轨道变化控制着季风周期

当今地球上最荒凉的地方之一是埃及南部极度干旱的苏丹。干风吹床单和沙丘几乎没有生物在那里生存。但卫星照片和热感测设备的图像显示，地下有溪流和河流的痕迹，它们曾经从东非高地水源丰富的地区向东流入尼罗河，向北流入。一次,这沙漠地区它是绿色的，有宽阔的草地和绿树成荫的水道，鳄鱼、河马、鸵鸟和犀牛生活在那里。它们的骨头在干涸的河流沉积物中被发现，现在被一层薄薄的沙子覆盖。

事实上，撒哈拉沙漠的整个南部边缘曾经是绿色的，现代萨赫勒地区的草原比现在更靠北，大湖点缀着该地区。现在位于利比亚南部的乍得湖是目前该地区最大的湖泊，但根据新沉积的湖泊沉积物和湖波切割到周围岩石上的凹槽的证据，不久以前它的规模是现在的十倍。北方的游牧部落北非沙漠讲述他们祖先时期比较潮湿的故事。

直到25年前，地质学家还在为撒哈拉南部的大面积绿化寻找解释。大多数早期的尝试都将这段潮湿的时期与北方冰盖的存在联系起来。当时流行的假说认为，冰盖干扰了大气的正常循环，使潮湿的风向南吹进了今天它们无法到达的地区。据推测，中纬度的风暴轨迹位于更南的地方，给干旱的中部带来降雨撒哈拉沙漠还有更远的南方草原。这种解释过去似乎对美国西南部干旱盆地中湖泊的存在起了作用(事实上现在仍然如此)，它也被用来解释在北非发现的类似气候变化。

然而，在这种情况下，一个非常合理的解释被证明是错误的。到20世纪60年代和70年代，随着放射性碳测年法的发现和应用，北非湖泊沉积物的最早可靠日期出现了，湖床的年代并不是冰原最大的时期，也就是近2万年前。相反，它们的年龄接近一万年前，那时北方大陆的冰几乎完全消失了。不可避免的结论是，大冰盖并没有造成湖泊的填充。

一些科学家随后提出了完全相反的观点，他们认为，在温暖的间冰期气候期间，湖泊的水位之所以更高，是因为冰盖的消失及其对气候的冷却作用使大气能够容纳更多的水分，从而使雨水充满湖泊。raybet雷竞技最新但这个建议从一开始就注定要失败。它没有解释朝鲜大部分地区为何如此非洲湖泊在过去五千年里干涸了。因为在这段时间内没有出现冰盖，所以北部冰盖不可能是最近干燥趋势的原因。

到目前为止，所有关于非洲湖泊水位与冰原有关的解释实际上都陷入了死胡同。撒哈拉南部沙漠变绿的原因肯定在其他地方。事实证明，答案就在热带地区——头顶上的太阳。1981年，气象学家约翰·库茨巴赫(John Kutzbach)提出了一个简单的解释，让其他科学家都后悔当初没有想到这个解释。他的假设是基于现代潮湿的夏季风，这种现象是北非大部分地区降雨的主要原因。对我们大多数人来说，“季风”这个词会让人联想到印度和东南亚的暴雨景象，那里是世界上季风最强的地区。但北非有自己的季风，它在撒哈拉沙漠以南广阔的萨赫勒地区运作。北非季风带来了夏季降雨，使草和一些树木在沙漠南部的稀树草原上生长。在冬天，雨水停止，土地干涸，但草自然地适应季节性降雨和漫长的旱季。北纬17°以北是极度干旱的撒哈拉沙漠，夏季都无法到达雨季来自南方和北方的冬季风暴。

库茨巴赫简单而优雅的见解是，萨赫勒地区和南撒哈拉地区以前广阔的湖泊和草原的存在，可以简单地通过加强现代夏季季风模式，并带来更大范围的降雨来解释。为了解释这种增强现象，库茨巴赫提出了驱动现代季风的相同物理过程:强烈的太阳照射使大陆升温(图5.1)。陆地表面的加热使上面的空气变暖，受热的空气上升(就像在热气球里一样)，因为它膨胀，密度降低。当热空气上升时，它在地表留下一个由向上的空气损失造成的低压区。为了弥补这一不足，空气从附近地区进入。如果附近有海洋，进入的空气中就含有从海面蒸发出来的水蒸气。来自海洋的含湿空气的到来为潮湿的夏季风奠定了基础。

因为潮湿空气流从海洋进入，它被加热，并在热大陆块上方加入向上流动。但随着上升的空气穿透数十公里进入较低温度的大气，它会冷却。冷却的空气不能容纳太多的水分，水蒸气就凝结成微小的液滴

热地表

5.1.热带季风是由22000年的轨道周期中夏季太阳辐射的变化所驱动。间隔期的强辐射会产生强烈的季风雨，使热带湿地饱和，并产生大量甲烷(CH4)排放。

热地表

5.1.热带季风是由22000年的轨道周期的夏季太阳辐射变化驱动的。间隔期的强辐射会产生强烈的季风雨，使热带湿地饱和，并产生大量甲烷(CH4)排放。

云和雨滴落回地面。每年夏天，在中纬度地区，你都能看到这个过程积雨云它们在加热的大陆板块上方形成，通常以散云的形式带来午后阵雨。在热带，这个季风环流更为广泛和持久。由于正午的太阳加热，许多地区每天下午和晚上都有大雨。

这就是夏天的基本操作季风是很简单:强太阳辐射例如，陆地的强烈加热，海洋空气的涌入，以及季风性降雨。在冬天，一切都完全相反。太阳变弱，陆地变冷，上面的空气变得密集并下沉，下沉的空气是干燥的。这种环流也被称为季风——寒冷干燥的冬季季风。正是由于这个原因，冬季在热带地区是干燥的季节。

库茨巴赫的假设直接建立在对现代季风的了解之上。由于夏季比冬季更强的辐射是现代夏季风的原因，他推断过去夏季比现代太阳辐射更强的时间间隔应该推动了更强的夏季风，并充满了北非的湖泊。而且夏季太阳辐射值高于今天的时间间隔在过去曾多次发生。

太阳辐射热带在轨道时间尺度上是由22000年的周期控制的轨道进动(第3章)。目前，夏季辐射处于该周期的最小值，这意味着我们的现代夏季季风也必须接近他们的最低长期力量。库茨巴赫指出，太阳辐射水平在22000年的定期间隔中比今天高得多，最后一次这样的时间间隔发生在1万年前。根据他的假设，北非的湖泊应该是在这个时期达到其最大规模的，这与放射性碳年代测定法收集的大量证据相一致。

库茨巴赫用地球大气环流的数值模型对他的假设进行了初步检验。这些模型基本上与天气预报中使用的模型是一样的:它们结合了已知的控制大气环流的物理原理。当然，与天气预报进行比较总是会导致同样的聪明人的挑战:“当你们科学家连即将到来的周末的天气都不能准确一半时，你们怎么能指望‘预测’几千年前的天气?”对这个(相当合理的)智者的刺激的回应是，像库茨巴赫这样的气候科学家并不使用这些模型来预测日常天气，而是探索气候系统的长期平均raybet雷竞技最新状态。

每年的气候循环提供了一个有用的类比。没有科学家会试图用模型来预测未来七月某一天的天气，但这些模型可以可靠地预测典型七月某一天的平均天气。他们能这样做的原因是，7月的平均一天都很热，这是一个简单的物理原因:太阳光线直射，白天很长。这些模型很好地模拟了仲夏太阳强度对平均热量的影响。如果他们不这样做，他们将完全无用。同样的模型也可以以一般的方式模拟典型的7月份中每天和每周的天气变化，但它们不能对特定的一天做出具体的预测。

出于同样的原因，这些模型可以用于对季风假说进行有意义的测试。Kutzbach根据地球绕太阳的轨道计算得知，一万年前热带北部的太阳辐射比现在高8%，他把这个值作为运行模型的“初始条件”，以观察它会导致什么样的气候变化。实际上，他想知道一万年前“七月的平均一天”是什么样子(而不是某一天的具体天气预报，这是不可能的)。第一个模型实验的结果证实了他的假设——在模型模拟中，更强的太阳辐射驱动了更强的季风，在北非萨赫勒地区带来了更多的降雨。

库茨巴赫随后求助于地理学家阿莱恩·斯特里特-佩罗特，后者已经开始汇编北非各地湖泊的放射性碳年代。他们一起将过去2万年中几个时间间隔的降水模型模拟与来自湖泊的放射性碳定年证据进行了比较。这场比赛精彩极了。2万年前，由于夏季太阳辐射较低，该模型模拟了弱季风时期，这些湖泊的水位较低。近1万年前，当更强的辐射驱动强大的季风时，这些湖泊达到了最高点。在过去的一万年里，随着夏季辐射水平的下降，湖水水位慢慢下降。毫无疑问，湖面的水位是随着头顶上夏日太阳的上升而上升的，而不是随着远处冰盖的上升。

在过去的二十年里，库茨巴赫假说的预言在许多地区得到了如此多次的证实，以至于它已经值得作为一种理论获得更高的地位。今天干燥，一万年前湿润，两万年前再次干燥的基本节奏不仅在北非，而且在从阿拉伯南部、印度、东南亚到中国南部的一个大弧线上也存在。图5.2所示的现场观测和模型模拟都认为，这整个地区在1万年前比现在更湿润，因为夏季风比现在更强，这是对大量夏季太阳辐射的响应。

在我看来，约翰·库茨巴赫关于季风轨道控制的理论与米兰科维奇关于冰原轨道控制的理论同等重要。地球表面的一半位于北纬30°和南纬30°之间，季风变化是这一广阔地区气候的主要轨道尺度控制因素。raybet雷竞技最新自人类进化以来，世界上大部分人口都生活在这些纬度地区。数百万年来，我们一直生活在这样的季风波动中。

也许对库茨巴赫的假设最令人印象深刻的证实来自一个遥远的来源——被困在南极冰盖中的古老气泡。在南极“温暖”的夏季(零下20华氏度!)，俄罗斯工程师们在冰原最顶端的东方站工作了多年，逐渐在整个冰块中钻出了3300米长的岩心序列，只有底层没有动过，因为担心下面的湖泊可能会被钻井使用的化学物质污染。水存在于这个不可思议的位置，因为上面冰层的压力导致冰盖最深处的融化。

在Vostok回收的长冰柱中捕获的气泡保存了大气中甲烷含量变化的历史(图5.3)。科学家们根据模型制定了这种冰记录的初始时间尺度，这些模型估计了雪是如何首先被压缩并结晶成冰，然后缓慢地流入冰内部，然后向外流向冰川冰的利润率．这个初始时间尺度所产生的甲烷记录显示，它与22000年前太阳辐射的变化非常相似岁差周期．基于这一证据，科学家们

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