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【前沿报道】Geology:火山作用——晚古生代大冰期重要的驱动力
2019-06-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

火山喷发产生的硫酸盐气溶胶可以有效降低地球表面接收到的太阳辐射,从而引发晚古生代大冰期的出现。 

  晚古生代大冰期(LPIA,约360-260 Ma)是显生宙以来规模最大的冰期事件。一般认为,冰期和间冰期与大气中CO2浓度的高低有着密切的联系,当其含量较低时,气候往往较寒冷,地球处于冰期;当其浓度较大时,气候则较温暖,地球处于间冰期。以往的研究(Martin, 1990; Archer, 2000)也认为大气中的CO2浓度变化与地球冰期-间冰期的转换具有一定的相关性。照此推论,在360-260 Ma晚古生代大冰期最为发育的时候,地球大气中的CO2含量应该最低,但是恢复出来的古大气CO2浓度分布(Foster et al., 2017)与冰期沉积物的年龄分布并没有很好的一致性(图1B)。在约300 Ma冰期沉积物数量最多、冰期最为发育的时候,对应的大气CO2浓度并不是最低,冰期的出现明显滞后于CO2浓度最低的时候(338-334 Ma),这表明大气中CO2的含量并不是决定冰期形成的唯一因素,仅靠低的CO2浓度并不足以触发LPIA的形成。   

  Crowley and Baum1992)指出假设太阳辐射强度不变,要使地球表面获得的太阳辐射能降低,就需要地球-大气系统的净辐射强迫为负值(辐射强迫radiative forcing是指某一因子变化,如大气中CO2浓度的增加,对地球-大气系统能量平衡的影响程度。净辐射强迫为正值时,会驱动地球表面变暖,反之则驱动地球表面变冷)。Zhuang et al. (2014)认为具有正辐射强迫效应的温室气体会使地球表面的冰融化成具有负辐射强迫效应的水,这样能使地球表面温度降低,从而维持较长时间的冰期。但通过冰川消融来维持冰期是一个难以让人信服的悖论。除了水,还有哪些具有负辐射强迫效应的物质呢? 

 

图1  (A)晚古生代冰川沉积物年龄与火山建造年龄的对应关系图;(B)晚古生代大气CO2浓度演化图;(C)晚古生代火山建造数量分布图;(D)晚古生代火山活动规模与2.5 Ma以来火山活动规模的对比 

  近日,美国俄克拉荷马大学的Gerilyn S. Soreghan和其合作者在Geology,报道了晚古生代不同纬度的火山建造的年龄分布峰值与同时期的冰期沉积物的年龄分布峰值具有较好的一致性(1A),他们认为大规模的火山喷发注入平流层的具有负辐射强迫效应的硫酸盐气溶胶能有效降低地球表面接收到的太阳辐射能,从而启动并维持近100 Myr的晚古生代大冰期。 

  大气中硫酸盐气溶胶主要来源于火山,其浓度与火山喷发的规模成正比,火山数量越多,规模越大,大气中硫酸盐气溶胶的浓度就越高。Soreghan及其合作者整合了大量前人发表的晚古生代不同纬度的火山喷发沉积物的放射性同位素年龄数据并分析了这些年龄的频数分布,结果发现火山喷发沉积物的频数在300 Ma左右达到最大,这表明这个时期火山活动最强烈,且这个时间正好跟冰期沉积物最为发育的时间基本一致。考虑到火山喷发物中硫酸盐气溶胶的负辐射强迫效应,经过校正,LPIA大气中的CO2浓度可降低至560 ppmv以下,并使得净辐射强迫在340–260 Ma之间一直保持负值,从而促使大冰期的形成并长期保持稳定(图2)。 

  

2 A)经负辐射强迫硫酸盐气溶胶校正前的CO2浓度(黑线)与校正后的实际CO2浓度(红虚线)对比图;(BCO2和火山的辐射强迫与冰期发育时间的对比图,校正后的净辐射强迫(黄线)在340-260 Ma期间一直保持负值,使得冰期得以长期保持稳定    

  值得注意的是,Soreghan等总结的晚古生代的火山建造年龄并不只有约300 Ma这一个峰,260-240 Ma期间也出现了峰值,但那时冰期并不发育。这表明火山喷发与冰期并不是简单的、一一对应的关系。火山作用与气候演化的相互关系仍然需要更多的研究工作进一步去论证,这也是火山学研究的重要任务之一。因此,火山学的研究依然任重而道远。    

  文章数据来源:作者从近500篇文章中提炼出了全球晚古生代火山沉积物以及冰川沉积物的年龄等信息,本文用到的数据可以通过获取。     

  主要参考文献 

  Archer D, Winguth A, Lea D, et al. What caused the glacial/interglacial atmospheric pCO2 cycles [J]. Reviews of Geophysics, 2000, 38(2): 159-189. 

  Crowley T J, Baum S K. Modeling late Paleozoic glaciation [J]. Geology, 1992, 20(6): 507-510. 

  Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature Communications, 2017, 8: 14845. 

  Martin J H. Glacial-interglacial CO2 change: The iron hypothesis [J]. Paleoceanography, 1990, 5(1): 1-13. 

  Monta?ez I P, McElwain J C, Poulsen C J, et al. Climate, pCO2 and terrestrial carbon cycle linkages during late Palaeozoic glacial–interglacial cycles [J]. Nature Geoscience, 2016, 9(11): 824-828. 

  Soreghan G S, Soreghan M J, Heavens N G. Explosive volcanism as a key driver of the late Paleozoic ice age [J]. Geology, 2019.  

  Zhuang K, North G R, Giardino J R. Hysteresis of glaciations in the Permo-Carboniferous[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, 119(5): 2147-2155.  

    

  (撰稿:马琳,/新生代室)

 
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