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出品：科普中國

作者：臧銅鋼（古氣候學碩士研究生）

監製：中國科普博覽

編者按：為(wei) 拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”係列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們(men) 一起走進科學發現之旅，認識令人驚歎的世界。

近些年來全球氣候變暖的問題日益受到關(guan) 注，科學家對此議題也開展了長期而深入的研究。在這些研究中，很重要的一個(ge) 內(nei) 容就是通過研究地球的曆史來試圖幫我們(men) 更好的預測未來。中國科學院地球環境研究所黃土與(yu) 氣候變化研究團隊研究員敖紅與(yu) 宋友桂等人就利用中國的黃土記錄，研究了百萬(wan) 年前的一次重大氣候變化事件，對過去氣候變化的理解和未來氣候變化的預測做出了巨大的貢獻，這一研究成果於(yu) 2024年4月19日發表在《自然-通訊》期刊上。

260萬(wan) 年前，地球比現在熱得多

地球的氣候是一直在不停波動的，而且在過去的曆史上還有很長一段時間比現在還要溫暖。最近的一個(ge) 溫暖時期就在距今約260萬(wan) 年前的上新世到更新世的過渡期。

那時地球的全球平均溫度比現在高2-4℃，海平麵比現在要高出約20米（即上海、天津、澳門等沿海地區全部都會(hui) 被淹沒）。當時的氣候條件和現在也完全不同，甚至在當時連北極都不像現在這樣到處是冰雪覆蓋，隻有南極覆蓋著冰蓋。這種情況被科學家稱為(wei) “單極冰室”，與(yu) 現在的地球上南北兩(liang) 極都被冰蓋覆蓋的“雙極冰室”相對應。

但是隨後，地球進入了一個(ge) 漫長的冷卻期。

北極冰蓋擴張與(yu) 全球降溫

260萬(wan) 年前，北半球的冰蓋剛剛開始擴張，在格陵蘭(lan) 島、北美和歐亞(ya) 大陸上的冰蓋不僅(jin) 厚度增加，同時還伴隨著很多小型冰山脫離冰蓋並飄入北太平洋和北大西洋。最終在全球溫度整體(ti) 趨向於(yu) 寒冷的條件下，北極逐漸布滿風雪，由於(yu) 冰川越多，水就會(hui) 越少，在冰川最為(wei) 廣闊的時候，海平麵比現在低約100米。

一旦北極的冰蓋開始出現，全球的氣溫會(hui) 進一步持續降低。這是因為(wei) 地球上的熱量是吸收太陽能而來，陽光照射到地球上後，有一部分被地球表麵吸收，除了被地球吸收外還有一部分會(hui) 反射回太空，森林、土壤、水麵、冰雪等不同的地表類型對陽光的反射率也是完全不同的，而冰雪的反射率遠高於(yu) 其他地形。因此北極大量冰雪的形成，把更多的太陽光反射了回去，地球能吸收的能量就會(hui) 減少，長此以往，地球變得越來越冷，從(cong) 此在北極大量冰雪的影響下地球經曆了非常久的持續降溫。最終形成了現在的南極、北極的“雙冰室”分布格局。

因此從(cong) 北極冰蓋開始形成後整個(ge) 地球的氣候開始慢慢變冷，但由於(yu) 太陽本身的能量存在一定的強弱波動，因此在地球整體(ti) 變得更加寒冷的大趨勢下，也會(hui) 有小幅度的冷熱交替，以數萬(wan) 年到數十萬(wan) 年為(wei) 周期變化，在相對溫暖的時期被稱為(wei) “間冰期”，而相對寒冷的時期被稱為(wei) “冰期”，現在的地球就處在一個(ge) 相對溫暖的“間冰期”。

（圖片來源：veer圖庫）

北極冰蓋與(yu) 亞(ya) 洲冬季風對我們(men) 的影響

北極冰蓋的出現對整個(ge) 北半球乃至全球的氣候都產(chan) 生了重大的影響，如北半球的冬季風就與(yu) 北極冰蓋息息相關(guan) 。北方的冬天寒風呼嘯，人們(men) 所謂的喝“西北風”，這個(ge) “西北風”其實就是冬季風，它是由西伯利亞(ya) 冷空氣向南移動形成的，如果冬季風過於(yu) 強盛，向更南的方向推進，南方的冬天也會(hui) 出現冰雹、大雪等天氣。

也因此一旦北極冰蓋消融，就會(hui) 帶來非常嚴(yan) 重的後果。除了大家眾(zhong) 所周知的冰蓋融化會(hui) 導致海平麵上升之外，北極冰蓋的消失還可能會(hui) 導致亞(ya) 洲冬季風的減弱甚至消失，這會(hui) 對整個(ge) 亞(ya) 洲的氣候造成顯著的改變，比如冬季氣溫升高，可能會(hui) 擾亂(luan) 目前的農(nong) 作物周期，目前的主食之一的小麥就可能因此而產(chan) 量大減；還會(hui) 導致我國南方洪澇災害，造成居民傷(shang) 亡和經濟損失；此外，還有可能擾亂(luan) 生態係統的平衡，以及可能對其它地區的氣候也有連帶影響等。

正是由於(yu) 亞(ya) 洲冬季風強度的變化和我們(men) 每一個(ge) 人的生活都息息相關(guan) ，因此它也一直是科學家的研究重點。科學家們(men) 研究冬季風是為(wei) 了更好的預測未來，但是要達到預測的目標，他們(men) 首先需要研究冬季風的曆史，這是因為(wei) 隻有當我們(men) 發現了氣候變化的曆史規律，才能一定程度預測未來。

而在冬季風的曆史研究中，最重要的就是：北極冰蓋形成之前冬季風是否存在？冬季風的強弱與(yu) 北極冰蓋的變化是否有關(guan) 係？

亞(ya) 洲冬季風示意圖

（圖片來源：《自然-通訊》雜誌）

如何研究的過去的氣候變化

但是研究冬季風的曆史變化又涉及到兩(liang) 個(ge) 難題：一是怎樣才能知道過去的氣候變化？二是如何確定氣候變化對應的年代？

那麽(me) 如何知道過去百萬(wan) 年來亞(ya) 洲冬季風的變化呢？首先我們(men) 知道風力較強的時候能帶動較粗的顆粒，風力較弱的時候隻能吹的動一些較細顆粒，因此土壤的粗細程度就能很好的指示季風的強度。而亞(ya) 洲冬季風是從(cong) 西伯利亞(ya) 吹到我國，黃土高原就在亞(ya) 洲冬季風移動的必經之路上，因此根據黃土高原上這些土壤顆粒的粗細變化就可以判斷在過去亞(ya) 洲冬季風的強度變化。

解決(jue) 了冬季風如何變化的問題，那麽(me) 如何確定冬季風變化對應的時間呢。這裏用的是“古地磁測年法”，地球磁場會(hui) 影響礦物質的磁性，地球磁場變化就會(hui) 被礦物質記錄下來。在過去，地球磁場曾有多次反轉。通過對地球磁場反轉的研究，科學家們(men) 編製出了地磁年代表。科學家隻需對土壤礦物質的磁性進行研究，並且與(yu) 地磁年代表進行對比，可以確定土壤物質的年代。

基於(yu) 以上兩(liang) 點，就可以較為(wei) 準確的判斷季風強弱的變化以及對應的年代。

研究有何發現？

中國科學院地球環境研究所黃土與(yu) 氣候變化研究團隊研究員敖紅與(yu) 宋友桂等人研究發現，亞(ya) 洲季風早在北極冰蓋形成之前就存在，但是在260萬(wan) 年前北極冰蓋形成後，亞(ya) 洲冬季風的強度明顯增加了，同時還發現季風強度一直以4萬(wan) 年和10萬(wan) 年的周期進行變化，這個(ge) 周期性並沒有受到北極冰蓋形成的影響。同時亞(ya) 洲冬季風4萬(wan) 年和10萬(wan) 年的變化周期竟然和全球的海平麵變化周期幾乎完全一致。也就是說在過去的兩(liang) 百多萬(wan) 年裏，海平麵較高的時候亞(ya) 洲冬季風的強度都是處於(yu) 較強的水平，同樣海平麵較低時亞(ya) 洲冬季風都是處於(yu) 較弱的水平。此外，在北半球冰川開始影響氣候之前，亞(ya) 洲冬季風的變化強度相對較弱。

此外，在北極冰蓋形成前後，除了4萬(wan) 年和10萬(wan) 年的周期變化外，亞(ya) 洲冬季風一直都有顯著的千年尺度波動，這樣千年尺度的波動變化在較溫暖（高CO₂）的晚上新世和較寒冷（低CO₂）的早更新世都持續存在，主要受到天文驅動和地球內(nei) 部氣候動力學的控製。

綜上，這一結果對於(yu) 理解千年尺度的氣候動力學具有重要意義(yi) ，說明了北極冰蓋大小隻是影響亞(ya) 洲冬季風的強度，而沒有影響亞(ya) 洲冬季風的周期變化，從(cong) 古至今亞(ya) 洲冬季風的強度一直是以4萬(wan) 年、10萬(wan) 年為(wei) 大周期，千年尺度為(wei) 小周期有規律的波動變化；同時亞(ya) 洲冬季風強度和全球海平麵同步變化。

亞(ya) 洲冬季風強度和海平麵變化等指標對比

（圖片來源：《自然-通訊》雜誌）

對我們(men) 有怎樣的啟發？

現在全球氣候變暖已經是公認的事實，但研究發現260萬(wan) 年前全球氣溫比現在高2-4℃，而CO₂濃度卻和現在濃度相當，這樣看來，全球溫度是否會(hui) 進一步上升2-4℃？

研究發現亞(ya) 洲季風強度確實存在4萬(wan) 年和10萬(wan) 年以及千年尺度的變化周期，並且和海平麵高度同步變化，那麽(me) 未來是否可以通過監測海平麵變化來預測亞(ya) 洲季風的變化？這些變化又會(hui) 對亞(ya) 洲乃至全球氣候帶來什麽(me) 樣的影響？我們(men) 人類又應該如何應對這些未來的變化？

這些問題還需科學家們(men) 進一步的研究，有朝一日，也許我們(men) 真的能完全摸清氣候變化的規律，解決(jue) 氣候問題對人類帶來的負麵影響，能夠了解氣候、掌握氣候、利用氣候。

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