【專欄】地球圈層相互作用

民報新聞

現代地球系統由岩石圈、大氣圈、水圈、生物圈和人類圈五個地球圈層構成。由於前四個地球圈層是人類圈的環境,又具全球規模,可稱全球環境,所以現代地球系統又可說是由人類圈和全球環境構成的系統。這就有利於從現代地球系統結構變化的角度來研究全球環境惡化的根源和持續發展條件等問題。

生物圈與大氣圈及地圈相互作用 大氧化事件與條帶狀鐵建造的形成

大約在24億年前,大氣中的游離氧含量突然增加,由一個極低的水平急劇增至現在濃度的10%,隨後保持在一個穩定水平直至8.5億年前,被稱為「大氧化事件」(Great Oxygenation Event,GOE)。8.5億年前,氧氣含量再次增加,被稱為「新遠古代氧化事件」(Neoproterozoic Oxygenation Event,NOE)直至達到約當前的水平。目前傳統觀點認為,海洋中的藍細菌通過光合作用,使之前還原性的地表環境逐漸變為氧化環境。GOE是前寒武時期的一次重大地質事件,導致大量厭氧生物的滅絕,真核生物漸漸繁盛,多細胞生物逐漸出現並發展,改變了海洋化學環境,使得大量條帶狀鐵建造(Banded Iron Formations,BIFs)形成(BIFs是全世界儲量最大、分布最廣的鐵礦類型),是地球表層系統的一次全面變革。

地圈與大氣圈及水圈等相互作用

海陸分布格局演化

地球氣候系統不僅受太陽輻射緯度分布等的外部影響,同時也受海陸分布及地形等因素的影響。1912年,德國天文學家阿爾弗雷德•魏格納(Alfred Lothar Wegener)於發表論文提出大陸漂移假說,之後隨著海底擴張和板塊構造理論的提出,人們發現地球的大陸和海洋面貌也可以發生翻天地覆的變化。大陸是地球在長期複雜地質作用過程中,由各種不同塊體與組分,歷經多次改造而成的複雜拼合體,在地質歷史時期,呈現出不同的海陸分布格局,如地球曾經可能存在過4次超大陸(地球上所有陸地幾乎拼合在一個塊體之上),從老到新依次為基諾蘭(Kenorland,26-24億年)、哥倫比亞(Columbia,19-18.5億年)、羅迪尼亞(Rodinia,10億年)和聯合大陸(Pangaea,2.5億年)。我們常說「盤古開天」指的就是Pangaea。

聯合大陸的超級季風

從二疊紀到早期侏羅世(約2.5-1.8億年前)的聯合大陸(Pangaea),由北半球的蘿拉西亞(Laurasia)和南半球的岡瓦納大陸(Gondwanaland)在赤道附近連接而成,尤以三疊紀早期為最盛。模擬結果顯示出全球(全大陸)規模的「超級季風(Megamonsoon)」:冬、夏出現方向相反的季風,熱帶輻合帶(ITCZ,Intertropical Convergence Zone)又稱赤道無風帶,在聯合大陸上作大幅度的遷移,雨量集中在特提斯洋(Tethys Ocean),又名古地中海附近,內陸降雨量幾乎為零,聯合大陸氣候的大陸性極強,內陸冬夏溫差可以高達50℃。

由青藏高原隆升引發的一系列氣候變化

大約5000萬年前,板塊運動使印度與亞洲大陸碰撞導致地球歷史上一次重要的造山事件,形成了全球規模最大的喜馬拉雅青藏造山帶及世界的屋脊:青藏高原。

青藏高原隆升過程

青藏高原的隆升,改變並形成了中國西高東低的地形格局(中國大陸至少到白堊紀為止仍為東高西低的地勢);引起了亞洲主要河流分布和走向的變化,改變了陸地向海洋的淡水和沉積物輸送狀況;使地球上大面積的熱帶、亞熱帶和溫帶陸地海拔抬升到4500m以上成為高寒區,形成冰雪、凍土集中分布的「世界第三極」;使西風環流發生分支,夏季的南支氣流和冬季的北支氣流對季風具有加強作用;隆升後的高原在夏季成為大氣的熱源、冬季構成冷源,使亞洲大範圍地區夏季盛行偏南風,從低緯海洋帶來大量水氣,使中國南方成為濕潤的魚米之鄉,而冬季盛行乾冷的偏北風,構成強大的亞洲季風;對來自海洋的水氣構成地形屏障,在亞洲形成世界上最大的內陸乾旱區;使得高原區物理和化學風化加強,吸收大氣CO2,導致全球逐漸變冷。

地圈與水圈相互作用 環南極洋流與南極冰蓋形成

新生代以來,全球溫度呈現階段性下降趨勢,始新世/漸新世之交(~34百萬年),降溫極為劇烈,導致南極冰蓋形成。德雷克(Drake Passage)和塔斯馬尼亞海峽(Tasmania)通道的開啟導致環南極洋流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)形成,從而阻礙了低緯向南半球高緯的熱量傳輸,進而導致南極冰蓋增長。當南極冰蓋繼續增長,擴大的冰蓋範圍足以封閉整個德雷克海峽時,這時環南極洋流受阻,環南極西風漂流帶會消失,增強赤道熱量向南極的輸送,使擴展冰蓋趨於消失,這是南極冰蓋不能擴展成南半球大冰川的一個重要原因。

冰凍圈與地圈相互作用 冰川消融引起的地殼均衡調整

冰川均衡調整(Glacial isostatic adjustment,GIA)岩石圈對冰期地表冰和海水負荷改變的響應。一方面末次冰消期以來,北美的勞侖泰冰蓋(Laurenthai Ice Sheet)、柯迪勒拉冰蓋(Cordillera Ice Sheet)和伊努伊特冰蓋(Inuit Ice Sheet)以及歐亞大陸的不列顛、斯堪的納維亞和巴倫支海-喀拉海(Barents Sea - Kara Sea)等冰蓋大規模融化,大量的冰融水進入大洋,在這數千年來造成全球平均海平面上漲約120 m;另一方面,由於冰川的卸載和海洋盆地的加載引起的地球內部物質的重新分布,導致冰後的地殼運動、地球重力場和應力場的變化,在之前的冰蓋覆蓋區,可能造成海平面的下降。

如位於加拿大努納武特行政區(Nunavut)的巴瑟斯特因萊特(Bathurst Inlet),冰消期以來,因冰蓋消融而引起的岩石圈均衡作用,導致該地區海平面一直在下降,形成了眾多海岸線,現在這個地區的海平面仍在下降。 專欄屬作者個人意見,文責歸屬作者,本報提供意見交流平台,不代表本報立場。