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冰河时代发生在热带岛屿和大陆碰撞的时候

2020-01-12 03:04

热带山脉变身地球恒温器 或为造成冰川时代的原因

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加利福尼亚大学的科学家们认为他们知道为什么在过去的十亿年里,地球通常温暖宜人的气候偶尔会被寒流打断,寒流用冰覆盖两极,偶尔会把地球变成一个雪球。他们说,关键的触发因素是热带地区的山脉形成,因为大陆板块与火山岛弧发生碰撞,比如阿拉斯加的阿留申群岛。

在一些潮湿的热带山区,二氧化碳会被捕获。图片来源:ROBERT HARDING

在很大程度上,地球的气候是由大气中二氧化碳的数量所驱动的,而二氧化碳可以吸收热量并使地球变暖。尽管自工业革命以来,化石燃料的燃烧已将二氧化碳浓度推高至300万年未见的水平,但在地球历史上,二氧化碳浓度甚至更高,这与没有大冰原存在的温暖时期相吻合。

讨厌寒冷吗?谴责印度尼西亚吧。考虑到该国2.7亿人口、森林砍伐以及频繁的二氧化碳排放对全球变暖的贡献,这听起来可能有些奇怪。但在更长的时间内,该国正在从大气中吸收二氧化碳。

事实上,地球默认的气候似乎是温暖和温和的。在过去的10亿年里,没有冰川的时期占了四分之三。然而,在那段时间里,有6个冰河时代使地球变冷,其中两个冰河时期的严寒程度足以使地球变成一个冰雪覆盖的雪球地球。是什么引起了这些寒冷的间歇?

印度尼西亚和邻近的巴布亚新几内亚的许多山脉都是由海底的古老火山岩构成的,这些火山岩是在一系列岛屿火山和大陆之间的巨大构造碰撞中形成的。在热带雨水的冲击下,这些岩石“饥渴”地与二氧化碳发生反应,并将其封存在矿物中。这就是为什么印度尼西亚只有世界陆地面积的2%,却占其长期二氧化碳吸收的10%。这些山脉可以解释为何在几百万年里,冰盖尽管有涨有落,但却一直存在。

在一项研究中,研究小组得出结论,当火山弧与热带大陆发生碰撞时(这是地球不断移动的构造板块的必然结果),它们会引发全球变冷,导致冰川气候和广泛的冰盖。随着印尼群岛的部分地区被推入澳大利亚北缘的山区,这样的碰撞正在发生。其结果是,有些山脉含有被称为蛇绿岩的岩石,它们具有从大气中去除碳的高能力。在地质时期,火山释放的二氧化碳和岩石化学反应消耗的二氧化碳之间存在着一种平衡作用。富含钙和镁的岩石,如蛇绿岩,是最有效地消耗二氧化碳的。当这些元素从岩石中释放出来后,它们与二氧化碳结合,进入海洋,在那里形成石灰岩,将二氧化碳锁定在岩石中,并在岩石中存留数百万年。

现在,研究人员扩展了这一理论,发现在过去5亿年里,这种热带造山碰撞几乎与6次左右的重要冰期重合。“这类环境在漫长的时间里调控了气候。”美国加州大学圣塔芭芭拉分校地质学家Francis Macdonald在近日举行的美国地球物理联盟会议上说,如果地球的气候有一个总开关,那可能就是这些山脉。

“地球有一个长期的碳封存计划,”加州大学伯克利分校的地球和行星科学助理教授尼古拉斯·斯旺森-海塞尔(Nicholas Swanson-Hysell)说。我们知道这些过程保持了地球气候的平衡,但要确定是什么原因导致非冰川气候和冰川气候在数百万年的时间尺度上发生变化,是一个长期存在的谜。”不幸的是,对地球的未来来说,消耗二氧化碳的地质过程是缓慢的,无法与石油、煤炭和天然气燃烧所产生的大量二氧化碳排放相抗衡。斯旺森-海塞尔说,数千年来,地球的自然碳吸收计划将恢复平衡,但这将是对现代文明的漫长等待。现代文明在地球目前较冷的气候条件下取得了巨大成功。

大多数地质学家都认为,地球温度的长期变化是由二氧化碳变化所控制的,而板块构造在某种程度上推动了这些变化,因为它重塑了地球的表面。但几十年来,研究人员一直争论到底是什么在控制二氧化碳。许多人把注意力集中在那些板块相互俯冲隆起的火山上。通过释放地球内部的碳,它们可以打开恒温器。

2017年,Swanson-Hysell和Macdonald提出,4.45亿年前的一次大冰河期是由一次类似于今天印度尼西亚发生的碰撞引发的。那次碰撞发生在阿巴拉契亚山脉建设的第一阶段,当时美国东部位于热带地区。在温暖潮湿的热带地区,风化作用最终能更有效地吸收碳,从而减少大气中的二氧化碳,使地球在数百万年的时间里保持更凉爽。加州大学研究人员的工作基于一项类似的提议,该提议由麻省理工学院的Macdonald和Oliver Jagoutz提出,在过去的9000万年中,这样的过程对于降温非常重要。这项新研究加强了这种热带碰撞与全球气候之间的联系。

还有人强调岩石风化作用。当山脉中含有富含钙和镁的海底岩石时,它们与雨水中溶解的二氧化碳发生反应,形成石灰岩,后者最终被埋在海底。

在最近的研究中,伯克利/圣巴巴拉/麻省理工学院的研究小组使用了地球古地理的最先进模型,重建了过去5亿年间这类造山事件的位置。他们发现,在这段时间里,所有三个主要的冰河时代都是在热带地区的火山弧大陆碰撞之前发生的,而在热带以外没有任何碰撞触发过冰河时代。斯旺森-海塞尔说:“虽然我们认为这个过程很重要,但是热带地区的这种环境和冰川气候之间的关系比我们预期的要清楚。”

“问题是哪一个变化最大。”得克萨斯州莱斯大学火山学家Cin-Ty Lee说。仅仅靠岩石“吞食”二氧化碳是不够的,气候也很重要。例如,罗格斯大学地质学家Dennis Kent说,2.52亿年前发生过破坏性火山喷发的西伯利亚暗色岩也富含这种岩石,但吸收得很少。“这里太冷了。”他说。

该小组的理论也解释了冰河时代结束的原因。当这样的碰撞逐渐停止,露出的岩石越来越少,或者当岩石漂移出热带雨林时,碳封存的效率越来越低,随着火山释放气体的继续,二氧化碳水平上升,地球再次变暖,进入非冰川气候。

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