释比较牵强。有人认为用沙尘的大规模沉降来解释更合理,因为通常沙尘暴影响的空间范围都远远大于洪水,本研究为后面这种解释提供了很好的支持。

2 位于美国蒙大拿州的沉积(主要关注最下面的几层),形成于约14.6亿年前。图片来自Winston(2016,doi: 10.1130/2016.2522(01))。

论文第一作者是北京大学大气与海洋科学系的博士生刘鹏,通讯作者为刘永岗助理教授和胡永云教授,合作者包括清华大学的彭怡然副教授和博士生王明星,以及美国NCAR的CESM模式首席科学家Jean-Francois Lamarque。该项目受到国家自然科学基金委的资助。论文链接:https://rdcu.be/b6Mj8