古里雅冰芯矿物微粒特征及其来源研究.pdf

分类号密级 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 博士后出站报告 报告题目 中文 古里雅冰芯矿物微粒特征及其来源研究 报告题目 英文 T h e C h a r a c t e r i s t i c sa n dP r o v e n a n c e so f 博士后姓名郭治龙 合作导师 学科、专业 姚檀栋研究员 地理学、自然地理学 起止年月2 0 0 4 年7 月一2 0 0 6 年1 2 月 提交日期2 0 0 6 年1 0 月 地址甘肃省兰州市东岗西路3 2 0 号 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 摘要 青藏高原以其高耸的地势产生的热力、动力作用和对大气环流的影响调控亚洲干 旱，半干旱地区的分布及其表面状况。陆地表面的这种变化直接控制着亚洲大气气溶 胶的释放与沉积，进而不可逆地改变地球大尺度的能量平衡。高亚洲冰芯记录了冰冻 圈温度、降水变化和冰川覆盖状况信息。毗邻亚洲干极塔克拉玛干沙漠、位于西风带 主流线上的西昆仑山脉冰川作为青藏高原的冷极，全年受控于西风，在地理位置上起 着承接中亚、联结青藏高原主体、带动东、北亚干旱、半干旱地区，其冰芯微粒组成 特征及其来源的认识能够为亚洲陆面状况变化研究和西风带变迁研究提供重要线索。 大气气溶胶在气候驱动因素占有极其重要的地位。冰芯中的微粒是现代和过去大 气气溶胶记录，是研究沙尘源区和大气环流变化的重要气候代用指标。微粒粒度组成、 矿物组成和形貌特征具有重要源区示踪意义。对古里雅长冰芯进行系统取样分析，该 冰芯微粒粒径分布表明微粒主要由背景粉尘和近源粉尘组成X 射线衍射分析表明，其 矿物组成相对比较一致，主要由石英、长石、云母、绿泥石、白云石、方解石等组成， 表明该冰川自形成以来微粒源区的位置和风向没有发生明显变化。微粒形貌特征研究 表明微粒主要是由局地高山寒冻风化为主的区域微粒组成，同时也在部分层位有冰川 微粒和局地火山微粒，长距离搬运作用的典型风成微粒很少见。因此，古里雅冰芯微 粒源区具有明显的火山活动和冰川作用特征，并以高山寒冻风化为主要风化方式。 通过对近年来的M O D I S 卫星遥感影像和沙尘天气预报模式预报结果分析表明古 里雅冰川现代沙尘主要源区位于昆仑山脉西段的西昆仑山脉与喀喇昆仑山脉之间的 裸露地带以及塔里木盆地西南隅山区，表明青藏高原本身是一个重要的粉尘源区。嗒 里木盆地沙尘与青藏高原的沙尘具有大致相同的沙尘天气过程，主要受西西伯利亚冷 高压东移天气过程影响，但是，塔里木盆地沙尘主要向东移动，向南翻越昆仑山脉沉 降在昆仑山脉的沙尘不占多数。 冰芯微粒数量随冰芯记录的气候变化研究表明，微粒数量与气候之间存在低温高 粉尘．高温低粉尘的特征的规律。这与西昆仑地区的降水来源有关，高温使得西风北 支北移提前、西南季风强盛带来较多的降水，湿润了上述微粒源区；低温使得西风北 支强盛，西南季风萎缩，降水减少，微粒源区沙尘活动活跃。但是，在末次冰期晚期， 即末次冰盛期前期3 7 之4l c aB ．P ．约有1 3 ，0 0 0 年左右的异常现象，即高温高粉尘 3 7 - 3 0 l aB ．P ． 、低温低粉尘 3 0 2 4l aB ．P ． 气候相继出现。对高温高粉尘段冰芯微粒研究表 明，微粒中含有火山微粒，可能是区域火山喷发导致的。低温低粉尘期间，出现冰川 形成以来的最低氧同位素值，温度极低，微粒浓度也为最低值。基于古里雅冰芯微粒 主要来源于上述沙尘局地源区，推测是雪冰覆盖了上述微粒源区引起的。利用遥感影 像对喀喇昆仑山区与西昆仑山脉之间的冰川遗迹U 形谷和冰碛物等冰川遗迹调查研 究表明，青藏高原阿克塞钦西部地区周边山地，冰川末端下限曾达到海拔4 ，6 0 0m 以 下，上述粉尘源区曾经为冰川覆盖、存在过小冰盖。 关键词西昆仑微粒古里雅冰川微形貌末次盛冰期 中国科学院寒区早区环境与工程研究昕博士后出站报告 A b s t r a c t H i g he l e v a t i o nT i b e t a np l a t e a ua d j u s t sl a n ds u r f a c ec o n d i t i o no fa r i da n ds e m i a r i da r e a s i nA s i ab yt h et h e r m o d y n a m i c s ，d y n a m i c sr o l ea n dt h ee r i e c to fa t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n ，a n d t h e na d j u s tt h el a n ds u r f a c ec o n d i t i o na n dt h ea t m o s p h e r i ca e r o s o lp r o j e c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n p a t ha n dd e p o s i t i o n ．T h ec h a n g e a b i l i t yo fl a n ds u r f a c ec a ne f f e c t i v e l yc h a n g et h ee n e r g y b a l a n c eo nal a r g es c a l ei nt h eE a r t h ．a n dt h ee n e r g yb a l a n c eo f t h eE a r t hi su l t i m a t ea n dn o t r e v e r s i b l eo t h e rt h a nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e no c e a na n da t m o s p h e r e ．T h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ep r o v e n a n c eo ft h e i rm i c r o p a r t i c e si nt h eG u l i y ag l a c i e r so nt h eW e s tK u n l u nM o u n t a i n s i so n eo fm o s tb a s i ci s s u e sf o rs t u d y i n ga s i al a n ds u r f a c ec o n d i t i o na n dw e s t e r l yz o n e d e v e l o p m e n t ． T h eg r a i nd i s t r i b u t i o n ．m i n e r a l sa n dm i c r o m o r p h o l o g yo fm i c r o p a r t i c l e sa r ee f f i c i e n t t o o l sf o rt r a c i n gt h e i rp r o v e n a n c e s ．T h eg r a i nd i s t r i b u t i o n so fG u l i y ai c ec o r ep r e s e n tt h a tt h e m i c r o p a r t i c l e si n c l u d et h et w om e m b e r s 。t h a ti s ．t h eb a c k g r o u n dm i c r o p a r t i c l e sa n dr e g i o n a I m i c r o p a r t i c l e s ．1 1 1 em i n e r a lc o m p o n e n t sa r em a i n l yq u a r t z , f e l d s p a r , c h l o r i t e ，b i o t i t e ， d o l o m i t ea n dc a l c i t e ．T h a tt h ef a c tt h a tm i n e r a lc o m p o n e n t sa r en e a r l ys a m ew i t he a c ho t h e r i m p l y st h a tt h ep r o v e n a n c eo fm i c r o p a r t i c u l a t e sa r ec o n s i s t e n tf r o mt h es a m es o u r c e ss i n c e t h eg l a c i e r sa r ef o r m e dw i t h o u to b v i o u sw i n dd i r e c t i o n ．T h ep a r t i c u l a t e si n c l u d ea1 a r g e n u m b e r so ff r o z e nw e a t h e r i n gg r a i n sw i t hs h o r td i s t a n c et r a n s p o r ta n dh a v es o m eg l a c i a l g r a i n sa n dv o l c a n i cg r a i n sa c c o r d i n gt ot h em i c r o m o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ．N oc l a s s i c a e o l i a ng r a i n sb ef o u n dt h a tm a yb et r a n s p o r t e dv i al o n gd i s t a n c eb yw i n d ．T h e r e f o r e ，t h e s o u r c e so fm i c r o p a r t i c l e si nG u l i y ai c ec o r ec h a r a c t e r i z em a i nf r o z e nw e a t h e r i n gw i t ha c t i v e g l a c i a la n dv o l c a n i ca c t i v i t y ． T h er e s u l t sf r o mf o r e c a s tm o d e lo fd u s tw e a t h e ra n dc l o u di m a g e sd u r i n gt h er e c e n t y e a r sp r e s e n tj o i n t l yt h es o u r c e so fm i c r o p a r t i c e si nG u l i y ai c ec o r et h a tm a i n l ys i t u a t e di n b a r ea r e a sb e t w e e nW e s tK u n l u nM o u n t a i n sa n dK o r u mK u n l u nM o u n t a i n s ，i n c l u d i n gt h e s o u t h w e s tm o u n t a i n sa d j a c e n tt oT a k a l aM a k a nd e s e r t ．T h e r e f o r e ．t h eT i b e t a nP l a t e a ui sa n i m p o r t a n td u s ts o u r c e sa n dt h ed u s ti nT a r i mb a s i nm a i n l ym o v et o w a r de a s ta n dh a v e s e l d o mc h a n c et ob et r a n s f e r r e du Dt oG u l i y ag l a c i e r s ． T h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c u l a t ec o n c e n t r a t i o ni nt h ei c ec o r eh a st h el a wt h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r es t a g er e s p o n d e dt ol o wc o n c e n t r a t i o nd u s ta n dt h a tt h el o wt e m p e r a t u r es t a g e r e s p o n d e dt oh i g hc o n c e n t r a t i o nd u s t ．H o w e v e r , t h e r ei st h ea b n o r m i t yh a p p e n e di nt h el a t e l a s tg l a c i a lp e r i o da b o u t3 7 - 2 4k aB ．P ．a n dt h ea b n o r m i t ye v e n t sl a s tf o r1 3k a ．T h ec l i m a t e o fh i g ht e m p e r a t u r ew i t hh i g hd u s tc o n c e n t r a t i o nh a p p e n e df r o m3 7k at o3 0k aa n dt h e c l i m a t eo fl o wt e m p e r a t u r ew i t hl o wd u s tc o n c e n t r a t i o nl a s tf o rf r o m3 0k at o2 4k a ．T h e p a r t i c u l a t e sd u r i n gh i g ht e m p e r a t u r ew i t hh i g hd u s tc o n c e n t r a t i o ni n c l u d e ds o m ev o l c a n i c g r a i n sw i t hh i g hs u l f a t ec o n c e n t r a t i o na n ds t r o n gf l u c t u a t i o no f c o s m i cr a yf l u x ，t h e r e f o r e ， t h a tm a yb eb r o u g h tb yv o l c a n i ce r u p t i o n ．1 r h a tt h el o w e s tv a l u e so f6 ”Oi nt h ei c ec o r ea t a b o u t3 0 2 4 k aa c c o m p a n yw i t hl O w c s td u s tc o n c e n t r a t i o ni m p l yt h a tt h eu n p r e c e d e n t e d s n o w ／i c em a yc o v e rt h ep a r t i c u l a t es o u r c e s ．M a n ym o r a i n e si nt h e1 0 w e rr e g i o n sn e a rt h e 4 ，6 0 0ma ．s ．1 ．c a nb ei d e n t i f i e df r o ms a t e l l i t i ci m a g e si m p l yt h el i t t l ej c ec a pi sp o s s i b l et o b ed e v e l o p e d ． K e yw o r d s W e s tK u n l u nM o u n t a i n s ，m i c r o p a r t i c l e s ，G u l i y aG l a c i e r , m i c r o m o r p h o l o g y , l a s tg l a c i a lm a x i m u m L G M l 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 绪论 长期以来，全球正在变暖还是变冷，一直是地球科学领域以及社会关注的 焦点话题。1 9 3 9 ～1 9 7 5 年北半球的持续降温0 ．6 ℃，加上7 0 年代初的几个多雪的北 美严冬，再加上米兰科维奇气候变化理论的重新确立，以及1 9 7 9 年“全球变冷” T h eC o o l i n g - - 书的问世【P o n t eL ．，1 9 7 9 】，使“冰期来临”成了7 0 年代末的头版新 闻。大约1 0 年以后，几个干热的北美夏天，加上科学家们对大气模拟技术及结果 的过度热心，C 0 2 增加导致的“全球变暖”又成了世界最引入注目的新闻．1 9 8 8 至1 J 1 9 9 8 年的l O 年，全球气温仍呈上升趋势。1 9 8 8 年曾在美国国会为“全球变暖”作证 的H a n s e nJ ．[ H a n s e nJ ．e ta 1 ．，1 9 8 8 ] 变成了气候系统无序性理论的倡导者。联合国 气候变化报告也在微妙地改变用词，例如，1 9 9 0 年的报告称人为的C 0 2 增加所 导致的全球变暖已得到了广泛的认可；而1 9 9 6 年的报告则显得十分含糊其辞 【S i n g e rS ．F ．，1 9 9 9 】。也许，人类所导致的大气C 0 2 增加真的使全球正在变暖，但 目前所有的证据仍不具有强有力的说服力。冰芯资料表明，过去2 5 0k a 来C 0 2 和 温度的因果关系是不确定的，C O2 的变化有时先于温度的变化，有时温度的变化 先于C 0 2 的变化【D a n s g a a dW ．，1 9 9 3 】。尽管C 0 2 的温室效应是无疑的，空气中水汽 的温室效应也十分重要，地球科学界目前对水汽的温室效应的时空规律的理解 却十分肤浅[ B r o e c k e rW ．S ．，1 9 9 7 ] 。上述关于地球是变暖，还是变冷，还足无序 变化的“瞎子摸象”式的预测反映出地球科学界对于“地球环境一气候系统”的整体 认识上存在重要不足之处． 地球科学家对“地球环境一气候系统”演变规律的系统认识主要来自大量的深 海和冰芯钻孔资料，陆地湖相和风成沉积序列 如中国的黄土 使这些认识更加 全面，尤其是米兰科维奇天文理论的确立，即“地球环境．气候系统”的长期变化 随日．地相对位置的变化而变化。然而，即使是长周期的变化，仍有1 5 - 2 0 ％的变 化没有得到解释。至于中短周期的变化规律和机制，目前仍是众说纷纭．例如， 千年．百年周期的突变气候事件的证据广泛分布在北大西洋及周围地区，新近有 不少来自其它地区的报导也支持北大西洋的证据，即“北大西洋中心论”。“北大 西洋中心论”称，北美大冰盖在哈德逊湾跃动性地向北大西洋倾泻冰山，北大西 洋洋面温度因此而下降，至少北半球的大气环流系统被其深刻地影响f B r o e c k e r wS ．，1 9 9 7 】。这些突变气候事件目前被称为全球事件，或至少是北半球事件。但 是，S t o c k e r T ．F ．n 9 9 8 ] 指出，“北大西洋中心论”的统治地位很可能是由于第一批 古气候的学者都住在北大西洋周围。C a n eM ．A ．『1 9 9 8 ] 认为千年周期的厄尔尼诺 波动可能产生比北大西洋洋面温度波动多3 ～5 倍的能量，这些能量能有效地通过 E N s O 很快地传至北半球或全球。他的模拟结果[ C a n eM ．A ．1 9 9 8 ] 显示，北美大 冰盖的进退与厄尔尼诺长周期波动关系甚为密切。那么，北美大冰盖是否起着赤 道太平洋和北大西洋之间物质及能量交换的桥梁作用 即。也许赤道太平洋控 制着北美大冰盖的动力状态，而冰盖的动力状态控制着北大西洋洋面的温度，而 整个北半球可能受二者 赤道太平洋和北大西洋 的共同影响。北美大冰盖向北大 西洋倾泻冰山使得北大西洋洋面温度下降也只是能量的时空位移，早期储存于 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 冰盖的负潜热以后释放于北大西洋，即大规模的能量平衡是比较稳定的．换句 话说，降雪过程从大气吸收的负潜热在冰山融化过程中又归还于大气。海洋中层 水和深层水的环流十分迟钝地反映着地球表层能量的变化，海洋的表层与大气 十分紧密地耦合在一起，海洋一大气的耦合能够有效地传递能量、敏感地反映着 地球表面的能量变化[ A l l a nR ．e ta 1 ．，1 9 9 6 1 。在厄尔尼诺盛期 E lN i n o 东太平洋发 生能量过剩，而西太平洋发生等值的能量亏损；在拉尼娜盛期 L a N i n a 能量的过 剩发生在西太平洋，而能量的亏损发生在东太平洋【C l e m e n tA ．，1 9 9 9 ；N e e l i nJ ． D ．，1 9 9 8 】。 虽然科学家们早已认识到了陆地与大气的密切耦合及其对地球表面能量变 化的敏感反应【N i l s s o nT ．，1 9 8 3 ] ，但最近2 0 3 0 年陆地得到科学家的注意力仍然 很有限。深入的小尺度 1 0 0k m 2 的研究成果也没有及时地被大尺度的气候模拟 所采用，因为小尺度的动力规律多不适用大尺度的动力规律【R o o tT ．L ．，1 9 9 5 ； P i t m a nA ．J ．，1 9 9 5 】。但是，陆地表面的易变性会更有效地改变大规模的能量平衡。 与海洋．大气相互作用相反，对气候反应敏感的陆地表面对能量平衡的控制是终 极的。例如，1 9 9 3 1 9 9 4 年冬天北美大范围长时期的雪盖使该冬天异常的寒冷，使 1 9 9 4 年的春天迟来了近1 个月，使加拿大北部的春温下降了2 0 c 以上『R o b i n s o ne t a I ．，1 9 9 9 】。欧亚大陆北部的雪盖面积及其历时对西伯利亚．蒙古高压的强度及其 与太平洋的能量交换【A l l a nR ．，1 9 9 6 1 有重要影响。青藏高原上雪盖面积可能同欧 亚北部的雪盖面积具有基本同步的变化，对欧亚大陆北部的雪盖面积的气候效 应具有策应作用。例如，西伯利亚．蒙古高压的强度与位置能够强烈地影响东亚 冬季风的强度、路径以及亚洲干旱半干旱区的面积和植被覆盖状况等。青藏高 原高原则强化和放大了这种作用，甚至是先兆区。由雪盖剧烈增大导致的能量 亏损是终极的，因为反射回空间的能量再也不会回来了。因此，欧亚大陆或青藏 高原陆面雪冰覆盖状况的改变可能会“终极”地改变地球表面的能量平衡【R i n d D ．，1 9 9 3 】。 青藏高原下垫面的变化直接与太平洋气团、印度洋气团及西伯利亚一蒙古气 团相互作用，使东亚季风气候形势更为复杂【A l l a nR ．，1 9 9 6 ；O v e r p e e kJ ．，1 9 9 6 ； O v e r p e e kJ ．，1 9 9 8 】。冰期时，青藏高原为主的高亚洲干寒区在冰期时可能是中亚 粉尘源区的一个重要组成部分【姚檀栋等，1 9 9 5 ] 。一方面，更多的粉尘被送入大 气，大气浑浊度提高，对太阳辐射的阻挡增加。即阳伞效应，使气候变冷，冰川 扩展 H a r v e y ，1 9 8 8 ，粉尘增多可以形成更多的凝结核，也能减少增加地球大气 对太阳辐射的阻挡 “凝结核假说” 。当大量的粉尘沉降到海洋时，由于粉尘中可 溶性铁元素在表层海水中的增加，可促使有孔虫的生产率增加，从而更多地吸 收大气中的C 0 2 ，使其浓度降低也导致气候变冷 “铁假说” 。另一方面，由于大 气粉尘的增加，高纬地区冰川表面的反射率被降尘所降低，冰川很可能由此而退 缩，冷期也可能由此而结束。大气气溶胶将太阳活动、大气和海洋系统以及固体 地球等非线性复杂运动变化过程的有机地联系了起来。由亚洲大陆和北美中西 部组成的全球中纬度温带干旱区是现代地球表层最具特征的非地带性景观，面 n 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 积约5 7 0 万平方公里，占全球干早区面积的2 2 ．8 ％。温带干旱区的范围在过去发生 过巨大的变化，在冰期时，中国干旱和半干旱区向南推进8 个纬度达到长江以南 地区 安芷生，1 9 9 0 ，向东推进2 0 个经度扩展到1 2 5 0 E ，空间距离近千公里．随着 干旱区的大范围扩张，可能会产生大量的粉尘。这些粉尘在冰期的产率比间冰期 多几倍甚至几十倍，从而多方面影响地球系统的变化。青藏高原本身也是作为地 球上最有效的向大气输送粉尘的源区。 青藏高原陆面的变化通过影响亚洲干旱半干旱区粉尘的释放可能能够改变 整个地球能量的分布。青藏高原气候变化的驱动力在驱动其它大气粉尘源区时 空变化的时候是怎样变化的 是否真的是其它粉尘源区开关的钥匙和放大器 如果是，那么它将直接开启或者关闭青藏高原、蒙古高原和黄土高原亚洲重要 的粉尘源区。对于高亚洲冰J l I 覆盖范围等基本问题至今仍存在诸多争论，以施 雅风为代表的中国学者主张青藏高原在末次盛冰期不存在大冰盖，K u h l eM ． 1 9 8 7 ，1 9 8 8 的主张则恰恰相反。目前的证据倾向于前者，假若不存在大冰盖， 那么高亚洲冰川覆盖范围有多大 青藏高原面上会是什么样的覆盖类型[ F e n g Z ．D ．，1 9 9 8 ] 不论怎么说，末次冰盛期的冷的气候特征确实很明显．冰芯记录 的温度与降水能够为冰川覆盖状况恢复研究提供连续的气温与降水证据，冰芯 微粒则从沙尘源区发育状况等提供另一方面的冰川覆盖范围证据，为粉尘源区干 旱度、源区面积、粉尘传输路径、大气环流方向等提供重要研究线索。毗邻亚洲 干极塔克拉玛干沙漠的西昆仑山脉冰川作为青藏高原冷极更是起到承接中亚和 联系青藏高原主体、带动亚洲干旱半干旱带等地区的龙头，它的冰芯微粒组成、 来源以及可能的环境意义很值得做一探讨。 I l l 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 第一章冰芯微粒研究现状 第一节大气气溶胶在气候中的作用研究 大气气溶胶是气候驱动因子的重要组成部分。气溶胶微粒约占大气质量的 1 ／1 0 9 ～1 1 1 0 6 ，即p p b 到p p m 级，其中不溶微粒约占大气气溶胶的1 5 ％[ P y e ，1 9 8 7 1 。 是大气中的微量成分．大气气溶胶在全球各圈层的物质与能量循环中有重要的 作用，它对全球气候的主要作用包括其对太阳辐射的反射和散射、对海洋微生 物的养分供给和对降水的影响。大气气溶胶可分为有机的和无机的，前者包括 藻类、菌类、孢粉与花粉等，后者包括地壳源尘埃、宇宙尘埃、火山灰等。不 溶微粒 I n s o l u b l eM i e r o p a r t i c l e s 又被称为矿物气溶胶 M i n e r a lA e r o s 0 1 或狭义上 的粉尘 d u s t 。关于冰期．问冰期旋回气候变化“铁假说”认为大气中铁主要以二 价存在，当粒径小于0 ．4 1 a m 的大陆风化产物中铁和其它矿物质通过大气运输进 入开放海洋，大气总铁的1 0 - 5 0 ％进入海洋便溶解，二价铁可以直接作为海洋生 物的营养物。大气传输的铁营养物是河水的3 倍，是海洋铁的主要提供者。对世 界多数海域来说，海洋生物所需的铁是明显不足的，因此铁是海洋生物生产率 的一个重要限制因素．大气铁随沙尘暴的发生具有明显的阶段性．沙尘暴通过 铁的提供量控制海洋生物生产率。从亚洲陆地的干旱区裸露的地表吹扬起大量 的风尘，落入海洋，粉尘携带的铁等元素提高生物生产率，而微生物的繁殖需要 大量吸收大气中的C 0 2 ，从而导致海洋对大气C 0 2 吸收的增加，促使全球温度下 降。反之，促使全球温度上升。另外，凝结核假说认为大气中粉尘颗粒的增加有 助于凝结核的增加，凝结核的增加使大气对太阳辐射有反射作用，使地球接收的 太阳辐射减少，从而引起全球降温；反之大气粉尘的减少，引起凝结核的减少，增 加太阳的辐射增加，引起地球升温。 大气气溶胶自身对太阳辐射的散射、反射和吸收作用统称为“直接辐射驱 动”。同时，大气气溶胶能够作为凝结核、形成云滴进而对大气层顶部 T O A T o p ．o f - A t m o s p h e r e 进入地表的通量也有影响作用大气气溶胶的增加导致 云滴数量浓度的增加。云滴数量浓度的增加使得云对太阳辐射的反射 到空间的 增加，导致地球降温，即气溶胶的“第一间接辐射驱动”。“第～间接辐射驱动” 可以导致进入地球的太阳辐射N { N - 5 W m ～[ R a m a n a t h a ne la 1 ．，2 0 0 1 】。大气气溶胶 使得云层的降水效率降低、增长云的存在时间以及相应的云量的增加。云量的 增加导致对太阳辐射进一步的反射，即“第二间接辐射驱动”。对于单个颗粒而言， 散射反射率是其最重要的辐射特征。一个控制单个颗粒对太阳辐射的散射和吸 收的重要参数是气溶胶的单个散射反射率S S A S i n g l eS c a t t e r i n g A l b e d o ，它是指 散射和吸收总数中散射的比率。“ l o o n 等 1 9 8 1 认为，单个散射反射率的I } 缶界值 是O ．8 5 ；若小于O ．8 5 ，气溶胶使地表变暖。黑碳在可见光波段的S S A 约为O ．2 ， 而硫酸盐气溶胶则为I 左右。对流层的总气溶胶物质中，有高达6 5 ％的成分是 硫的化合物和海洋粉末 S e aS p r a y ，它们的单个散射反射率都高于临界值。北半 球大多数气溶胶的S S A 在0 ．8 5 到O ．9 5 之间。如果S S A 超过O ．9 5 ，气溶胶将产 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所博士后出站报告 生净的负T O A 驱动 即净降温 ，而S S A 小于O ．8 5 ，将产生净的正T O A 驱动 即 净增温 。对于中间状态的S S A ，净效应可以从负驱动转变为正驱动，这取决于 云量分布 C l o u dF r a c t i o n ，地表反射率以及气溶胶和云的垂直分布。 粉尘微粒的颜色、大小、形状和化学组成强烈地影响着粉尘的行为和气候 效应，其在陆地表面和海洋表面的气候效应也不一样。矿物粉尘有不同的颜色。 深色的微粒吸收大量的太阳辐射而其散射效果则相对较少，所以它们趋向于使 空气变暖。而明亮的颗粒则反射较多的太阳辐射到外太空，故具有致冷效应． 尽管粉尘中的铁氧化物 主要是赤铁矿和针铁矿 矿物含量很低 黑体中赤铁矿含 量在O ．2 ％左右 【J ie ta 1 ．，2 0 0 2 1 ，但铁氧化物 特别是赤铁矿 在紫外和可见光波段 对太阳辐射有很强的吸收作用。而且易与粉尘中的粘土矿物等结合增强其在红 外波段的吸收性。在粉尘微粒的矿物组成及其光学性质的研究中，铁氧化物被 作为主要矿物进行了研究【S o l o l i ke ta 1 ．，1 9 9 8 ；S o k o l i ke ta 1 ．，1 9 9 9 1 。 干旱、半干旱区向大气输送含铁粉尘。这些粉尘沉积于海洋，控制了海洋的 铁化肥供给【B r o e c k e r ，1 9 9 8 】。铁化肥的供给控制着浅水中的固氮过程，固氮过 程控制着浅海的植物生产量，而植物生产量通过储存碳和沉积碳 碳酸钙 来控制 大气中的C 0 2 浓度[ M a r t i n ，1 9 9 0 ；W a t s o ne ta l ，1 9 9 9 ；W a t s o ne ta l 。2 0 0 0 1 。冰期时的 陆源粉尘供给的增加提升了中低纬海洋浅水的植物生产量，植物生产量的提升 使得更多的C 0 2 储存于植物体中或沉积于碳酸钙中，导致大气中的C 0 2 浓度水 平的下降。太平洋海盆中4 0 ％的表层海水为高营养低叶绿素 H i g h ．N u t r i e n tL o w C h l o r o p h y l l ，H N L C 的海区。根据“铁假说”，在H N L C 海区中加入铁，可以促进 浮游生物的生长，加速碳从海洋表面向深部的输送，从而降低大气中的 C 0 2 [ M a r t i n ，1 9 9 0 】。1 9 9 3 年、1 9 9 5 年和1 9 9 9 年。在太平洋和南大洋进行了海水 加铁实验[ M a r t i ne ta 1 ．，1 9 9 0 ；C o a l ee ta 1 ．，1 9 9 6 ；B o y de ta 1 ．，2 0 0 0 】，这3 次实验证实 了加铁可以促进浮游植物生长 在1 9 9 6 年的实验中加入1 0 0 0 磅的铁可以使得4 百万磅的植物生长 ，降低海洋中的C 0 2 分压，但由于实验时间较短，还不足以 证实可以导致大气C 0 2 浓度水平的降低。最近的模拟实验表明南大洋在过去的 冰期中，铁离子使得光合作用增强而消耗大量的大气C 0 2 ，使得对大气C 0 2 减 少的贡献有一半的作用【W a t s o ne ta l ，2 0 0 0 】。在V o s t o k 冰芯记录中，冰芯C 0 2 的 低浓度与粉尘的高浓度是相对应的，其间的联系可能在于大气粉尘对海洋铁的 加入[ P e t i te ta 1 ．，1 9 9 9 】。但是，粉尘减少的原因尚不明了【R e d g w e l le ta 1 ．，2 0 0 2 1 。 全球最大的和最长久的粉尘源区位于北半球的“干旱半干旱地区的粉尘带”， 包括北非、中东，中亚 狭义 、南亚，直到中国 P r o s p e r oe ta 1 ．．2 0 0 2 。源于该带 的粉尘传输路径主要有两条，一条是从北非的S a h a r a 和S a h e l 传输到西南欧、 大西洋和美洲大陆，另一条是从中亚传输到亚洲东部、北太平洋、北美西部直 至格陵兰。中亚粉尘地区 包括我国西北干旱区、青藏高原、黄土高原 是全球大 气粉尘的重要来源，也是北太平洋和格陵兰粉尘沉积的主要源区f G a oe ta 1 ．，1 9 9 2 ； B i s e a y ee ta 1 ．，1 9 9 7 ；B o r ye ta 1 ．，2 0 0 2 】。M a h o w a l d 等模拟了现在和末次冰盛期时 的全球大气粉尘变化，也强调极地大气粉尘的增加依赖于高纬地区和中亚地区 中国科学院寒区旱区环境与丁程研究所博士后出站报告 荒漠面积的扩展[ M a h o w a l de ta 1 ．，1 9 9 9 ] 。源于中亚地区的粉尘经过搬运 西风、冬 季风等 ，可以在不同的地点以不同的方式沉积下来，从西向东，其典型的沉积 类型包括毗邻源区的山地冰芯 姚檀栋等，1 9 9 5 、黄土／红粘土【刘东生等，1 9 8 5 P o r t e ra n dA n ，1 9 9 5 】、湖泊【X i a oe ta 1 ．，1 9 9 9 ] 和北太平洋的深