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　　（本文出自《知识就是力量》杂志2015年8月刊）
　　美国研究人员日前通过对树木年轮、冰芯中所记录的数据进行研究后发现，热带和高纬度地区的大规模火山喷发与过去2500年以来的气候变化有明显的对应关系。大规模火山喷发是这段时期北半球气候变迁的一个重要驱动力。
　　此前的研究就已经发现，火山喷发时排放出的各种物质，尤其是气溶胶进入大气层后，会增强其对太阳辐射的反射作用，从而让地球的气候变冷。不过，这项研究是第一个把树木年轮上记载的数据，明确地和冰芯中所记录的过去2500年的火山活动对应起来。通过对格陵兰岛和南极的冰芯同其他公认的关于气候变迁的信息记载来源进行比较，负责此项研究的美国沙漠研究院科学家迈克&希哲和他的研究团队修正了冰芯的时间尺度，显示出冰芯的记录应该调整7年。此外，他们还发现，气候变冷的程度和火山喷发的程度正相关，而且在一些非常大规模的火山喷发以后，带来的降温效果可以长达10年之久。
　　编辑：刘亚南
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锛 ユ锛涓芥璞℃ョぞ& 浣锛绱超级火山喷发导致全球变暖和大规模生物灭绝
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|个人分类:|系统分类:|关键词:全球变暖 温室效应 地核热能释放 巨大火成区 地球自转
& &超级火山喷发导致全球变暖和大规模生物灭绝 & & & & & & & & 杨学祥，杨冬红& & &腾讯科学讯据国外媒体报道，科学家研究发现，数百万年以前的印度地区喷发出了大量熔岩，在大约50万年的时间里，向地球表面喷发出约12275立方英里（约合512000立方公里）的岩浆。 & &作者认为，有可能的是虽然陨石撞击给白垩纪的生命带来了严重的打击，但是真正的死亡打击稍后才真正来到。在形成德干地盾的火山喷发期间，长达50多万年里不断有气体排放到大气中，引起气候变化，导致地球上的大部分生命灭绝，而且陨石撞击的影响阻止了物种的反弹（陨石撞击产生的大量灰尘和气体也给气候带来的变化）。 & &普林斯顿大学的科学家在2011年发表的一项研究得出了一个类似的结论，他们发现在陨石撞击后浮游生物的化石在体型和数量上都出现了缓慢的收缩，只有部分变化多样的物种得以存活。火山喷发导致的地质构造被称作溢流玄武岩，而且地质学家们仍然在对它们进行更多的探索。尽管德干地盾可以说是最著名的，但是太平洋中有着更大的Ontong-Java(翁通爪哇)平原。科学家们认为这些大喷发的真正来源来自于地幔的深处，接近地球核心的外边缘。我们在1999年指出,现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应[1]。据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO2高浓度对应（见图1-2）[2]。图1 &巨大火成区和全球变暖Fig 1 &Large igneous provinces and global warming图2 &巨大火成区的规模比例Fig 2 The proportion of the large igneous provinces&120Ma前海底地幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×1026J，海洋的质量为1.45×1024g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃[1]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上[3]。海底火山活动引发的海温增高和CO2排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO2和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度[4]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO2浓度增加的原因（见图1-2）。在过去的20年中，研究人员搜集了有关古新世—始新世（5500万年前）最热现象（PETM）的数据。在PETM期间，地球的表面温度在1万年的时间里上升了9℃，而这一事件的起始温度要高于地球目前的气温。地球的温度在这一较高水平上一直持续了近10万年。在PETM期间，大气中的气体浓度上升了约700 ppm（百万分之一），即从1000 ppm升至1700 ppm——这比现今的385 ppm高出了4倍之多。据估计，温室气体的大量灌入形成了这一气温峰值。然而一项新的分析结果似乎并不能完全支持这一假设。研究人员模拟了在PETM期间，大气的灵敏度增加到翻一番的二氧化碳水平——2000 ppm，地球温度会发生何种变化。最终的结果显示，这些二氧化碳最高可以使温度升高3.5℃。这就意味着还有一些其他的因素使地球的温度升高了5.5℃。这一无法解释的变暖现象使人们对究竟是什么导致了重大且快速的气候变化的认知存在着一个缺口：二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因[5]。事实上，5500万年前的温度峰值与北大西洋边缘的巨大火成区同时出现，后者喷出的熔岩为哥伦比亚溢流玄武岩体积的3倍多。1000km3熔岩要释放1.6×1013 kg的CO2，3×1012kg的硫和3×1010kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌[1]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×106km3，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×106km3，释放的CO2分别为5.8×1017 kg和2.1×1016 kg。图3中可以看到，巨大火成区大部分处于海洋及其边缘，喷发物被海水过滤，减少火山灰降温作用，增强温室气体增温作用。海洋被加热，释放大量温室气体，两种因素都导致气温升高。&图3 全球巨大火成区Fig 3Global large igneous provinces&Engel and Engel给出了6亿年以来北美火山喷发曲线（见图4 ）[6]，Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化[7]，与图1-2的变化趋势基本一致。图4 &北美火山活动曲线（据Engel and Engel, 1964）[5]Fig. 4 The cure of volcanic activity in North America（after Engel and Engel, 1964）[5]&在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应[8]。叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO2的含量十倍于现在；陨石增多[9]。在此期间，地球自转速度处于峰值。相反，437Ma的奥陶志留纪大冰期和437Ma的石炭二叠纪大冰期对应地球自转速度低谷。巨大火成区来自核幔边界地幔柱的猛烈喷发，核幔边界地幔柱喷发的能量又来自何处？理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。最强的太阳辐射加强圈层角动量交换，使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模地幔柱喷发的原因[1, 8-16]。化石种类数据的小波分析显示存在大约62Ma和140Ma两个明显周期[17-19]。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。这些新的结果指出，各种地质过程的一致性可能是与深部地幔的活动变化相关的。银河年280Ma周期在地球大冰期和温暖期转换周期、地球自转长期变化周期、火山喷发长周期、陆海变动周期、造山作用周期、地磁极性变化长周期都有明显的表现。280Ma周期是140Ma周期的倍数周期，是140Ma周期受控于银河年周期的证据，最可能的因素是太阳辐射强度的变化。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的地幔柱活动有控制作用（图4）[1]。图5 &太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系 & & & & &Fig.5 Relation among solar radiation, core-mantleangular momentum and climate change巨大火成岩省形成时释放的CO2是导致全球变暖的重要原因，但是，导致全球变暖的巨大火成岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。巨大火成岩省的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×106 km3/Ma（目前的洋壳产量为17×106 km3/Ma）[2, 8]，对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO2含量增加一倍[20]。海洋是CO2的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃升高为25℃，每克海水可释放约1 cm3体积的CO2，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO2是大气中CO2的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO2的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO2是大气CO2浓度增高的主要来源[20-22]。我们的研究表明，温室气体不是全球变暖的唯一原因。大规模的火山喷发不仅是温室气体增加的原因，而且是大规模地核热能释放的原因，全球变暖的热能主要来自地球内部。大规模生物灭绝是地球内部能量大规模释放的结果。在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应[8]。火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。火山喷发出大量的温室气体，与全球温暖期相对应（见表1和表2）。在全球温暖期，海洋吸收温室气体的能力伴随海温增减而消失，火山喷发出的温室气体大量积累在大气中，增强了温室效应。近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃[52]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃[53]，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库[23]。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO2释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的，因此，这一重要作用值得深入研究。&表1 &地球自转周期与地质旋回Table 1 &Earth’s rotation periods andgeological cycles时间/Ma地球自转全球气候生物灭绝事件&火山喷发形成物 & & & 体积/106km3480高峰温暖期&北美火山活动高峰437低谷大冰期&北美火山活动低谷370高峰温暖期&北美火山活动高峰280减慢&&北美火山活动减弱248减慢&&西伯利亚暗色岩230低谷大冰期&北美火山活动低谷160加快&&三大洋底重大裂解作用140加快&&香港超级火山139加快&&三大洋底重大裂解作用120高峰温暖期不明显 (水下喷发)翁通爪哇海台36120&&&北美火山活动高峰110高峰&大规模生物灭绝凯尔盖朗海台97&&&三大洋底重大裂解作用65&&恐龙灭绝德干暗色岩55&&陆生哺乳动物灭绝北大西洋火山边缘25低谷低温&&15加快变暖大规模生物灭绝哥伦比亚河溢流玄武岩1.310高峰变暖&&0低谷大冰期&北美火山活动低谷&表2 &地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转Table 2 &Earth’s rotation periods, geological cycles andgeomagnetic polarity reverse地质界线新生代/现在中生代/新生代侏罗纪/白垩纪古生代/中生代石炭纪/二叠纪下古生代/上古生代年代/102Ma0&0.65& 1.36& 2.25 2.80 3.45地壳自转减慢&加快&减慢&火山活动喷发最弱喷发中等喷发最强喷发中等喷发最弱喷发中等海陆变动大陆为主最大海退由主要是海变为大陆最大海侵由主要是大陆变到海大陆为主最大海侵由主要是还变到大陆气候变化第四纪大冰期&温暖期&石炭二叠纪大冰期&陆海分布类型大陆集中在北极&大陆分散在赤道&大陆集中在南极&造山作用生物灭绝第三纪大褶皱&白垩纪恐龙灭绝&石炭二叠纪大褶皱&地磁极性反向&正向&反向& & &我们的研究结论是，与中生代大规模火山喷发相比，目前的全球变暖规模微不足道，地球的真正灾难不是来自大气的二氧化碳，而是来自空间的撞击能量和地球深部的地核热能。&参考文献&1.杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45(增刊): 33-42. 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