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青藏高原隆升对新生代全球气候变化的影响(一)
2009-10-28 13:32:50 来源:网易博客 作者:刘志飞 王成善 【 】 浏览:8598次 评论:0

  青藏高原雄踞亚洲大陆中部,总面积250 ×104km2 ,平均海拔4500m ,有“世界屋脊”和“地球第三极”之称。青藏高原隆升是新生代地球地质历史上最重大的事件之一。伴随着距今50Ma 以来青藏高原形成和隆升的历史,不仅改变了高原自身的环境,而且对亚洲甚至全球气候变化产生重大影响。距今40Ma 的地球没有季节性和全年性干旱,缺乏极度寒冷地区,不发育草地和沙漠,北部的云杉林和冻原地区几乎不存在,没有巨大的冰川,北冰洋的海冰很少或根本没有;世界上大部分地区比现在温暖和潮湿,全年都有降水,常绿和温暖的落叶林覆盖全球,现代的气候类型和植被几乎不存在。在过去的40Ma ,特别是最近15Ma 中,这种温暖、潮湿的气候仅局限在东南亚、美国沿岸和热带地区,寒冷型气候和大规模区域性降水出现了。大约距今3Ma ,地球变得很冷,开始经历周期性的冰期,冰盖覆盖北半球许多地区。是什么原因导致新生代全球气候变化?

 

    最近研究显示,青藏高原的隆升对大气环流产生重大影响,而且,强烈的隆升加快了岩石的化学风化,硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化作用是一种消耗大气CO2 的过程,这种化学风化引起全球大气CO2 浓度大幅度降低,从而导致全球变冷。

 

1  新生代全球气候变化与青藏高原隆升历史

111  新生代全球气候变化证据

    系统表示新生代气候变冷过程的定量标志,以底栖有孔虫的氧同位素曲线为最佳。由于深海底层水的稳定性,底栖有孔虫的同位素值最能表示全球性信息。距今55Ma 氧同位素曲线显示出全球逐渐变冷(δ18O 值逐渐变重) 的过程,其中发生在距今36Ma 始新世/ 渐新世界线处温度的突然降低反应南极洲首期主要冰川增长事件, 之后为长达20Ma 的全球变冷过程,在中新世距今15Ma和上新世末距今215Ma 均发生突然变冷事件,分别代表南极洲冰川扩大和北半球大陆冰川开始发育事件。始新世早期是新生代最暖的时期,当时高纬度海水表面温度约为10 ℃,而低纬度海水表面温度为20~21 ℃。据推测,当时大气中CO2 含量接近于现代的3~4 倍,大洋、大气环流和海气交换模式与现今有很大的不同。除了由氧同位素获得的全球变冷证据外,陆相化石记录可以提供一些中纬度地区更湿或更干的气候变化。而且在高纬度的阿拉斯加地区,古新世发育亚热带植物,渐新世中期的植被为温带型,到上新世时演变为现代寒冷植物类型。同样,在南半球的南极洲和澳洲发现的渐新世花粉化石说明当时气候比现在温暖。今天的青藏高原植被主要为草地和灌木,以适应恶劣的高原气候、严寒的冬天和季节性干旱。然而在距今15Ma ~10Ma ,这里为温带森林,距今30Ma 为热带和亚热带森林,这种变化说明遭受快速变冷作用。总之,许多海洋和大陆证据都显示始新世早期开始了全球变冷的进程。然而,这种全球气候恶化最令人信服的证据是现今遍布于南北两个半球中、高纬度海洋中和陆地上的大量冰川沉积。这些冰川扩大事件是气候边界条件发生变化的反应。

 

112  青藏高原隆升历史

    全球环流模拟( GCM) 论证了高原隆升(主要包括亚洲的青藏高原和北美西部的高原) 对新生代全球气候变化的作用,这里所谓的高原隆升,实际上主要是青藏高原的隆升。因为北美西部的山脉高原,最高山峰的海拔也不过与青藏高原的平均高度相近,所以,青藏高原隆升可能是新生代全球气候变化的主要根源,其隆升历史对全球气候变化的精确刻划具有重要作用。印度板块与欧亚板块碰撞发生在始新世,距今约50Ma~40Ma ,目前对碰撞后青藏高原的隆升历史有不同的看法。一种观点认为:上新世青藏高原在低高程处(约1000m) ,更新世初期上升到约2000m ,到更新世中期达到约3000m ,更新世末期已达到4500 ~5000m ,这被称之为晚期隆升,是根据高原动物和植物化石分布研究而提出的。另一种观点根据影响隆升和剥蚀速率的各种地质作用认为,青藏高原开始隆升发生在中新世或距今约25Ma ,加速隆升发生在距今约20Ma ,在距今约8Ma 达到接近现今高度,或第四纪之前至初期达到现今的高度。最近研究认为在印度2欧亚板块碰撞之前的早白垩世,西藏南部的拉萨板块已达到3km~4km 的高度。本文根据综合分析上述资料和野外工作认为,新生代初期印度2欧亚板块碰撞之前,青藏高原拉萨板块以北地区可能已有相当的高度,大规模隆升开始于距今约25Ma ,加速隆升发生在距今20Ma~15Ma ,距今约8Ma 达到接近现今高度。青藏高原的隆升历史几乎与全球气候变冷是同步发生的。

 

2  隆升对大气环流的影响

211  高原的动力作用

    青藏高原对大气环流的动力作用主要是迫使气候绕行和爬坡。爬坡分量和绕流分量所占的比重与地形本身的尺度、形状、气流的强弱以及气流与地形的相对位置等因素密切相关。冬季,青藏高原位于西风带里,高原地区的西风气流强于夏季,风场的爬坡分量和绕流分量几乎相当。夏季西风带北移,爬坡分量远小于绕流分量。而且,青藏高原南北两侧的侧向磨擦作用表现特别明显,这种侧向磨擦削弱紧靠地形侧面的气流,使水平切变增大和涡度场分布改变。全球环流模拟显示,青藏高原隆升阻挡了中纬度地面和高空都是很典型的东西向气流。由于地球的自转,向东的气流偏向北,绕过高原,之后发生向南的回流,从而改变北半球大气环流系统,影响全球气候。

 

212  高原的热力作用

    青藏高原夏季为热源,冬季为热汇,其隆升作用改变了北半球甚至全球的热力系统。夏季,太阳加热高原,由于高原面处在对流层中部,大气层薄而快速变热,温暖的大气密度降低,引起气流上升,并向四周扩散,形成高原地面的低压,相邻地区地面则获得高压,地面附近空气远离高压,流向高原的低压区。结果,大气层下部的空气逆时针旋转朝向和围绕高原环流。当上升的空气散失热量而变冷后,其运载水汽的能力下降,这个过程的结果将导致雨云形成,产生季节性季风雨,降落在高原的东南边缘。冬季的情况相反,空气下沉至冰冷的高原面引起高压,并向四周外流,由于科里奥利力作用,发生气流围绕高原顺时针旋转。

 

213  大气环流变化的全球效应

 

    青藏高原热力和动力的共同作用,造成夏季高原空气上升运动,同时引起周围地区空气下沉运动,包括位于亚热带的海洋高压区。青藏高原的加热也引起地中海和中亚地区空气下沉,这种下沉的空气是干燥的,因为它来自于高原上空,远离了海洋的湿源,下沉的空气也降低了当地的相对温度;同时,造成冬季海洋上空低压区,使高原空气下沉,这种作用已被全球环流模拟所验证,其影响不仅在高原及周边地区,还涉及边远的陆地和海洋。青藏高原的隆升,引起高原周边地区空气下沉,阻止湿的印度洋气流北上,造成西部和北部夏天的干燥气候,冬天地面风场由西风(湿) 转变为东北风(干) ;变化后的大气环流加强了高原东南侧的季风环流,使东南亚和印度变得更暖、更湿;加强了欧洲的东北气流,造成夏天变得更冷,使亚热带植被在距今20Ma 完全消失; 还加强了地中海和非洲西北地区东北风,在夏天形成下沉的干燥气流,使几百万年以来气候更干、降水更少;同时,地中海与大西洋干燥的夏天蒸发幅度变大,使10Ma~15Ma 以来大西洋海水盐度增高。

 

3  隆升对全球变冷的作用

 

311  新生代的“冰室效应”大气CO2 等温室气体浓度与全球气温具有直接的联系,CO2 浓度增加将导致全球气温增高,相反,CO2 浓度的降低将促使全球降温。因此,大气CO2 浓度是决定气候温度变化的重要因素。伴随着由海洋δ18O 记录获得的全球新生代变冷过程,CO2 净流量也同时降低。古新世/ 始新世界线处全球温度最高,CO2 净流量最大,渐新世初期全球首期冰期时CO2 净流量为负, 在距今16Ma 时CO2 净流量负值最大时,全球经历中新世距今1415Ma~13Ma 的全球变冷事件,CO2 净流量负值最小时全球经历更新世早期距今5Ma~4Ma 的气候变暖时期。产生这种大气CO2 浓度急剧降低并导致新生代全球“冰室效应”的原因主要有:青藏高原隆升加剧全球硅酸盐岩的化学风化、碳酸盐岩的化学风化、有机碳埋藏、植物的光合作用,以及高原隆升促使距今3Ma 以前大陆冰盖的形成。

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