首页 热点 资讯 行业 财经 国内 商业 生活 快讯

寻找二十多年前地极漂移显著转向原因 是否仍是陆地水储量变化引起的呢?

国内 来源:北京日报      时间:2021-06-17 10:03:07

刘苏峡中国科学院地理科学与资源研究所刘苏峡研究团队近日在《地球物理研究快报》发表最新成果,揭示了全球冰川加速消融造成的陆地水储量加速流失与发生在20世纪90年代中期地球极移加速向东漂移的联系,国外多家知名媒体对此项研究成果进行了采访报道。本报特约刘苏峡研究员撰文向读者揭秘这项研究。

1 努力求解神秘的地极漂移转向

地球的转动包括公转和自转。根据米兰科维奇理论,地球绕太阳的转动节律并不是亘古不变的,例如地球公转轨道进行着由椭变圆,再由圆变椭的运动,周期约为10万年。

地球由西向东的自转,其速率和方向也处于变化之中。地球自转方向的变化常用地球自转轴的方位相对于地球参考框架的矢量变化来表示,即极移。极移也可以理解为我们通常所说的北极(南极)位置的变化。

长期的天文观测和现代空间大地测量技术为人们认识极移提供了支撑。以0.05年为时间间隔的极移观测记录始于1900年。随着科学技术水平的提高,极移的观测精度不断提高,迄今已达0.1毫弧秒,约等于赤道位置的3毫米弧长。

如果说地球转动的大多数变化藏着地球环境万年尺度变化的密码离我们还十分遥远,那么地球极移的变化,则因为包含与当今全球变化脉搏一致的足迹,已经引起了人们越来越多的注意。

研究发现,地球自转方位除了进行以周年和钱德勒频率为周期的圆周运动外,北极的平均位置一直在沿着大约西经70°的方向缓慢地向南长期漂移(简称极移)。这一缓慢的长期漂移一般被认为是由于冰后回弹、板块运动和其他固体地球内部的质量迁移所引起的。

如果只是这样一个单纯的南移,而且缘由已是如此清晰,那么故事就没有下文了。但非常有趣的是,极移在南移过程中,竟然出现了转向。2013年美国科学家J.陈等发现,在2005年前后,北极漂移的方向发生了很大的变化,从原来沿西经约70°的向南方向突然转向,开始向东方向漂移,而且平均每年的漂移速度也明显加快。他们解释这一突变有两层科学意义。首先,固体地球内部质量迁移的时间尺度一般都很长(几千年到上万年),而北极漂移突然转向的动因显然不是由于固体地球内部的质量迁移,而更有可能是由于地球表面气候系统(大气、海洋、陆地水和冰圈)内的质量迁移。其次,这一转向的时间(2005年前后)也非常特别。各种卫星观测尤其是GRACE卫星重力观测表明,由于全球气候变暖,从2005年和2006年前后开始,格陵兰岛和南极冰川的融化明显加速。但此转折到底是什么引起的呢?

根据GRACE卫星重力观测资料,J.陈等人很欣喜地发现,这一北极漂移的向东转向主要是由于南北两极和山地冰川融化的加剧和相应的海平面上升所造成的。这项研究为观测到的北极漂移的突变提供了一个合理的解释,也推动了人们对极移转向的更多研究。2016年,阿迪卡里和伊文思获得又一结论,他们采用GRACE卫星重力观测资料反演的陆地水储量数据,得出全球干湿交替是2012年极移方向发生转折的重要原因。

细心的读者会发现,这些获得解释的极移方向转折点都发生在2002年以后。这和2002年美国宇航局和德国航空航天中心联合发射的GRACE卫星和后续卫星GRACE-FO的发射时间不无关系。GRACE为全球提供了陆地水储量变化观测数据,也为科学家们对2002年之后的两次极移转向解释提供了有力的数据基础。

事实上,在此之前极移已经历过转向。2009年,格罗斯和波塔宁注意到极移在20世纪90年代中期发生漂移转向,罗伊和珀尔帖于2011年猜测这可能是由陆地水储量变化引起。但因为此转向发生在2002年之前,缺乏陆地水储量观测数据,此转向的变化原因仍未定论。

2 寻找二十多年前地极漂移显著转向的原因

准确识别转折点是探索的第一步。根据角动量守恒原理,由日月引力造成的海潮和大地变形、洋流和风的运动、大气压变化、陆地水储量变化、冰川消融、地震和洋底压力变化等等都会引起极移,这也导致了极移的轨迹纠缠交错,难以辨析。我们通过专业的方法解析,判断出在1981年1月至2020年6月期间,最显著的极移转向其实是发生在20世纪90年代中期的转折。

这么重要的转折,是不是仍然是陆地水储量变化引起的呢?

如前所述,此转向发生在GRACE卫星发射之前,我们不能和2002年之后发生的那两次地极漂移转向一样,直接采用GRACE反演的实测陆地水储量来分析和解释。那该如何破解这道“无米之炊”的难题?

这是典型的缺资料条件下如何开展预测的全球性难题。国际水文科学协会曾于2012年启动了一个名为无(缺)资料流域水文预测的国际水文十年计划,花了整整十年全力攻坚。根据巧妇在无米困境下如何做炊的类比,我们提出了“借”“替”和“种”三元方法论。

根据复杂的专业计算方法,我们遴选出计算陆地水储量的相对较优方法,并通过订正,计算得到了GRACE之前的陆地水储量数据。

然而如何判断这套校正的陆地水储量结果正确与否呢?

我们产生了一个重要的想法——极移!采用极移来验证重构的陆地水储量,这想法迄今还没有人尝试过。需要首先对复杂的极移进行分离。通过从观测极移激发中分离出大气、海洋、固体地球变化获得剩余激发,发现我们重构的陆地水储量的激发在20世纪90年代中期之后与剩余激发方向非常一致。但是在这之前方向不一致。

通过观察,不一致发生的区域多数落在全球的冰川所在区域,我们采用全球主要冰川的消融数据,进一步校正我们重构的陆地水储量数据,研究结果令人十分鼓舞。这套再校正后的陆地水储量变化表现优异,它和大气、海洋、固体地球变化一起完美激发了1981年以来的观测极移。

3 冰川加速消融“激发”极移东漂

美国地质调查局的科学家调查发现,气候变暖导致阿拉斯加州基奈山脉的金刚狼冰川体积持续下降,其融化速度已经超过了新形成冰雪的积累速度。

这个研究结果具有“一箭双雕”作用。一方面,极移被创新性地用来完成对重构的陆地水储量进行验证的任务,解决了“巧妇”面临的“无米还要做炊”的无实测资料怎样做验证的难题。

另一方面,它给出了20世纪90年代中期极移发生突然东漂的解释。结果显示,全球主要冰川区,包括格陵兰岛、南极洲、阿拉斯加、南安第斯山脉、高加索等地区的冰川加速消融和在20世纪90年代中期发生的极移转向存在紧密联系。上述冰川地区的陆地水储量在此转折点后较其平均的下降趋势更平均额外减少48毫米/年,推动极移约向东经26°方向漂移,漂移速度为3.28毫弧秒/年。

相对来说,人们从气压、风、洋流和大洋底部压力等研究地球自转变化的成果相对丰富,而质量再分布,特别是陆地水储量再分布对地球自转变化(主要是极移)的作用在早期研究较少,得到的初步结论是作用不显著。在前人对GRACE卫星发射之后发生的极移转向的解释基础上,这项研究进一步发现陆地水储量变化也是极移在20世纪90年代中期从南移改为东漂的主要原因,证明水文对极移的激发作用不可忽视。

迄今人们对水质量变化与极移关系的认识主要是通过全球陆地水储量变化对地极变化的激发实现的。这项研究再现全球各大冰川加速消融区的水储量变化对极移趋势转折的显著贡献。结合我们之前的关于亚马逊流域的水质量变化指标和极移在突变点、趋势和周期方面都存在密切联系的研究结果,表明区域水质量变化与极移的关系值得进一步探索。

这项研究展示了气候变化驱动的陆地水质量变化与极移的联系,也展示了气候变化和极移的关系的研究前景,有助于深入理解气候变化影响,更好地预测和应对未来气候变化。

(作者为中国科学院地理科学与资源研究所研究员、博士生导师,中国科学院大学资源与环境学院/中丹学院岗位教授)

新闻速递

精彩放送