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道尔效应与全球季风

星期一, 11月 30th, 2020

2020年10月7日,《Science Advances》在线发表我院黄恩清副教授与合作者的研究论文:“Dole effect as a measurement of the low-latitude hydrological cycle over the past 800 ka”。明确提出道尔效应可以作为地质时间尺度上全球季风强度变化的度量指标,这是“气候低纬驱动”学说的一个重要进展。

古气候研究始于近代欧洲,基于当地的地质现象,学术界发现了第四纪“冰期旋回”现象,即过去数十万年以来,地球气候在温暖的间冰期和寒冷的冰期时代之间来回振荡,振荡的周期约为10万年。随后发现北半球高纬地区的“冰期旋回”现象具有全球效应,世界各处的古气候记录里都发现了类似的10万年周期。因此把高纬冰盖体积涨缩引起的地球气候变化称为“高纬驱动”学说。

然而这个学说受到越来越多证据的挑战。首先,低纬是获得太阳辐射能量最多的地区,理论上低纬才是全球气候变化的能量发动机。其次,低纬最显著的气候特征是季风和水文循环。季风记录中最显著的是2万年岁差周期,而不是10万年周期。基于这些研究进展,近年来我院科研团队提出了气候变化的“低纬驱动”学说以及“全球季风地质演变” 的新概念。其中一个前沿问题就要回答是否存在一个度量指标,可以描述全球季风的演变历史?

本次发表的成果,论证了道尔效应就是全球季风的指标。大气氧气同位素与大洋海水氧同位素的差值,称为道尔效应。利用极地冰芯气泡中封存的古大气,以及表层海水地质记录,本文提出了一个计算道尔效应的新方法。发现过去80万年以来,道尔效应波动只有显著的岁差周期,而没有10万年周期。进一步分析认为,低纬水文循环强度变化引起的降水同位素变化、土壤呼吸作用和蒸腾作用过程中的同位素分馏变化,是轨道尺度上道尔效应波动的主控因素;而其他因子对道尔效应的影响,可以忽略不计。简单说来,道尔效应波动主要反映低纬水文循环过程,而与高纬气候变化关系不大。这个分析得到气候数值模拟结果的支持,过去30万年以来,低纬降水量的变化与道尔效应存在良好的相关性。

在岁差周期上,南北半球的季风和道尔效应变化是反相的。但由于南北半球大陆分布的不对称性,导致北半球季风强度和水循环过程的同位素分馏比南半球更强。因此综合之下,全球尺度上的低纬降水量和道尔效应变化,跟随的是北半球夏季太阳辐射量的步调,发生岁差周期上的振荡。

值得指出的是,低纬季风和水文循环研究具有重要的社会和经济价值。季风区生活着全球三分之二的人口,我国东部经济发达区也主要受到季风气候的影响。本文研究成果指出,由于目前处在岁差振幅波动的极弱期,全球季风强度降低。因此从地质历史看,现今低纬地区整体上处于降水较弱的阶段。这个地质大背景叠加上全球变暖引发的水文循环时空变化,未来水资源供应将成为人类社会的巨大挑战。

图1 计算全球表层海水氧同位素综合曲线所利用的数据站位(蓝点和红点)以及现代全球季风区分布(绿色区域)。

图2道尔效应与中国石笋记录以及模拟的低纬(30°N-30°S)降水量的对比。三者吻合良好,都只包含强烈的岁差周期。

本文第一作者及通讯作者为黄恩清副教授,合作者包括我院汪品先院士、王跃副研究员、田军教授和已毕业本科生李诗涵,以及南京师范大学严蜜博士和自然资源部第二海洋研究所马文涛博士。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

“地球系统史—从元素起源到智能演化”讲习班顺利举行

星期四, 6月 2nd, 2016

5月23至27日,来自39个单位(包括香港和海外)150余位研究人员和学生参加了同济大学海洋地质国家重点实验室和IODP中国办公室联合举办的地球系统史讲习班。五天的课程由美国罗格斯大学的Paul Falkowski教授主讲,涉及星球形成与元素演化、生命的化学组成和复杂性演化、地球宜居性变化、人类智力演化及其对地球改造能力等内容。讲习班还利用晚间时间,邀请同济大学的汪品先、田军教授和厦门大学的焦念志教授,用中文为第二天课程做了引导性的讲解。

Falkowski教授为美国科学院院士,是当今国际地学界的领军人物。他纵横化学、生物和地学等多个学科,跨越古今界限,在许多重大的科学问题上都取得了开创性成果。这些科学问题包括大洋初始生产力和浮游植物演化、大气氧化进程、太古代氮循环、光合作用演化等等。每个主题都涉及地球系统演化史上的核心进程。Falkowski教授早早为此次课程指定了数十篇文献和三本教材,希望学员们透过广泛和有深度的阅读,真正了解“地球系统史”这门学科的思维模式。

课程主题的编排也可以看出Falkowski教授广阔的思维视角和抓取核心科研问题的能力。第一天课程从宇宙大爆炸和星体演化讲起,谈论到今天地球上化学元素、水的成因和分布规律,以及地球所处的宇宙环境和基本行星参数演化,最后以板块构造运动的威尔逊旋回结尾。这些宏观的天文和地质过程决定了40多亿以来地球的基本面貌。第二、三天课程进入Falkowski教授最擅长的研究领域,即从地球生命演化史来看地球系统的变迁。在纷繁复杂的生命演化图景中,其实可以盯住一些核心过程来了解生物圈-地圈的协同演化。例如各类生化反应过程中的电子和能量转移如何推动地球环境变化;如何利用所有生命体中都存在的核糖体揭示生物演化进程;光合作用的Rubisco酶以及一些基本细胞器为何跨越数亿年的光阴而保存不变甚至已经与现今环境格格不入;生物酶中必须有的金属元素如何制衡生物的繁衍和环境改造能力;大气氧化进程以及大氧化事件给生物圈-地圈带来的革命性变化等等。第四天课程介绍了现今地球的大气和海洋环流格局及其能量输送,并以第四纪冰期旋回为例,展示了地球系统在这些旋回过程的变迁,特别是海洋和大气碳循环的变化。最后一天课程着重介绍了人类的演化以及人类如何以前所未有的速度在改变地球表层系统的状况。对人类干扰地球系统的巨大能力,Falkowski教授表达了深切的关注和担忧。他建议人类社会应该更加重视并用科学手段缓和并制止这一过程。总体而言,五天课程包含了从最宏观的宇宙演化到最微观的微生物、分子、电子过程,勾勒出了地球系统史这门新学科独特的思考视角。

Folkowski教授结合自己跨学科的研究背景,特别寄语在做的科研人员:进入一个研究领域,继承的都是这个领域的视角和研究模式,很难进行框架外思考。因此一段时间后,应该离开自己的“舒适区”,大胆进入别的学科领域,学习新的方法和思维模式,这样才可能做出创新成果。Paul自己的研究生涯正是受益于此,从生物物理背景进入地学领域,结果就提出许多新颖的研究思路。他抨击现今大学中各个学科过于细致分工的现状,丧失了17世纪时候科学家可以跨越数个领域的能力。Folkowski教授还特别分享了自己教导学生的经验,即一定要让学生学会独立思考,可以理解所获取的实验数据的科学意义,并从中享受乐趣。而不是把学生训练成只会重复做实验的技术人员。

中国有着强大的传统地球科学学科。在新的形势下,传统学科如何融合,如何用“地球系统历史”的视角研究重大的科学问题是中国地球科学面临的挑战。希望这次课程能为中国地球科学转型做出贡献。