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2014-04-01溫鹽環流及其古海洋學研究上的意義
532 期
Author 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。美國哥倫比亞大學拉蒙特–多賀諦地球觀測所（Lamont-Doherty Earth Observatory）的研究員布羅克（Wallace S. Broecker）在1987年提出了一個劃時代的想法，來解釋千年尺度氣候事件的主要機制。首先，布羅克彙整了許多海洋化學的證據，提出地球上有兩個主要的深層水產生區域，一個是在北大西洋，產生的深層水稱為「北大西洋深層水」（North Atlantic Deep Water, NADW）而另一個則是在南極，產生的底層水被稱為「南極底層水」（Antarctic Bottom Water, AABW）。……【更多內容請閱讀科學月刊第532期】
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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）