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轻松读懂海洋(13)气候事件—中中新世气候适宜期MCO与随后的转型MMCT 精选

已有 5293 次阅读 2022-1-29 11:24 |系统分类:科普集锦

17-14Ma期间,全球气温增加,比现今高约3-4°,称之为中新世气候适宜期(Miocene Climatic Optimum, MCO),随后,在14-13Ma1Ma之内d18O增加了差不多千分之一,全球气温下降,南极冰盖快速扩张,这被称之为中中新世气候转型(Mid Miocene Climate TransitionMMCT)。

MMCT不是波动,是地球气候系统的整体改变。MCOMMCT一起构建了中中新世最为特殊的气候事件,为当今大气CO2含量过高问题提出了一种可参考的自然模型。

MCO刚好对应着全球性的d13C正偏事件蒙特利事件(Monterey carbon isotope excursion, MCIE),这与哥伦比亚河大规模玄武岩喷发有关(Columbia River Flood BasaltCRB)。CRB火山喷发从16.7-15.9Ma,启动了MCOMCIE持续了约3.5Ma。这一时期,全球海洋很多地方都大量沉积有机物,以加利福尼亚蒙特利沉积为代表。MCIE包含六个二级事件,叫做Carbon MaximumCM1-CM6),由400ka天文轨道信号控制。比如,在16.7Mad13C开始增加,CaCO3大量保存,这个事件叫做Carbon Maximum CM1(持续了250kyr)。

MCIE大趋势上,d13C增加了千分之一。这说明,海洋中轻的12C被挪走了(比如被埋藏了),重的13C更加富集。这暗示着海洋和陆地发生了重大的C库重组事件。同时,在大趋势上,d18O降低,说明地球整体温度增加。

但是,事情的复杂性在于,在d18O(变小,天气变热)~d13C(变大)的一级趋势上,还叠加了一个相反的高频信号d18O(变大,天气变冷)~d13C(变大,CaCO3保存增强,12C被埋藏)。所以,我们必须要理清楚这两个完全不同的过程是如何发生的。

蒙特利事件对应着大规模的火山喷发,释放出大量的CO2,当时大气CO2浓度可达470-630ppm,这使得全球气候升温,南极冰盖消融,海平面上升。火山喷发的CO2,其d13C为千分之-5,按道理应该使得整个碳库的d13C减小,而不是增加。这说明,大气CO2浓度增加,一定触发了另外的机制,抵消了火山喷发CO2的负d13C的影响,并进一步把d13C往正的方向偏转。

我们考虑如下的可能过程:MCO温度增加,海平面上涨,这使得更多的大陆架被淹没,这些都是埋藏有机碳的好地方,于是12C被更多地埋藏,使得d13C整体增加。所以,从大趋势上,只要空气中大规模CO2没有被吸收,这一机制就会存在。也就是天气暖,d13C正偏。

但是,在这个大趋势上,天文轨道周期参数还在改变,造成二级的冷暖变化。当天气变冷的时候,南极西风带增强,ACC增强,海底上涌机制造成生物繁盛,通过生物泵把过多的12C沉降于深海,于是,就又变成了天气冷的时候,d13C正偏。

MCO时期,还不存在北极冰盖。但是400ka周期的碳库变化就已经非常明显,这和南极冰盖密切相关。所以,南大洋的气候对400ka周期的d13C变化应该起到主导作用。

MCO之后,随之而来的是MMCT,全球气温开始下降,期间经历了一系列的二级降温事件。d13C也从MCO的高值区降到MCO之前的低值水平。说明,早期火山喷发的过量CO2经过几百万年的自然循环,已经从大气中被陆地和海洋吸收。南极冰盖也在这次烈火后重生,体积增大,全球气温变得更低。

可见,在没有北极冰盖的情况下,地球系统吸收过量的CO2需要好几个百万年。其中涉及陆地上的风化机制,通过风化硅酸盐,空气中的CO2被消耗。此外,早期被淹没的大陆架沉降量很多的有机质。当南极冰盖增长时,这些富含有机质的沉积物因为海冰的发育而被永久保存,不重新参与CO2循环。

这个过程对我们今天人类社会面临的高CO2模式有借鉴意义。唯一的区别就是我们有北极冰盖。如果可以类比,要想通过自然过程完全吸收这么多的额外CO2,可能需要百万年的尺度。

MCO的过程和白垩纪的事件有很多类似之处。区别在于,在白垩纪时期,没有南极冰盖。此外,白垩纪出现了大规模的海底厌氧事件(Oceanic Anoxia EventOAE),在白垩纪OAE事件期间,海底会沉积大量的有机质,消耗掉氧气,成为缺氧环境,海底生活的生物就遭了殃。

MCO期间,并没有出现这种OAE事件。但是,在印度洋区已经有苗头显示,在MCO的末期,海底已经开始朝还原方向演化。如果蒙特利事件初始喷发的CO2再多一些,MCO持续的时间再长些,就很难说MCO时期会不会出现OAE事件了。虽然MCO期间整体上由于温度升高,两极和赤道的温差减小,西风带减弱,ACC也减弱。这其中最大奥妙在于南极冰盖的存在。即使是MCO最最热时期,南极也有AABW生成,这使得大洋尚有一息之气,而不至于全面进入滞缓的状态,大洋整体通风变差,变得和白垩纪大洋一样的下场。

MCO最热的时期,南极冰盖消融至少60-70%,海陆的温差出现,季风也会形成,这时候,南极洲属于温暖潮湿的环境,降雨代替了降雪。当随后的降温,南极陆地上的冰首先处于面积扩展状态。冰有一个神奇的作用,就是发射阳光,使得陆地接收太阳热量减小。于是,随着冰盖面积增加,南极大陆温度以及附近海水温度降温。但是,当冰盖到达海岸边时,陆地上的冰盖开始已增加厚度为主。这时,由于冰盖整体面积增加缓慢,对日照量的反射作用基本保持恒定,于是我们就会发现,这一地区的温度开始和冰量解耦。在一定程度上,由于冰盖会削弱空中的云量,使得日照量反而会有些增加,造成这一地区的温度变化变得复杂。

MMCT全球变冷时期,全球降温大约3°,AABW向北扩张,占据了北太平洋大部分海底。同时,赤道东太平洋海水盐度降低,暗示着这一地区的水文变化,降水增多,ITCZ向北移动。赤道东西太平洋之间的温度差高达4°,说明Walker环流体系存在。在赤道印度洋和西太平洋区,海洋SST则降低2°。这说明暖池效应抵消了一定的全球降温影响。MMCT这种大幅度降温,对全球海洋生物物种来说也是个挑战,物种变得丰富。




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