刘青松
轻松读懂海洋(9)海陆地质开关—德雷克海峡
2022-1-16 22:25
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白垩纪全球温度很高,空气中的CO2含量也高。自51Ma开始,全球开始逐渐降温,在这个大趋势上,还出现了二级和三级的升温与降温事件,比如在~33Ma,南极洲出现冰盖,全球突然降温。这个过程持续了8-9Ma,到了~25Ma,全球气温开始回暖,南极冰盖减少。到了大约~14Ma,全球气温开始了真正持续下降的模式, ~2.6Ma,北极出现冰盖,全球气候进入了我们最为熟知的冰期间冰期阶段。

中生代以来,南极洲与非洲、澳大利亚和南美洲的分离是最为显著的地质构造事件。南极洲被孤零零地留在南极,通过一系列的小块体拼接,形成了今天的鳐鱼形状。鱼尾巴指向南美洲,其东边就是威德尔海,也是AABW形成的主要地方。其西侧,面对这南太平洋的是罗斯海。

在始新世以来,德雷克海峡的开启,对南大洋的洋流模式、海洋性质、以及全球空气中CO2含量之间的变化,起到重要的影响。

德雷克海峡的开启刚好与中美地峡封闭过程相反。科学家利用钕(Neodymium)同位素来追踪海水的性质和相应的洋流变化。钕同位素在海水中的滞留时间为500-1000年,小于海洋的混合时间(1500年)。钕同位素eNd143Nd/144Nd的标准表达)在不同的大洋中变化很大。在太平洋这一侧,eNd=-3~-5。而在大西洋这一侧的深海海水,eNd值更偏负,约等于-9。可见,如果太平洋海水通过德雷克海峡向东入侵大西洋,则在德雷克海峡大西洋这一侧的eNd值会升高。

鱼的牙齿居然是记录海水eNd值的良好介质。记录显示,在~41.3Ma,大西洋这边的eNd很快从-8.2升高到-6.4,这证明德雷克海峡开始明显开启,太平洋海水东侵到大西洋,这促进了绕南极环流(ACC)的形成。

德雷克海峡开启是一个过程,它会逐渐变宽变深,所以这就导致研究中的些许迷惑。在不同位置的钻孔中,其记录的信号并不总是完全一致。在37MaeNd再次增加,说明德雷克海峡的开启深度应该更深,可以达到中等水深。之后,在~34MaeNd又一次显著增加,表明德雷克海峡的深部也已经开启,太平洋和大西洋从上到下全部联通。

35.5-33.5Ma,有证据表明,塔兹曼海峡也持续加深。这增强了ACC~34MaACC增强,使得南半球低纬度的热水无法有效地交换到高纬。南极地区热量不够,于是开始大范围结冰。

在德雷克海峡显著变化时期,大西洋海区的海洋指标也随之变化,比如一些生产力指标在3936.5,以及34.6-33.6Ma,显著上升,与eNd升高一一对应。这暗示着ACC的增强,会加强海底上涌过程,从而提高生产力。通过生物泵,把碳输入到海底,降低大气中的CO2含量,进一步将强全球变冷的趋势。

德雷克海峡的打开,除了形成ACC,还使得南极降温结冰,海水盐度增高,温度降低,从而有利于形成AABW。在这之前,该地区只能形成中层水AAIW,其影响力范围和深度都有限,这样也无法推动大规模的AMOC。当AABW形成之后,情形就不一样了,一方面,AABW向北运动,冷却了低纬地区的深海,从而使得深层海水和表层海水之间的温度差变大。AABW的大量形成,也有利于推动整个AMOC的发展,为NADW的形成提供有力的前提条件。只要地中海高盐度的溢出流和中美海峡关闭起作用,北大西洋浅表海水的盐度超过一定界线,NADW就会大量生成,我们熟悉的世界模式就来临了。

由于ACC的阻挡,ACC北部从赤道来的水将在ACC北部下沉形成AAIW。大量热气无法抵达南极,于是形成温差,南极地区降温,而北半球这边升温。同时,由于ACC的隔离作用,南极近海地区会进化出区域特色的动植物生态体系。

在澳大利亚逐渐和南极洲分离过程中,南半球的环流体系会发生系统变化。在澳大利亚和南极分开前,比如在50 Ma之前,在南半球40度,会形成一条绕南极环流的前身(proto-ACC)。和现今的ACC相比,低纬的暖流也会参与到proto-ACC的水体交换,因此,proto-ACCACC的温度和性质上,会有很大的区别。换个说法,ACC属于较为封闭的模式,把中低纬热量隔开。而proto-ACC则是半开放式的,通过融合低纬来的暖流,吸收热量。这条proto-ACC环流从澳大利亚北部通过,向东达到还未开启的德雷克海峡,按照我们之前的分析原则,这条环流必然会分叉,一条向北,一条向南,分别形成逆时针和顺时针环流。当澳大利亚逐渐向北,在大约30Ma前后,澳大利亚具有一定的阻挡作用,使得这条环流在澳大利亚西部分叉,绕澳大利亚南部和北部行进。这个作用就有点像青藏高原对西风带的影响。当澳大利亚继续向北运动后,在身后留下足够的空间,绕南极环流可以从容地从其南部海区通过。

当太平洋的海水从德雷克海峡侵入大西洋这一边后,还会有一个可能的后果,就是这一地区的海水分层效果加强,这表现在表层海水温度增加,而深海的海水还保持在低温状态。

德雷克海峡开启持续到大约26Ma,之后全球气温又开始回暖,南极冰盖开始缩减,说明德雷克海峡开启造成的降温红利已经被利用完。


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