2021-02-24 10:03

寻找地球上最冷的冬天

#5分钟科普

本视频作者:回形针PaperClip


刚刚过去的冬天,一轮又一轮超强寒潮刷新着各地的低温纪录,但这还称不上是最冷冬天。这期视频我们将把时间倒转亿万年,从深海、化石、行星运动中搜集线索,寻找地球上最冷的冬天。


以下为视频文字稿:


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。


全部内容请看视频↑


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