赵井东:亟待关注第四纪冰川研究

本世纪全球气候环境巨变,人类对地球气候环境系统的影响也越来越大。全球变化研究已经成为目前国际的研究热点。

自然地理
国家重点学科:自然地理学
自然地理学是研究地球表层自然环境的组成、物质运动及其发展变化的科学,研究的对象有地貌、气候、土壤、水文,生态等。
自然地理学最主要的学习内容:气候变化和地貌过程。
自然地理学的趋向:关注全球性的自然环境问题、强调新技术的应用、注重集成和模拟研究
IPCC:1.地球正在变暖2.地球变暖是人类活动造成的。
减排二氧化碳的分歧,争论原因:1.科学认识上的不确定性2.政治经济利益的分歧
过去气候变化的事实:冰雪沉积、树木年轮、海洋沉积,石笋堆积和湖泊沉积的记录。湖泊沉积物是陆地气候变化良好的记录者
树新生代地球气候—–无冰、单极冰、双极冰
树木年轮宽度变化良好的反映降水的逐年变化
树木年轮生长的宽窄状况,取决于某些环境因素,如适宜的温度和降水、土壤湿度、光照、与光合作用有关的树叶表面积大小以及土壤正常矿物质的供给等等。由于树木依赖当地的这些环境而生长,随着环境的变化,年轮也发生变化。反过来就可以从一颗树木的变化的年轮中,提取影响年轮生长的气候环境因子的变化情况,并相当可靠地预见将来。
野外采集的树芯以及树盘经过处理后,在显微镜下观测到的树轮宽度变化是主要是由于树木生长时的环境变化引起的。
树轮:春季,形成的细胞直径较大,数目多,壁较薄,材质显得比较疏松,这部分木材称为早材(或叫春材)。
到了同年夏秋季节,分化的细胞直径较小,数量少,而木纤维的数量相应增多,这部分的材质比较致密,称晚材(或称秋材)。
由早材至晚材的变化,一般是逐渐进行的,即没有显著界线。
不过在上一个生长季的晚材与下一个生长季的早材之间却存在着明显的界线。从木材横断面上看,这些界线成了一圈圈同心圆的环纹,每一个包括早材和晚材两部分的圆环,称为年轮。
在一株树中,年轮的数目由树干基部往上是逐渐减少的。
年轮分析的优点:分辨率高、连续性强、树轮指标量测精确、地域分布广泛、定年准确,便于获取。
树轮的交叉定年可以获得长时间序列的年表
交叉定年原理:的目的在于给出每一轮形成时的确切日历年代,是年轮学中最重要的一条原理,关系到研究结果的成败。定年过程工作量大,它并不是仅凭一棵树,一两个样本就可以解决的。变异年轮(伪轮、缺轮、窄轮)、骨架图制作(Skeleton
plot、Composite制作、宽度测量、COFECHA计算机程序控制
树木年轮考古学:(树轮学+考古学+环境学):1.提供准确定年数据:(古城堡、古桥、古墓、古船、古画)2.
长年表的建立:长年表的建立,不仅可以为准确定年服务,而且为14C测年曲线校正提供了可靠的依据。
14C测年曲线校正3.
气候环境变化指标的提取:树木年轮气候学进行研究时,通常尽量采集树龄较长的现生树木。然而树龄是有限的,一般最多几百年。上千年树龄的树极其稀少。因此,延伸年表,便成了树轮学一个重要方面。枯树、古木、古建筑的木质结构等均可采用。依据这种办法,已经获得准确无误的年表在近期数据再分析研究中、在古气候重建方面发挥了重要
2、树轮水文学:(树轮学+水文地质学):将年轮指标与降水量、径流量联系起来,研究较大范围内(流域)的水分平衡,尤其是可能对灌溉以及工业、城市用水产生重大影响的干旱等。
3、树轮生态学:(树轮学+森林学+植物生态学):利用树木年轮学方法进行生态环境变化的研究。如:利用宽度、密度以及其它年轮变异,确定森林火灾、虫灾、洪水、冻害等灾害事件的年代等。这支学科在大气污染(酸雨、重金属污染)、森林衰退、环境变迁等方面有广泛应用。
4、树轮地质学:(树轮学+地质学):根据树木年轮状况推断历史上某些地质事件的发生频次及影响范围。火山爆发、地震频率、冰川进退、冰融、湖面变化、滑坡泥石流、沙丘移动、侵蚀速率、河流改道和洪水发生频率等十几个方面。年轮宽度与Alpins冰川进退记录有着显著负相关
5、树木年轮气候学: (树轮学+树木生理学+数学+气候学+程序设计)
树木年轮学原理:均一性原理限制因子原理 生态环境选择原理 敏感性原理
交叉定年原理 复本原理
地貌:又称地形,是固体地球表面(通常简称地表)起伏状态的总称,地貌是内营力和外营力共同作用于地表的结果。
内营力:构造运动、岩浆运动
外营力:流水、风、波浪、冰川、冻融、地下水、重力
以外营力作用为主形成的地貌(气候地貌),有呈纬度水平分布和沿山地垂直分布的规律。这种分布与气候条件有联系,决定气候条件的主要要素(温度和降水)的分布是有一定格局的。
干旱地区:构造-水流-风沙
(地貌过程多种营力过程实例)
冰期证据的大量涌现:1、山岳冰川2、大陆冰盖的分布、结构3、冰盖地貌与沉积4、海面升降5、地壳的响应6、多个冰积物叠置
经典的4次冰期理论如何而来?
德国的A. Penker & Bulukenier
(1909)最早对阿尔卑斯地区进行了研究,根据寒冷和温暖气候所造成的地貌和沉积物的交替出现划分了4次冰期。
1、20世纪初:提出四次冰期理论
2、尔后得到北美、欧洲研究的支持
3、四次冰期理论主导了20世纪前半叶
四次冰期--第四纪有四次冷、暖交替(旋回)
解释冰期的各种理论:1.太阳辐射能减少2.地球进入高浓度宇宙尘分布区3.二氧化碳浓度降低4.火山喷发增加5.山脉上升,干旱区扩大,高纬海洋变浅6.南极冰盖运动产生冰山流7.北冰洋水汽通量增加8.气候随机变化
轨道三要素变化:偏心率:0.0–0.0607,
10万年周期(41.3万年周期)地轴:22o–24o30′, 4.1万年周期岁差:1.9,
2.3万年两个变化周期
James Croll
in 1875
Climate and Time
主要理论贡献:1、计算了地球轨道变化2、提出轨道变幅对岁差的控制作用3、认识到地轴的重要性(但无计算)4、提出一个理论模式
米兰科维奇的贡献:、计算了轨道三要素的变化(Pilgrim的结果)2、计算了现代辐射的季节与纬度配置(火地金)3、计算了辐射的季节与纬度配置的0.65-Ma变化4、给出夏季辐射与雪线高度的关系式
地球系统科学研究面临的挑战?
学科综合、技术进步、定量分析、人类活动、成因机制
国际科学理事会(ICSU)和国际社会科学理事会(ISSC)发起的为期十年(2014-2023)
的”未来地球 (Future Earth)”大型科学计划,
目的在于为全球可持续发展提供必要的知识、技术和对策支撑,增强全球可持续发展的能力,应对环境变化带来的挑战.
“未来地球”计划设置了三个研究方向:1)动态地球(Dynamic Planet);2)
全球发展(Global Development);3)向可持续发展的转变(Transition to
Sustainability).

本世纪是全球气候环境巨变的世纪,我们人类对地球气候环境系统的影响将更大。正是人类对自己将来生存环境的担忧,全球变化研究已经成了目前国际的研究热点。中科院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室副研究员赵井东博士日前在接受《中国科学报》记者采访时特别指出,亟待关注第四纪冰川研究,充分认识地质时期气候环境变化的时空规律,是科技界面临的挑战和必须解决的科学问题。

中科院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室副研究员赵井东日前在接受《中国科学报》记者采访时特别指出,充分认识地质时期气候环境变化的时空规律,是科技界面临的挑战和必须解决的科学问题。其中,第四纪冰川研究亟须关注。

青藏高原隆升气候效应

上个世纪三十年代后期到七十年代,由于北半球的持续降温,局部冰川面积的扩大,“冰期来临”成了上个世纪七十年代末人们关注的焦点。但从八十年代至今,大气中温室气体成分的增加,冰川的普遍退缩,两极冰盖的不稳定波动,加上科学家们对气候变化不同情景的模拟与预测,全球变暖又成了全世界的热门话题。

上世纪30年代后期到70年代,由于北半球的持续降温,局部冰川面积的扩大,“冰期来临”成为人们关注的焦点。但从上世纪80年代至今,大气中温室气体成分增加,冰川普遍退缩,两极冰盖不稳定波动,加上科学家们对气候变化不同情景的模拟与预测,全球变暖又成为全世界的热门话题。

高原隆升-阻挡西南季风水气-亚洲内陆干旱化
冰芯:冰川学家在研究南极大陆冰盖的年龄及其形成的历史过程时,发现从冰川的冰芯样品中,不仅能测定冰川的年龄及其形成过程,还可以得到相应历史年代的气温和降水资料,以及相应年代的二氧化碳等大气化学成分含量,从而开辟了恢复古气候和古环境的新的道路。
南极冰芯直接记录着远古时代的大气组成,蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息,找到年代久远的冰芯,对于重建地球的历史演化以及预测全球气候和环境的演变意义重大。不同深度的冰层中,其物质成分可反映出不同年代的气候信息,钻取深冰芯对研究地球气候演变具有重要意义。比如说,冰芯里面可能囚禁有几万年前的空气,科学家们或者气候学家们可以通过一定手段,将这些空气提取出,并研究其成分,从而得到一些关于古代大气的信息,或者古代气候的信息,通过年代排序,预测未来气候变化走向。另外还可以分析这些冰芯的组成物质,如水和所含矿物,加以分析,推测地下冰层或冰川底层的某些信息。而且还便于研究地质、气候的变化。

赵井东介绍,作为冰冻圈重要组成部分的冰川对气候变化响应敏感,素有大陆“温度计”之美誉。同时,冰川是塑造地表形态最积极,最重要的外力之一,通过其侵蚀、搬运与沉积,在世界各个冰川作用区均留下了形态独特的冰川侵蚀与沉积地形。广布于世界各地的冰川地形是过去冰川变化最直接的证据,包含着重要的古气候环境信息,对其进行研究可获得古冰川的时空变化信息,这有助于我们对地质史上古气候环境的重建,为进一步预测未来全球气候变化的趋势提供依据。

赵井东说,作为冰冻圈重要组成部分的冰川对气候变化响应敏感,素有大陆“温度计”之美誉。同时,冰川是塑造地表形态最积极、最重要的外力之一,通过其侵蚀、搬运与沉积,在世界各个冰川作用区均留下了形态独特的冰川侵蚀与沉积地形。广布于世界各地的冰川地形是过去冰川变化最直接的证据,包含着重要的古气候环境信息,对其进行研究可获得古冰川的时空变化信息,这有助于我们对地质史上古气候环境的重建,为进一步预测未来全球气候变化的趋势提供依据。

赵井东指出,冰川地形不同于冰芯、石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土以及海洋沉积等气候环境变化信息载体。冰川地形的气候环境记录是不连续的,用“断简残篇”来描述最为贴切。但这些冰川遗迹确切的记录了过去的冰川作用及其规模与性质,是其他信息载体不可替代的。在万年、千年甚至是百年时间尺度上,基于古冰川地形获得的气候环境变化信息是其他气候环境信息载体不可或缺的补充。

冰川地形不同于冰芯、石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土以及海洋沉积等气候环境变化信息载体。冰川地形的气候环境记录是不连续的。赵井东介绍说,用“断简残篇”来描述最为贴切。但这些冰川遗迹确切地记录了过去的冰川作用及其规模与性质,是其他信息载体不可替代的。在万年、千年甚至是百年时间尺度上,基于古冰川地形获得的气候环境变化信息是其他气候环境信息载体不可或缺的补充。

在赵井东的办公室里,堆放着许多两端密封的钢管。一包包黑色塑料袋装着的沙土以及一袋袋石头渣子,显得特别拥挤。这些样品对于外行人来看毫无用处,但对赵井东来说却都是宝贝。赵井东自嘲自己是“濒危学科”的守卫者。因为现在的年轻人都不愿从事冷门学科的研究,造成了第四纪冰川研究团队不断萎缩。目前,该院仅有他一个人还在进行第四纪冰川与环境变化方面的研究。

赵井东认为,随着定年技术的不断发展与完善,第四纪冰川研究也将产出更多的研究成果。这些成果与冰芯、石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土以及海洋沉积等研究成果一道,揭开人类全面认识气候变化的面纱。

赵井东认为,随着定年技术的不断发展与完善,第四纪冰川研究也将产出更多的研究成果。这些成果将与冰芯、石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土以及海洋沉积等研究成果一道将揭开人类全面认识气候变化的面纱。

作者为中科院冰冻圈科学国家重点实验室副研究员

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