大氣與海洋科學系助理教授劉永崗與合作者的最新研究表明：雖然現代地球赤道附近的季節性溫差（最高月平均溫度減去最低月平均溫度）小于10攝氏度，但是在全球冰封，也即冰雪地球（Snowball Earth）的狀态下，該溫差可以超過20甚至30攝氏度。并且通過計算表明，這麼大的季節性溫差足夠使地面産生裂縫形成沙楔，很好地解釋了觀測。該工作以“Large Equatorial Seasonal Cycle during Marinoan Snowball Earth”為題發表在最近一期的《科學進展》（Science Advances）雜志上。
大約7.2 – 6.3億年前，地球上可能發生過兩次全球性的冰期，冰川覆蓋的範圍令人震驚，因為在在古赤道附近的低海拔也發現大量冰川遺迹，它們的存在說明當時地球非常冷，關于這個極端的冰期事件有三種不同的假說，分别為軟雪球假說（也稱為水腰帶地球或泥球假說）、硬雪球假說和高傾角地球假說（圖1）。
|
圖1 冰雪地球事件的三種假說：軟雪球假說（“Soft snowball Earth”, or “Waterbelt Earth”, or “Slushball Earth”）、硬雪球假說（“Hard snowball Earth” or just “Snowball Earth”）和高傾角假說（“High obliquity）。上面兩圖中藍色區域為海洋，粉色區域為冰川覆蓋的陸地（約6-7億年前），白色區域為海冰。硬雪球假說中的海冰厚度達到1000米左右，全球平均溫度低至-50攝氏度左右。 |
其中高傾角假說認為赤道附近的冰川不一定代表全球都很冷，如果地球自轉軸的傾角大于54°（現代地球的傾角約23°），則赤道比兩極還冷，并且赤道的季節性溫差非常大。該假說的關鍵證據是在古赤道附近發現的沙楔。沙楔是在年平均氣溫比較低的情況下，秋冬季氣溫快速下降導緻地面收縮而産生的裂縫被沙土充填而成（圖2），要求有幹冷的環境和可能超過30攝氏度的季節性溫差，在現代地球上主要形成于高緯度地區。雖然高傾角假說由于其不能給出地球傾角變化的機制而不被大部分科學家接受，但是前人關于軟雪球和硬雪球假說的氣候模拟研究都不能解釋在古赤道附近發現的沙楔。
|
圖2 地面表層沙楔（灰色區域）的示意圖。地表裂縫中的沙塵一般是由風搬運來的，起初裂縫很窄，但是由于填充的沙塵強度較弱，在後續的幾千年中會繼續不斷開裂，變得越來越寬。實際的沙楔隻是近似為楔形，在其它過程（比如流水）的作用下常常可以産生複雜的扭曲變形，并且可以形成多重沙楔（如右圖）。大的沙楔深度可以達到3米以上（比如高傾角假說所指的沙楔），其寬度有時也可以達到3米以上。 |
本研究注意到赤道附近的季節性太陽輻射變化受到地球軌道的偏心率影響比較大，因此嘗試用偏心率的變化來解釋觀測到的季節性溫差。地球軌道的偏心率在0.016 到0.0679之間周期性（有約10萬年和約40萬年兩個周期）的變化，現代地球軌道的偏心率接近其極小值，約為0.0167。當在氣候模式中逐漸增大偏心率的時候，我們發現赤道附近的季節性溫差也顯著增大。如果是一個雪球的話，季節性溫差可以達到30攝氏度以上，并且在雪球中赤道地區也非常冷，年平均溫度為-20攝氏度或更低，通過對地表張力的計算表明完全可以産生很深的裂縫。這也就表明我們完全沒有必要用高傾角地球假說來解釋觀測到的古赤道附近的沙楔。
同時，計算還表明在軟雪球中赤道附近的季節性溫差即使在大的偏心率下也不會超過20攝氏度。這是由于其熱帶地區比較溫暖濕潤，地表的熱容量較大，在季節尺度上不容易産生大的溫度振蕩。因此，本研究結果更支持6億多年前的全球大冰期是一個硬雪球地球的假說，對解決冰雪地球各假說之間的争論有重要幫助。
論文第一和通訊作者是劉永崗，合作者包括beat365的楊軍助理教授、胡永雲教授和沈冰副教授，以及美國路易斯安那州立大學并即将到南京大學任職的鮑惠銘教授。該項目受到國家自然科學基金委的資助。論文鍊接：https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaay2471
