你的当代生活说明书。昨天 09:04
2020 年末至今年年初,一轮又一轮强劲寒潮席卷全国,北京 1 月 7 日更是迎来 55 年来的最低值 -19.6℃。
今年的冬天怎么这么冷?
通常来说,北半球进入冬季,高低纬间的温度差能迫使西风急流较为平直地沿纬圈流动,将冷空气束缚在高纬地区。
但是近年来北极的升温和海冰的融化拉低了这个温度差,使得西风急流脱离束缚、蛇形走位,导致冷空气兵分南下。
又恰逢中等到强级别的拉尼娜(La Niña)现象,中东太平洋赤道附近海水变冷,大幅削弱了能阻挡冷空气南下的暖气团。
一场场寒潮长驱直入,让各地开启「速冻模式」。
当然,这还远远称不上是「最冷冬天」,这期视频我们将把时间轴往回拨亿万年,去寻找地球上最寒冷的冬天。
科学系统的气象记录仅从 20 世纪中叶开始,但从历史文献中可以查找到大量古代气候的信息。
1973 年,竺可桢经过大量资料整理后,描绘出中国历史时期气温变化曲线,上面有四个暖期,对应中原农耕文明的繁盛期;以及四个冷期,对应农耕的凋敝和北方游牧民族南下。
不过,历史文献的气候信息相对间接和主观,且只能覆盖距今 5000 ~ 7000 年内。
为了还原更久远的气候记录,是否有其它更定量的方法呢?
地球上最丰富的氧元素会告诉你答案。它有三个稳定同位素:分布最多的氧-16,以及氧-17 和氧-18。它们广泛分布在各种水体中,其中较轻的氧-16 相比较重的氧-18 更容易随水汽蒸发进入大气。
当冰期时,陆地上冰川广布,海水中大量氧-16 经蒸发和大气降水最终储存在冰川里;而氧-18 留在海水中,使得海水中氧-18 与氧-16 比值增大。
反之,当气温回暖时,大量氧-16 随冰川融化流回海洋,海水中氧-18 与氧-16 的比值降低。可见海水氧-18 与氧-16 的比值与温度呈负相关。
那么,我们该如何得到几十万年前海水的氧-18 和氧-16 的成分?
这是一只有孔虫(Foraminifera),一种自 5 亿年前至今广泛生活在海水中的原生生物。在它分泌碳酸钙质形成壳体的过程中,壳体所含的氧-18 与氧-16 值时刻与海水氧-18 与氧-16 值保持一致。
当有孔虫死亡,当时海水中的氧-18 与氧-16 比值就被「封印」在壳体内,随之沉积在海底形成地层。
通过大洋钻探得到海底岩芯后,使用仪器分段测得有孔虫化石的 氧-18 和氧-16 含量,将这个比值与标准平均大洋水(Standard Mean Ocean Water, SMOW)的氧-18 和氧-16 比值常数做标准化,得到便于古今比较的指标 δ 氧-18 。
有孔虫化石的 δ 氧-18 就等于当时的海水 δ 氧-18 值。根据《古气候动力模拟》第 141 页给出的这个公式,就能得到当时的海水表面温度 SST 。
于是,我们就可以得到绵延几百万年以来的温度变化曲线。类似的曲线,我们也可以在冰芯、黄土中得到。
综合海底、黄土、冰芯的交叉印证,就可以摸清距今 260 万年以来的第四纪气温变化曲线,包含 30 多个冰期和暖期的交替。
最寒冷冬天就出现在离我们最近的这几十万年。
为什么会是这样?究竟是什么力量暗中控制着气候的周期变化。
是太阳,地表最主要的能量来源,处在地球椭圆公转轨道的一个焦点上。
受太阳系内行星摄动的影响,每隔约 10 万年,地球公转轨道偏心率就会到达极大值。此时椭圆轨道最扁,远日点的日地距离最大,各半球夏季获得的热量最少。
每隔约 4 万年,地球自转轴倾角达到极大值。此时地球能被太阳直射的范围达到最大面积,各半球高纬地区获得最大的太阳辐射量。
每隔约 2 万年,地轴像倾斜的陀螺一样在空间中绕出一个圆锥面,称为岁差(precession),导致公转轨道上的四季所处位置平移一周。
三个轨道参数周期叠加在一起,控制着太阳辐射量在不同季节和纬度的分配。经过一系列复杂的放大机制,最终改变全球气候。
你会发现,10 万年的偏心率周期恰好对应温度曲线中的冰期,而 4 万年的斜率周期和 2 万年的岁差周期又对应次一级寒冷期。这一现象被称为米兰科维奇旋回(Milankovitch Cycles)。
光有这个规律还不够,我们只是找到了 260 万年以来的最冷冬天。地球有 46 亿年历史,在时间更深处寻找最冷冬天,我们要将视野再扩大一个层级。
我们脚下的大陆不断发生着漂移、碰撞、拼合、裂开、再碰撞。每隔数亿年,地球上全部的大陆会聚合成一个超级大陆,随后再裂开,这样的周期性规律称为超大陆旋回(Supercontinent Cycles)。
每当超大陆在地球上出现时,都会伴随着火山灰的遮天蔽日和温室气体 CO2 的大量消耗,引发行星尺度的冰河时代和随之而来的生物大灭绝。
例如盘古(Pangea)超大陆时期,地球经历了 1 亿年石炭-二叠纪大冰期,罗迪尼亚(Rodinia)超大陆时期,地球更是经历了长达 1.5 ~ 2 亿年的震旦纪大冰期。
一些科学家猜测,如此浩瀚的地球大韵律,可能与太阳系绕银河系公转过程中遭受的恒星摄动相关,这将是更大的一级天文轮回。
至此,我们要寻找的「地球最冷冬天」可能最接近震旦纪大冰期。在那时,全球均温低至 -50℃,从赤道到两极都覆盖着几公里厚的冰层,地球变成雪球(Snowball Earth)。
但这阻挡不了生命的孕育。冬天之后,地球就迎来了辉煌的寒武纪生命大爆发,大地回春、万物生长。
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