2014年3月27日

溫鹽環流及其古海洋學研究上的意義

作者/羅 立(就讀臺灣大學地質科學系博士班)

影響地球氣候系統的作用,可簡單區分為「外營力」與「內營力」。外營力總括來說,為進入地球的太陽日照量(solar insolation,圖一);對此,天文數學家米蘭科維奇(Milutin Milankovitch)嘗試以地球公轉型式的改變來得知太陽輻射入射量的變化,進而推算北半球冰川發育的週期。根據他的計算,北半球冰川的前進與後退與北緯65 度地區所接受到的太陽夏季(6~8 月)日照量多寡息息相關:當日照量多時,冰川退卻;日照量減少之時,則冰川前進,即往南發育。而天文軌道的主要三大變化週期分別為10 萬年的離心率(地球繞日軌道由接近圓形到接近橢圓形的改變),4 萬1000 年的地軸傾角改變(地球自轉軸與黃道面的交角),以及2 萬3000 年的歲差(春分位置的改變)。因此早期的古氣候∕古海洋學者認為地球主要的冰期– 間冰期旋回(glacial-interglacial cycle)就是由這些數萬年的「軌道時間尺度」(orbital timescale)所主宰,相對應地緩慢漸進地循序改變。雖然當中也還有許多問題,但過去80萬年來的地球主要冰期– 間冰期的改變大體可以得到良好的解釋。
圖一:太陽日照是影響地球氣候的關鍵因素之一。
(PHOTODISC授權)

但自1980 年代,伴隨著放射性定年技術的演進,科學家整理了格陵蘭、南極等地高解析度冰芯(ice core)紀錄,以及北大西洋地區海洋沈積物岩芯(marine sediment core)紀錄,發現了在上一次冰期(距今約7 萬至2 萬年前)時,特別是在北半球地區,出現「千年尺度」(millennial timescale)的氣候劇烈震盪(圖二),這變化的週期大約在1000~6000年之間,而溫度變化的幅度甚至將近冰期–間冰期的一半,這樣的變化相對短於前述的「軌道週期」,很難以地球與太陽之間緩慢的軌道與相對位置改變來解釋。究竟為什麼會有這樣時間相對較短,卻又如此劇烈的事件產生?後續的證據還相繼指出了,在這樣的「千年尺度」事件中伴隨著大氣二氧化碳濃度的改變,暗示著這樣的氣候變遷事件也跟地球不同碳儲藏庫(carbon reservoir)之間的交互作用有關,代表地球環境系統中的「內營力」亦扮演了重要角色。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】
圖二:過去六萬年來格陵蘭冰芯氧同位素變化圖。
氧同位素值可視作溫度的變化,上次冰期至全新世的溫度變化在格
陵蘭地區大約為20℃左右,在冰消期與上次冰期時黑色箭頭所指的年代即
為文中所提及之「千年尺度」氣候事件,其溫度變化幅度大約為10℃左右。
注意本圖並未將所有的千年尺度氣候事件標示出來。(圖片來源: NOAA)

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