高地降温效应与构造_气候旋回.pdf

25卷第 4期 400 405页2007年 7月 山 地 学 报J OURNAL OFMOUNTAI N SC IE NCE Vo.l 25,No.4 pp400 405July,2007收稿日期(Received date):2006-12-01;改回日期(Accepted):2007-05-08。基金项目(Foundation item):国家自然科学基金(40599421,40271015)Natural Science Foundation ofChina(No.40599421,40271015)作者简介(Biography):张信宝(1946-),男,汉,江苏镇江人,研究员,博士生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。Ema i:l zxbao i Zhang Xinbao(1946-),Male,Professor&Doctor adviser;Main research field:soil erosion and conservation.文章编号:1008-2786-(2007)4-400-06高地降温效应与构造-气候旋回张信宝1,2,贺秀斌1,汪阳春1,张云奇1,3(11中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041;21中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,陕西 西安 710075;31 中国科学学院研究生院,北京 100049)摘 要:基于辐射平衡的原理,提出/高地降温效应0假说,阐明高原隆升与全球气候变冷的机制。地球如同被玻璃(大气层)包裹的、接受太阳辐射的球体,这层玻璃易于太阳短波的透入,不易于地面长波的散出,起到了很好的保温作用。玻璃越厚,保温效果越好,地球表面的热能量水平越高,地面温度也越高;反之,地面温度越低。估算了青藏高原和同纬度长江中下游平原之间的逆辐射量差值,用以表征高原隆升的逆辐射量减少值,进而又估算了全球高原隆升的逆辐射量减少值及占地球接受太阳辐射总量的比例。/高地降温效应0假说可以较好的解释寒武纪以来三次重大的构造运动-地貌演化-气候变化过程。构造运动形成高大山系和高原,引起全球降温气候变冷;随着隆升的山系和高地逐渐被侵蚀为低地,地球表面变得平坦,全球大气层的温室效应增强,全球复又升温,气候变暖。青藏高原的形成,如同地球开了一个散热的/天窗 0,对新生代以来全球的持续降温作出了重要的贡献。关键词:高地;降温效应;地球;构造;地貌;气候中图分类号:P90,X14 文献标识码:A 已有的研究表明,地质历史时期存在构造-气候旋回,寒武纪以来的全球三次重大的气候变冷事件均对应于重要的构造运动,如古生代冈瓦拉大陆有冰川发育的奥陶纪、志留纪冷期和石炭纪、二叠纪冷期分别对应于加里东运动和海西运动,中生代以来的全球降温对应于喜马拉雅运动(图 1)1。除宇宙成因假说外,一些学者提出了构造运动影响全球气候变化的假说。如汤懋苍的大气热机效率变化说认为2-4,造山运动形成的大起伏地形,有利于高效大气环流系统(高原季风)的形成,导致全球热机效率增大,极赤温差加大,极地和高纬大降温,出现大冰期。Ruddi man和 Ray mo的隆升区化学风化说 认为,造山运动形成的隆升区侵蚀强烈,硅酸盐化学风化消耗大量的 CO2,导致大气 CO2含量降低,大气层的温室效应功能减弱,全球气候变冷 5-9。本文基于辐射平衡的原理,提出/高地降温效应 0假说,阐明高原隆升与全球气候变冷的机制。文章估算了青藏高原和同纬度长江中下游平原之间的逆辐射量差值,用以表征高原隆升的逆辐射量减少值,进而又估算了全球高原隆升的逆辐射量减少值及占地球接受太阳辐射总量的比例,最后用/高地降温效应0假说解释了显生界以来三次重大的构造运动-地貌演化-气候变化过程。1 基本原理地球表生过程是靠太阳辐射能维持的,来自地球内部的热能同太阳的辐射能相比微不足道。地球表面接受的太阳能和向空间辐射出去的能量相等时,地球的热能量水平不变,全球整体温度稳定。前者大于后者时,地球的热能量水平增加,全球平均温度升高;后者大于前者时,地球的热能量水平减少,全球平均温度降低。地球热能量水平高时的气候应较水平低时的温暖。全球的辐射能量平衡见图图 1 寒武纪以来蒸发岩和冰川的最大值 1Fig.1 Maxi mum values ofevaporate and glaciers since Cambrian Period210。太阳辐射能以短波形式从大气圈层顶部进入地球表面,全球总量以 100计,地面(陆地+海洋表面)吸收的占 50%;总反射损失(散射、云、地面)占32%,总吸收损失(分子、尘埃、云)占 18%。分子、尘埃和云吸收的辐射能随这些物质沉降到地面被地面吸收,因此地面的总吸收能量占从大气圈层顶部进入的太阳辐射能的 68%。地面拥有的热能通过长波辐射不断耗散到大气上层,不分昼夜持续进行。地面的辐射平衡为,地面辐射总量 98%,其中直接向空间辐射的损失 8%,大气中的辐射损失 90%。大气中的辐射损失绝大部分(77%)又返回地面被称为逆辐射,只有 13%进入空间,地面辐射净支出为 21%。地面的热支出为 29%,包括大气骚扰运动向上的显热传输(9%)和水汽蒸发向上的潜热传输(20%),加上分子、尘埃和云吸收的辐射能转化的热能 18%,地面热能净支出为 47%。地面辐射净支出和热能净支出之和为 68%。逆辐射是大气吸收的地面辐射能部分又被辐射返回到地面的过程,全球的逆辐射能量占太阳辐射能总量的 77%。显然,逆辐射能量占太阳辐射能总量的比例高时,地球的热能量处于高水平,地球表面温度高;比例低时,地球的热能量处于低水平,地球表面温度低。大气对太阳短波辐射透入的影响远大于对地面长波辐射散出影响。大气成分不变的情况下,大气层越厚、空气密度越大,大气层的保温效果越好;反之,越差。和低地相比,高地空气稀薄,大气层厚度小,因此大气层的保温效果差,气温低,昼夜温差大。一般每上升 100 m,温度降低 0.6 e。若无大气环流从低地向高地输送热能,高地的气温可能还要低,昼夜温差更大。由于太阳光线入射地球表面的角度不同,从大气圈层顶部进入地球表面的太阳辐射能,赤道一带最高 130 104J/(cm#a),随纬度的增加逐渐减少,极地一带仅 130 104J/(cm#a)10。低纬地区接受的太阳辐射能高于高纬地区,因此高纬地区较低纬地区寒冷;同纬度低地和高地接受的太阳辐射能是相等的,但低地的逆辐射量大于高地,因此高地较低地寒冷不考虑大气环流的热能传输补给影响,将年均温相近的高纬低地和低纬高地的地面热能量水准视为基本一致,并以此估算低纬高地和低地的逆辐射量差值。如西藏那曲地处北纬 3115b,海拔4 500m,年均温-0.9 e;黑龙江黑河地处北纬50b,海拔 50m,年均温-0.5 e。二地的纬度相差1815b,高程相差 4 450m,但年均温相近。长江中下游平原的纬度和西藏那曲一致,海拔和黑龙江黑河相近。这里借用西藏那曲和黑龙江黑河因纬度差异而引起的太阳辐射能差值,表征西藏那曲与同纬度低海拔的长江中下游平原之间的逆辐射量差值。北纬 31.5b 和 50b的太阳辐射量分别为 113 104J/(c m#a)和 921 103J/(c m#a)10。这也就是说,海拔 4 500 m的西藏那曲的逆辐射量较同纬度海拔数米-数十米的长江中下游平原少 209 103J/(c m#a),占那曲太阳辐射能的 18.5%。显然,高地的逆辐射量低于同纬度的低地。2 中低纬高地的全球降温效应全球北纬 40b 南纬 40b 的中低纬地区的平均海拔 1 000m的高原,主要有亚洲的青藏高原、云南高原、帕米尔高原、伊朗高原、亚美利亚高原和安纳托利亚高原;非洲的埃塞俄比亚高原和东非高原;北美洲的科罗拉多高原和墨西哥高原;南美洲的玻利维亚高原和厄瓜多尔高原。其中青藏高原是全球面积最大的高海拔高原,面积 2.3106km2,平均高401第 4期 张信宝,等:高地降温效应与构造-气候旋回图 2 全球辐射能量平衡示意图 10F ig.2 Schematic diagram ofglobal radiation and energy balance表 1 全球中、低纬地区平均海拔1 000m的主要高原Table 1 Globalmajor plateaus in mid and low latitude with altitude below 1000m洲高原平均高程(m)面积(km2)亚洲青藏高原4 5002.3106云南高原2 0003105帕米尔高原4 0001105亚美尼亚高原2 0003105安纳托利亚高原1 0005105伊朗高原1 3002.5106南美洲玻利维亚高原3 8003.5105厄瓜多尔高原3 0001.5104北美洲科罗拉多高原1 8005105墨西哥高原2 0003.5105非洲东非高原1 2001106埃塞俄比亚高原2 2004.5105402山 地 学 报25卷程 4 500 m(表 1)11。笔者在/地带性与非地带性夷平面 0一文中已经指出,冰缘气候带的高程随着纬度的增加而逐渐降低,低纬地区的寒冻夷平面高程大于高纬地区,因此高海拔的高原多分布于低纬地区12。全球高大山系往往伴随高原分布,多分布于高原的边缘或内部。如青藏高原南缘的喜马拉雅山,北缘的阿尔金山和昆仑山,和内部的冈底斯山和唐古拉山等。全球高大山系和高地的空间分布格局是中生代以来板块运动的结果。中生代时期,N10b 左右的特提斯海横亘于劳亚古陆和冈瓦拉古陆之间,特提斯海两侧的 N40b-S40b 的中低纬地区,地势平坦,气候炎热干燥。晚白垩纪末(65 106a)以来,由于冈瓦拉古陆分裂出来的印度板块、非洲板块和南美板块等三个板块的向北飘移,特提斯海消亡,现仅残留南欧和北非之间的地中海。印度板块和非洲板块向北飘移,与劳亚古陆分裂出来的欧亚板块碰撞,导致亚洲青藏高原、帕米尔高原、伊朗高原和土耳其高原及相邻山系的形成;南北美洲西部中低纬高原和高大山系的形成与太平洋板块的向东俯冲、东非中低纬高原的形成与印度洋海底扩张有关图 3)13。现代 晚白垩纪末图 3 中、低纬高海拔高原位置,现代和晚白垩纪末海陆位置 13F ig.3 Locations ofhigh 2elevation plateaus atm id and lo w latitude,locations of lands and seas in modern and late Cretaceous end periods 现今的中低纬高地是晚白垩纪末(65 106a)以来构造运动和地表剥夷侵蚀的综合结果。根据古地理分析 13,可以大致判断现代高地晚白垩纪末时的自然地理环境和推断当时的地面高程,从而粗略估算高地隆升导致的逆辐射量减少量(降温效应),和对全球地面热能量水平降低的贡献。以下简要计算青藏高原隆升的降温效应。晚白垩纪时,青藏高原北部已经成陆,南部仍为海洋,当时的地面(海面+陆面)平均高程高出海平面有限。青藏高原现今平均高程 4 500m,也就是说晚白垩纪末以来青藏高原隆升了接近 4 500 m。计算高原隆升的逆辐射量减少量时,不考虑由于印度板块推挤,青藏高原向北移动引起的纬度变化,也不考虑大气环流的热能传输影响。假定晚白垩纪末青藏高原的海拔和现今长江中下游平原相当,西藏那曲代表了青藏高原的平均辐射情况,这样根据前述西藏那曲与长江中下游平原的逆辐射量差值 209 103J/(c m#a),可以计算晚白垩纪末以来青藏高原隆升引起的逆辐射量平均减少值。青藏高原面积 213 106km2,晚白垩纪末以来高原隆升引起的逆辐射量总减少值 481020J/a,占青 藏高 原太阳 辐射 总量 26 1021J/a 的1815%,相当于全球接受的太阳总辐射量的 7.1j。假定青藏高原逆辐射量减少值为全球高地的 1/10,全球高地隆升引起的逆辐射量总减少值占地球太阳总辐射量的 7.1j,若考虑大气环流从低地向高地的热能传输补给,全球高地新生代隆升引起的逆辐射量总减少值占地球太阳总辐射量的比例远大于此值。3 构造运动-地貌演化-气候变化图 1中,全球冰川岩和蒸发岩沉积量的变化很好地反映了显生界以来全球气候的变化,寒武纪、泥盆纪和三叠纪蒸发岩沉积量最大,是全球气候的三个温暖期;古生代的奥陶纪、志留纪和石炭纪、二叠纪的界线邻近时期及新生代的第四纪有冰川岩出现,为全球气候的三个寒冷期。如前所述,这三个温暖期向三个寒冷期过渡的时期,分别对应于加里东403第 4期 张信宝,等:高地降温效应与构造-气候旋回运动、海西运动和喜马拉雅运动。以下用/高地隆升的全球降温效应 0理论,解释以上的构造-气候旋回现象。构造运动导致山系隆升和高地的形成,大量山系和高地的隆升,势必导致全球温室效应减弱,逆辐射量的减少,全球降温,气候变冷;构造运动停歇后,隆升的高地和山系逐渐被侵蚀为低地,全球温室效应增强,逆辐射量增加,全球升温,气候变暖。古生代加里东和海西二次强烈的造山运动,形成了北半球统一的劳尔大陆,这二次造山运动在北半球形成的高山和高地,导致全球温室效应减弱,逆辐射量减少,全球降温,贡瓦纳大陆奥陶纪、志留纪和石炭纪、二叠纪出现冰川。中生代以来的喜马拉雅运动导致贡瓦纳大陆分解、非洲和印度板块向北漂移,特提斯海消亡和亚洲青藏高原、帕米尔高原、伊朗高原和土耳其高原及相邻山系的形成和隆升;和环太平洋山系和非洲中低纬地区高原的形成和隆升。这些山系和高地的形成和隆升,造成新生代以来全球波动性持续降温,第四纪南北半球均有大面积冰川出现。4 结语地球如同被玻璃(大气层)包裹的、接受太阳辐射的球体,这层玻璃易于太阳短波的透入,不易于地面长波的散出,起到了很好的保温作用。玻璃越厚,保温效果越好,地球表面的热能量水平越高,地面温度也越高;反之,地面温度越低。构造运动形成的高大山系和高原,大气层薄(玻璃薄),如同散热的/天窗 0,易于地面热能以长波的形式向宇宙散出,逆辐射量低,温室效应差。地球大面积高海拔山系和高原的出现,势必要引起全球降温,气候变冷;随着隆升的山系和高地逐渐被侵蚀为低地,地球表面变得平坦,全球大气层的温室效应增强,全球复又升温,气候变暖。青藏高原的形成,如同地球开了一个散热的/天窗0,对新生代以来全球的持续降温作出了重要的贡献。致谢:感谢刘东生,安芷生院士和张德二研究员的鼓励。参考文献(References)1 L.A.FrankesCli matesThroughoutGeologicalTi me M.ElsevierScientific PublishingCo mpany,1979:1 3102 TangMaocang,Zhu Deqin,GaoXiaoqing.R eview and prospect ofthe research of earthsystem s evolution J.Advance in earth sci2ences,2004,19(1):55 62 汤懋苍,朱德琴,高晓清.地球系统演化原因研究的回顾与展望 J.地球科学进展,2004,19(1):55 623 TangMaocang,GuoW eidong.The great ice age cycles associatedwith the variation ofthe at mospheric heat engine efficiency J.Sci2ence in China(D),1998,28(3):284 288 汤懋苍,郭维栋.大冰期成因的大气热机效率变化说 J.中国科学 D辑,1998,28(3):284 2884 TangMaocang,DongW enjie.A new viewpoint on the causes of f or 2mation ofthe great ice age J.Chinese Science Bulletin,1997,42(14):1203 1205 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shortwaves areeasy to penetrate through the grass into the earth surfaces,but long wave,fro m the earth surfaces are not easy topenetrate through the grass back to the space.At mosphere(the grass)keeps earth war m and the process is calledgreenhouse effec.t The earth surfaces covered with thicker at mosphere layers arewar mer than the surfaceswith thinlayers.The difference of counter radiation between the Tibet Plateau and theM iddle and Lo werReach Plain of theYangtze River is assessed to represent the reduction of counter radiation due to the plateau uplifting.The reductionof counter radiation due touplifting ofmajor high plateaus over the world and its ratio to the total solar radiation onthe earth are also esti mated.Three major procesis of tectonic movement2geo morphology evolution2cli mate changesince Cambrian Period can be reasonably interpreted by the hypothese on/highland effect on cooling the earth0.Tectonic movements result in for mations ofhighmountains and plateaus,which results in cooling the earth.As thehigh mountains and plateaus are eroded to a lo w flat land,the greenhouse effects strengthen and the earth beco meswar m.For mation of the Tibet Plateau likes to open a/skylight0 to release heat and hasmade great contribution tocooling the earth since Cenozoic Era.K ey words:highland;cooling effec;tthe earth;tectonics;geo morphology;cli mate405第 4期 张信宝,等:高地降温效应与构造-气候旋回