互动科普

仅仅在十年或二十年中，全球气温已经发生了明显的变化。 在不久的将来，气温还会再猛升一次吗？

过去的一万年是地球历史上的一个异常时期。在这个时期中，人类文明逐歩发展，而地球上的天气要比以往十万年中任何一个同样时间跨度的时期更平稳一致。从格陵兰冰盖几个不同部分所钻取的冰芯表明，存在着一系列的短冷期和短暖期——各持续1000年或更长些。在短到10 年的阶段中，它们可能使北欧的冬季平均气温上升或下降达10摄氏度左右。这些突然变化的迹象可以从保存在每年冰层中的大气灰尘、甲烷含量和降水等记录中看出。

最后一个千年短冷期称为小多瓣木期（这是按照一种广泛分布的冻土带花来命名的），它结束于大约11000年前。这一时期的标志可以在北大西洋海底沉积、斯堪的纳维亚和冰岛冰川冰碛以及北欧与近海加拿大湖泊和泥沼中找到。美国的新英格兰地区也显著地变冷。

进一步的证据正累积起来表明，小多瓣木期的寒冷效果是全球性的。冰期后南极平原的变暖停顿了1000年；与此同时，新西兰的山地冰川有一次大的进展，南中国海上浮游生物群落中不同种的比例发生了显著改变。大气中的甲烷含量下降了 30%。只有美国部分地区的花粉记录没能显示这一时期的影响。

大输送机

这一剧变历史的机制是什么，它还会重复一遍吗？虽然没有人十分明了，但仍然有一些很有说服力的线索。有几种模型指出，地球上海洋中热量和盐份的环流能突然发生变化，对全球气候会产生巨大影响。像输送机那样的巨大环流圈跨越了每个大洋的长度。在大西洋，上层暖水向北流动，到达格陵兰附近。在那里，北极冷空气使暖水冷却，让它下沉形成一股洋流一直向南流到南极洲附近。在南极，因为它较暖，从而比表层寒冷的水密度低，洋流又上升，在表层冷到冰点，又沉入深海。南极洲附近洋底的水流是全世界最稠密的，它们向北大量涌入大西洋、太平洋和印度洋，最后又上涌，重新进行上述循环。在太平洋和印度洋，向北流动的底水受到向南流动的表水的平衡。在大西洋，这种朝北的逆流迅速被卷入强大得多的朝南输送洋流。

由于大西洋表层水的盐份要比太平洋表层水的盐份高几个百分数，这种所谓的深水形成于北大西洋，而不是太平洋。美洲、欧洲和非洲的巨大山脉的布局造成了这样一种天气模式，即它让离开大西洋海盆的空气要比进入的空气更潮湿。所造成的表层水净损失导致了盐份的过剩盐份使得表层水更稠密，于是它们在北大西洋下沉，开始进入一个全球环流模式，有效地在全世界的海洋中对盐份进行重新分配。

大西洋的输送机环流圈，其流量相当于100条亚马逊河，形成了一股巨大的朝北输送热量。向北流动的海水平均要比向南流动的冷海水热8度。这股热量向北大西洋上空的北极气团转移，是欧洲气候异常暖热的原因。

然而这种模式很容易被注入到北大西洋的过量淡水所干扰。在高纬度地区，降水和大陆径流超过蒸发，因此北大西洋的盐度取决于输送机带走雨水和河水送来的过量淡水的速度。输送机系统的任何停滞就往往再也难以启动。假如输送机停了，北大西洋及其附近地区的冬季气温会突然下降5度或5度以上。都柏林的气候将成为北极圈以北几乎1000 公里处的斯匹次卑尔根的气候。此外，这种变迁会在10年或更短时间内产生。（冰芯和其他记录表明，在古代短冷期，北大西洋海盆气温下降了大约7度。）

海洋模型专家已经证明，海洋输送机有可能卷土重来，但只能到几百或几千年之后。从海洋表面暖热部分所混合过来的热量以及盐分从洋底向表面的扩散，最终能降低深部停滞海水的密度到这样一种程度，即从某一极地来的表水能再一次渗入深海并再次建立热量和盐份的环流。但这种再生环流的模式不必与输送机停止前所存在的模式相同。相反，它将取决于每一极地区域淡水径流模式的具体情况。    '

由基尔大学的Stefan Rahm-storf所提出的较新模型表明，前一个输送机系统的停滞可能紧接着形成一个替代的环流模式。这一环流模式可在较浅的深度上运行，而深层的水则形成于百慕大北部而不是格陵兰附近。这一转变造成了释放的热量在温暖北欧地区时不太有效。 Rahmstorf的浅输送机可能被一股淡水的作用所破坏，就象前一个输送机那样。但他的模型还预言了仅仅相隔几十年之后的一个自发再生。然而现在尚不清楚，大洋环流是如何从浅输送机转换回到今天还在运行的较深输送机的。

Rahmstorf模型的两个特征引起了古气候学家的注意。第一，替代输送机的浅层水流重新产生了冰期的镉和碳同位素分布模式。镉和碳同位素被捕集在称为海底有孔虫的小生物外壳中。今天，北大西洋输送机的海水中镉含量很贫乏，而碳13含量很丰富。与此同时，北大西洋其他地方的深层海水中镉含量很丰富，而碳13含量很贫乏。

这一对比反映了如下事实，即水 生生物的呼吸消耗了碳13，增加了镉的浓见（以及其他一些并未由海底贝壳记录到历史的组份的浓度）。在寒冷时期，镉含量水平在大西洋中等深度海水中下降，而在洋底海水中剧升。碳13对碳12的比率则呈相反模式，这与Rahmstorf的结论相一致，即输送机在较浅的深度运行，绕过了洋底的海水。

第二，替代输送机维持了放射性碳向深海的运动。如果这种转移停止了，利用碳14衰变为基础的放射化学断代方法应会显示巨大的失真。事实上，放射性碳始终利用其他方法得到了校正，虽然发现不太精确，但基本上仍然是有效的。   

全也界的碳只有大约四分之一现在存在于海洋上层和大气之中。其余的碳在深海里。宇宙线在大气中形成的放射性碳14的分布取决于海洋环流的速率。在当今的海洋中，到达深海的大多数放射性碳通过大西洋输送机环流进行分布。当它们横渡大西洋时，输送机温暖的上层分支中的海水通过向空气吸收放射性碳而重新补充了放射性碳。然后，输送机带着这些放射性碳沉入海洋深处。虽然深层海水在南极洲附近地区短暂地重上海洋表面，在那里没有什么放射性碳溶解进海水。

这种状况意味着，即使输送机的一次放慢速度，也会对大气和海洋中碳14产生显著影响。目前深海中碳14与稳定的碳12的比率大约比海洋上层和大气中低12%左右，这是因为深层海水处在环流中发生放射活性衰减。与此同时，每82年宇宙线要为地球上的放射性碳存量补充1%。于是，如果上层和深层海洋之间的交换停止，海洋上层和大气中的碳14比率将可能以每世纪5%的速度上升，因为碳14只有补充而不再清除入深海。经过一千年的隔绝，大气中碳14的比率将可能比原有值上升三分之一。

这样一种突发事件会导致对放射性碳年代测定记录上的一次剧烈干扰。古生物学家通过测定有机材料中残留的碳14含量来确定它们的年代。植物活着的时候所结合的碳14量取决于当时大气（或海洋）中放射性碳的比例。植物样品中保存的碳14越少，它的年代就越古老。在输送机停止时期所生长的植物会结合过量的碳14，于是看上去就比实际年代晚些。随后，当输送机重新启动并把大气中碳14水平降到当前水平左右时，这种异常就消失了。于是，根据碳年代测定结果，寒冷时期的植物与比它们晚一千多年并生长在暖和气候时期的样品似乎成了同时代的了。

虽然大气中碳14量随时间不同而有所变化，海相沉积的放射性碳年代测定序列往往以一种几乎均匀的速度累积，这清楚地说明，在过去的2万年中没有哪个时候发生那种突然的冲击。事实上，对珊瑚的测定表明，在最近一次冰期结束时（输送机本该再次后动并吸收大气中的碳14)，大气中的放射性碳含量增加 了。珊瑚的绝对年代是采用铀-钍年代测定术确定的。

这一记录似乎要告诉我们，任何一次输送机停止想必是十分短暂的——一个世纪或更短，而且想必是与迅速混合的介入间隔所对应。特别是小多瓣木时期，它显然是全面的大洋环流增强而不是减弱的时期，就像可预期的那样，如果短冷期是由大西洋输送机完全停止所引起的，那末也是增强而不是减弱。如果输送机确实停止，把碳14输送到深海的其他某种方法想必在起作用。

一组冰山

假定输送机机制的变化确实造成了在格陵兰冰芯和其他气候记录中所发现的突然改变，谁可能向停止输送海水到深海提供了所必须的过量淡水呢？极地冰盖显然是提供干扰海洋环流所必须的突发淡水的源泉。此外，突然改变似乎局限于巨大冰层覆盖加拿大和斯堪的纳维亚半岛的那些时期。自从冰期结束以来，全球气候一直固定在它目前的模式上。

有证据表明，至少存在着8次淡水对北大西洋的入侵7次是从哈得孙湾冰盖东缘脱下的大群冰山，1 次是从一个巨大湖泊泛滥的融化冰水（这个湖泊标志着冰川后退时冰层的南部边缘）。当Hartmut Heinrich还是哥廷根大学的一名研究生时，他发现了北大西洋沉积中一组奇异的 层次。这组沉积层从拉布拉多海延伸到不列颠群岛。它们的特征可最充分地用始于加拿大的大量冰山的融化来解释。

从这群冰山所降落的残迹，从拉布拉多海的半米厚向东逐渐减薄到东大西洋的只有几厘米。来自哈得孙湾和其周围地区的表征沉积石灰岩和火成基岩的岩石碎屑，构成了残迹沉积中的较大颗粒。在这些沉积层中发现极少量的多孔虫贝壳，这表明大洋被海冰所堵塞。在那些贝壳中氧18与氧16的比率很低，这提供了一个确凿的标志，表明这些生物生活在 一个比普通海水盐度低得多的水中。（高纬度地区的雨水和雪中氧18 损失较高，这是因为随着空气团变冷，含有氧18的“较重的”水趋于冷凝而从大气中析出。

第8次淡水冲击来自阿格西湖，这是因退后的冰盖的重量压迫下产生的一个巨大湖泊。起初，溢出的湖水越过岩床，进入密西西比河流域，然后流入墨西哥湾。大约12000年前，退后的冰壁打通了一条向东的通道，引发了湖水平面的一次急剧下降。在这次突破中所释放的水在加拿大南部泛滥，流入了现在由圣劳伦斯河所占据的河谷，并直接进入现在形成深水的那个海区。

这些事件与局部地区气候变化之间的联系是十分明显的。其中4次事件发生在对应于北大西洋海盆气候发生显著变化的时候。Heinrich所发现的沉积岩中有一层标志着倒数第二个主要冰川周期的结束，另一层标志着最近一次冰川周期的结束。第三层看来与北大西洋冰川条件的开始相匹配，而阿格西湖湖水的大释放则与小多瓣木时期的开始相吻合。其余4次冲击每次都引发了一个气候亚周期。哥伦比亚大学拉蒙特一多赫迪地球观测站的 Gerard C. Bond 把 Heinrich 发现的沉积层与格陵兰冰芯记录联系起来后发现，这种长达千年的寒冷事件是成组出现的。其特征是，越来越严寒的短冷期以一个Heinrichh事件为顶点，接着便是开始一个新周期的显著转暖。

小多瓣木时期的气候变迁遍及全 世界。在冰芯记录中出现得更早的大 A 约15次左右类似事件也同样如此吗？迄今为止只有两件证据转向那个方向，但它们都很有说服力。第一件证据是，位于格勒诺布尔附近的环境冰川学和地球物理学实验室的Jerome A. Chappellaz分析了包封在格陵兰冰芯中的空气。他发现，寒冷时 期伴随着大气中甲烷含量的下降。甲烷主要产生于沼泽地和泥塘。由于北部温和地区的沼泽地和泥塘在冰川时代不是冻结了就是 被埋在冰下，大气中出现的甲烷想必来自热带。甲烷记录上的起伏意味着在每一次北部寒冷间隔中，热带地区都干涸了。

第二个证据是由圣巴巴拉加利福尼亚大学的James P. Kennett和 Richard J. Behl所做的一项尚未发表的研究得到的。他们在圣巴巴拉盆地海平面以下500米处钻到一段沉积岩芯。他们发现，没有受到干扰的沉积带具有清晰的年层，间隔着或多或少被钻孔蠕虫所干扰的区段。蠕虫的存在表明，这一地区的底水中含有相当多的氧，足以维持生命。这种时期显示出与格陵兰寒冷多尘的时期有一种不可思议的相关，说明海洋环流的变化遍及了全球。

更令人吃惊的是发现了Heinrich 事件还似乎具有一种全球性特征。伊利诺斯州博物馆的Erich Grimm及其同事们在佛罗里达州的杜兰湖的沉积物中采集到一些花粉样品，他们发现在每次的Heinrich事件中都存在一个显著的松树对橡树的比率高峰。

松树在比比较潮湿的气候下生长得十分繁茂，而橡树则喜欢比较干燥的气候。虽然松树丰度间隔与Heinrich事件之间的确切关系有待更精确的放射性碳年代测定，但杜兰湖的记录表明，每个周期都有一个气候潮湿的间隔。缅因大学的George H. Denton和他的合作者们发现了一个甚至更直接的联系：4个 Heinrich事件中的每一个处于放射性碳年代测定范围之中的事件都与安第斯山冰川范围扩展的一个尖锐峰值吻合。

加拿大冰川的大片崩解分裂造成全球性影响这一发现，产生了一些矛盾之处。大气模型清楚地指出，由于传递给北大西洋上空大气的热量发生了变化而引起的气候变迁，应局限在周围地区。然而所发现的证据却要求有一个机制把这些影响扩展到热带、南半球温带甚至达到南极洲。

这些气候变化绕赤道呈对称分布，集中在热带。热带大气动力学上的变化很容易具有深远的影响。在信风相遇的热带大气中所形成的塔状对流单体为热带大气提供了它大部分的温室效应气体：水蒸汽。虽然大洋环流和热带对流之间的联系是很微弱的，但似乎有理由认为，变迁了的环流模式有可能改变沿太平洋赤道上涌到洋面的冷水量。这种上涌是该地区热量收支中的一个重要部分。因而也是该地区总气候的一个重要部分。就像目前所谓的厄尔尼诺时期所存在的这种上涌的减少，能引起某些地区的干旱和另一些地区的洪涝。

全球性的改变

对这种模式的支持不仅来自 Chappellaz说明热带干燥的数据，而且来自内华达州、新墨西哥州、得克萨斯州、佛罗里达州和弗吉尼亚州的潮湿历史。最剧烈变化的证据来自美国西部大盆地区域：紧接着120OO 年前最后一次Heinrich事件之后，内华达州的拉洪坦湖达到了最大面积，比如今所残留的面积大一个数量级。要维持这样大的水体，需要巨大的降雨量，相当于1982—1983年发生厄尔尼诺现象的冬季所记录到的量。对这些早先发生的影响的思考之一是，发生了导致持续长达1000年之久的厄尔尼诺现象的那种大洋环 流模式的变化。

新近由俄亥俄州立大学的Lon­nie G. Thompson作出的发现进一步支持了关于冰川时代热带气候是极为不同的证据。在安第斯山脉热带地区6000米以下所钻到的古代冰芯所含有的微尘是较晚样品中含量的200倍——这些微尘也许是风从干旱的亚利桑那吹过来的。与1万多年前的较晚形成的冰相比，更古老的冰也

缺少氧18。这意味着气温要比现在低大约10度。据观察，在冰期中，安第斯山的雪线离海平面整整下降了1000米，这些数据表明，冰川时代的热带不仅更冷，而且更干。

地球的气候系统偶然会从一种运行模式跳跃到另一种运行模式这一结论是确凿无疑的了。不幸的是，研究人员目前尚未确定这些突然变迁的原因。虽然海洋环流的大规模重新组合似乎是最有可能的候选原因，但也可能发现大气中的触发因素。

脆弱的平衡

这种形势使我们在预测气候时处于困境之中。目前积聚起来的温室效应气体是否会推动另一次深水输送机与依赖于这个输送机的天气模式的重新组合？一方面，古文字记录表明，气候突变局限于北大西洋被巨大的冰块所环绕的时期，这种形势现在甚于以往。另一方面，温室效应的推动似乎比间冰期内任何其他推动力都要大得多。而且也没有把握这种系统将继续固定在目前那种比较温和的方式之中。

似乎并不可能出现一次输送机停止或一次比较剧烈的气候变迁。但一旦它发生了，其影响将是灾难性的。这种事件发生的可能性在今后50到150年之间将最大。那时候，地球上挤满了受饥饿和疾病所困扰的人、 在每况越下的环境压力下，野生动植物为了维持生存而苦苦挣扎。我们应认真对待这种可能性。我们应不遗余力地去争取对全球气候系统的混沌性质有一个更透彻的了解。