气候变化的自然原因

导语：相信大家也都知道气候变化是地球上长期以来的自然现象，其原因多种多样，自然因素占据了其中重要一部分，其中，太阳活动是影响地球气候变化的重要因素之一，那么大家知道气候变化的自然原因是什么吗？下面就去看看气候变化对生物多样性的影响吧！

气候变化的自然原因

气候

曾经有各种各样的假设试图解释气候变化。有的得到了广泛的支持，而有的理论曾经被否认 但后来又被人们认可，有的气候变化原因的解释是有争议的，这是可以理解的，因为地球大气过程尺度如此之大、如此之复杂，很难通过实验室在物理上再现，所以，气候及其变化必须借助超级计算机用数值(模式)方法来模拟。在这一节，我们来验证几个已经在很大程度上被科学界认可的假设。这些假设描述了与人类活动没有关系的气候变化的“自然”机制。包括：

●板块构造(大陆位置改变，接近或远离赤道和极地)

●火山活动(改变大气的反射率和大气组成成分)

● 地球轨道的变化(地球轨道的偏心率、黄赤夹角和进动的周期性变化)

●太阳活动(太阳辐射输出是否变化以及太阳黑子是否对这种变化有影响) 后面部分会解释人类活动引起的气候变化，包括主要由于化石燃料的燃烧引起的逐年上升的大气二氧化碳的浓度。 在阅读这一节时，你会发现多种假设可能会解释同样的气候变化。事实上，可能是由于几种机制的相互作用而引起了气候的波动。同时，单一的假设不可能解释所有时间尺度上的气候变化： 一种假设可能解释百万年尺度上的气候变化，却不能解释百年尺度上的气候波动。假定我们已经完全认识了大气圈和它的变化，那么我们会看到气候变化是由本章讨论的多种机制引起的，或许可以再加上某些新的设想。

板块构造与气候变化

在过去的几十年中，地质科学领域出现了一个革命性的想法：板块构造理论。这个理论已经 获得科学界的广泛认可。该理论认为，地球的外层由几个称为板块的巨大的硬板组成。这些板块 在一个脆弱的塑性岩石层上面一起缓慢移动，板块之间移动的平均相对速率大概与人的指甲生长 速度相当——每年约为几厘米。大部分最大的板块包括整个大陆和许多海床。

因此，当板块笨重地移动时，陆地的位置也在改变。这个理论不仅使地质学家认识和解释了许多地球大陆和海洋的过程和特征，同时也为气候学家提供了对某些至今无法解释的气候变化做出的解释的可能。 例如，非洲、澳大利亚、南美洲和印度的剧烈冰川活动的证据表明，这些区域在约2.5 亿年 前经历了一个冰期。这个发现曾经困扰了科学家很多年：为什么现在这些较为温暖的纬度带曾经 像格陵兰和南极洲一样寒冷? 直到板块构造理论出现之前，对这一现象没有合理的解释。现在科学家意识到，这些包含古冰川的区域曾经在南极附近结合成为一个“超级大陆”。

后来，随着板块的分离，这个大陆的不 同部分分开移动，缓慢移至它们现在的位置。因此，分布在广阔的副热带地区的大范围冰川地貌就消失了。现在可以理解在过去的地质时期中，是板块移动和随着它们向不同纬度移动过程中的相互影 响导致了很多剧烈的气候变化。与此同时，海洋环流也发生了变化，改变了热量、水汽的传输， 因此也影响了气候。 因为板块移动的速率非常慢，大陆位置的较大变化只有在很长的地质时间尺度上才能看出来。 因此，板块移动带来的气候变化非常缓慢，而且在百万年的时间尺度上才会表现出来。因此，板 块构造论不大适用于解释在较小时间尺度上发生的气候变化，例如，十年、百年和千年时间尺度。 所以，对这类较小时间尺度的气候变化必须找出其他合理的解释。

火山活动与气候变化

虽然活火山喷发会改变地球气候的理论最早是在很多年前提出来的，但现在依然似乎可以解释某 些气候变率的原因。活火山喷发会向大气释放大量气体和微小颗粒。最严重的喷发甚至可以强大到将物质注入平流层，这些物质在平流层扩散到整个地球，并且持续存在几个月甚至几年。悬浮在空中的火山喷发物会过滤掉一部分入射太阳辐射，因而会降低对流层的温度。200 多年前，本杰明·富兰克林曾用这一观点证明，1783—1784年的异常寒冬的出现是因为巨大的冰岛火山的喷发物将太阳辐射反射回了宇宙。

也许，最引人注目的与火山喷发有关的寒冷时期是印度尼西亚坦博拉火山喷发后的1851年， 这一年被称为是“没有夏天的一年”。坦博拉火山喷发是近代最剧烈的一次火山爆发。1851 年 4 月7日至4月12日，这个接近4000米高的火山剧烈地释放出了超过100立方千米的火山灰。火山气溶胶对气候的影响扩展到整个北半球。从1816年的5月到9月， 一系列史无前例的冷事件影 响了美国的东北部和加拿大与美国毗邻的地区。这里7月曾经有过暴雪，7月和8月还有霜冻。欧 洲西部也经历了类似的反常冷事件。

三个重要的火山爆发事件为“火山对全球气温影响的研究”提供了大量的数据和新的认识。 1980年美国华盛顿州圣海伦火山爆发、1982年墨西哥埃尔奇冲火山爆发和1991 年菲律宾皮纳图 博火山爆发，为科学家们提供了用比过去更先进的技术研究火山爆发气候效应的机会。卫星图像和遥感仪器使得科学家可以近距离地观察这些火山爆发的火山灰和气体烟云。 圣海伦火山  当圣海伦火山爆发时，立刻就有人推测其可能影响气候。这样的爆发会导致气 候发生变化吗?毫无疑问，爆发式喷发释放的大量火山灰在短时期内会有显著的区域和局地气候 效应作用。进一步的研究表明，任何长期持续的降温效应是可以忽略的，因为这种降温非常的微弱，大约不超过0.1℃,甚至很难区别于其他气温自然变化。

埃尔奇冲火山

1982年埃尔奇冲火山爆发后，经过对其两年的监控和研究表明，它对全球平 均气温的降温作用大约是0 . 3℃~0 . 5℃,大于圣海伦火山的降温作用。但实际上，埃尔奇冲火山 喷发并没有圣海伦火山喷发那么剧烈，那么为什么它对全球气温的影响更大呢?原因是圣海伦火 山在相对短的时间内释放出大量的微小火山灰，而埃尔奇冲火山喷发出更大量的二氧化硫(是圣 海伦火山的40 多倍)。这些气体包括了水蒸气，并在平流层形成了浓密的硫酸颗粒云层。  这些被称为气溶胶的物质需要几年的时间才能完全沉降。气溶胶将太阳辐射反射回 太空而降低对流层的平均温度。 现在我们认识到，在平流层停留一年或更长时间的火山云主要是由硫酸气溶胶组成的，而不 是以往认为的火山灰。因此， 一次火山爆发喷出的火山灰量并不是预测火山爆发全球气候效应的 准确标准。

皮纳图博火山

菲律宾的皮纳图博火山在1991年6月发生剧烈喷发，向平流层注入了约2500 万吨到3000 万吨的二氧化硫。这次火山爆发使得科学家可以用 NASA   的空间地球辐射收支实验 (ERBE)  计划来研究剧烈的火山爆发的气候效应。次年，微小气溶胶形成的霾增加了反照率而使 全球温度降低了约0.5℃。

影响

或许埃尔奇冲火山和皮纳图博火山爆发对全球气温的影响相对较小，但是许多科学家认为其产生的降温可以在一 定时间内改变大气环流型，而这种变化可能影响某些区域的天气。然而预测甚至确定具体区域的影响仍然是大气科学家所面临的相当大的挑战。 上面这些例子表明，无论其有多大，单个火山的爆发对气候的影响都相对较小且时间较短，因此，如果要对气候产生更长时间的显著影响，就需要更多的火山相对集中地喷发出大量的二氧化硫;如果这种情况发生，平流层就会有足够火山灰和二氧化 硫气体以大量减少达到地球表面的太阳辐射量。但目前还没有发现历史上曾经有过这样的时期出 现这样的火山喷发，所以只是常常作为史前气候变化的一个可能诱因。

地球

地球轨道变化

地质证据表明，大约在300 万年前开始的冰期特征是，冰川的进退与全球降温和升温的周期性有关。现在科学家们已经认识到，以冰期为特征的气候波动与地球轨道的变化有关。这个假设 最初由塞尔维亚科学家米兰科维奇 (Milutin    Milankovitch) 提出并一直坚信不疑。这一假设的基础和前提是，入射太阳辐射是控制地球气候的主要因素。米兰科维奇根据下述因素建立了一个复杂的数学模型：

(1)地球公转轨道形状(偏心率)的变化;

(2)黄赤交角的变化，即地球自转轴与地球轨道平面所形成的角度变化;

(3)地球自转轴的振动，称为岁差(进动)。米兰科维奇使用这些因子计算了地球接收的太阳能量变化，并与地球表面温度变化时间进行对比，试图将冰期的气候波动与这些变化联系起来。值得注意的是，这些因素并不改变或很少改 变到达地球的太阳辐射总量，而只是造成能感觉到的季节差异。也就是说，在中高纬度地区，温 暖的冬季可能意味着有更多的降雪量，而在较冷的夏季雪的融化量会减少。

在所有相关研究中，对深海沉积物的研究使这一假设更加令人可信。该研究通过氧同位素分 析和对气候敏感的微生物的统计分析，建立了一个可以追溯到50万年前的气温变化年代表。然后 将这一年表的气候变化时间尺度与偏心率、黄赤交角和进动的天文学计算进行比较，以确定是否 确实存在相关性。 尽管这一研究涉及复杂的数学计算，但其结论却非常简单明了。研究者们发现，过去几十万 年气候的主要变化与地球轨道参数变化状况有着紧密联系。

气候变化的周期与黄赤交角、进动和 轨道离心率的周期有着密切的对应联系。他们明确地认为： “可以得出结论，地球轨道参数变化 是造成第四纪冰期回旋的根本原因”。这一研究还对未来气候趋势做出了这样的预测：北半球将会变得更冷，冰原将会扩大。但这 一预测结果有两个先决条件：

(1)预测只是对于气候变化的自然部分而言，没有考虑任何人类影 响;

(2)这是一个长期趋势预测，仅与具有2万年以上时间尺度的影响因子有关(即只与地球轨 道尺度参数有关，译者注)。因此，即使这个预测是正确的，由于时间尺度太长，对于我们认识 十年到百年这样更短时间尺度上的气候变化意义不大。自从这个研究开始以来，后续研究支持了 其基本结论，即： 轨道变化是研究得最为全面的万年时间尺度上气候变化的机制，而且到目前为止， 是太阳辐射变化对地球低层大气直接效应最清楚的例子。 如果地球轨道变化可以解释冰期—间冰期周期的回旋，那么立刻会产生这样的问题：为什么 在地球历史的大部分时间中没有冰川呢?在板块构造理论提出之前，对此没有一个可以被普遍接 受的答案。但是现在我们有一个似乎合理的解释。因为冰原只能在陆地上形成，而陆地必须在冰期开始之前位于较高的纬度。因此，只有当地球上移动的地壳板块将陆地从热带纬度带到更靠近 极地的纬度时，冰期气候才可能开始。

太阳活动与气候

一直以来，最持久的有关气候变化原因的假设，都是以太阳是一个变化的恒星这一概念为基 础的，因为它输出的能量是随时间变化的。这些变化的影响看起来很直接、很容易理解：太阳辐 射输出的增加使大气变暖，而减少则使大气变冷。这一假设很受欢迎，因为它可以用来解释任何时间长度和强度的气候变化。然而，人们并没有观测到大气层之外太阳辐射总强度量的长期变化特 征。在卫星技术出现之前，这样的 测量几乎是不可能实现的。现在可以实现了，但我们需要很多年的记录来确定太阳的能量究竟是如何 变化(或不变化)的。 根据太阳的变化而提出的有 关气候变化的设想与太阳黑子周 期有关。最引人注目而众所周知的 太阳表面的特征，就是称为太阳黑子的暗斑。

太阳黑 子是一些从太阳表面到深入其内部的巨大磁暴。之外，这些黑子还 与太阳巨大的粒子团的喷射有关，这些粒子可以到达地球上层大气 并与那里的气体相互作用产生极光。随着其他太阳活动，太阳黑子的数目有规律地增加或者减少，形成约11年的周期。但这种形态并不总是发生，有的时间段几乎 没有太阳黑子。

除了著名的11年周期外， 还有一个22年周期，这个较长周期的出 现是因为每个11年周期后都会出现太阳 黑子群磁极性的反转。 长期以来人们一直对可能的太阳一 气候效应很感兴趣，并不懈地努力寻找 从几天到几万年不同时间尺度上两者之 间的相关性。这里我们简单介绍两个广 受争议的例子。

太阳黑子和温度

研究表明，当太 阳黑子消失或几乎消失时，其周期就会 延长，而这一时期与欧洲和北美的寒冷 时期有很好的对应。反过来，太阳黑子 多的时段与这些地区的温暖时期相关性好。根据这一致性， 一些科学家认为这些相关性清楚地说明太阳活动是气候变化的重要原因。但是其他科学家对这一点提出了质疑，因为用来自于世界其他地方的不同气候记录的研究却不能发 现太阳活动和温度变化之间的显著相关性。 太阳黑子和干旱第二个可能的太阳一气候关系，和前面一个例子的时间尺度不同，与降水 变化而不是温度变化有关。

一个关于树轮的深入研究显示，美国西部干旱有一个大约22年的周期， 这一周期性与之前提到的太阳22年的磁极性周期相吻合。 对这一可能关系评论，美国国家研究委员会的一个专家组指出： 还没有发现有可信的机制可能将如此细微的太阳特征与有限区域的干旱类型联系在一起。此外，从树轮中发现的这种干旱循环类型本身自有的细微特征来自于广大 研究区域内地点的变化。 如果研究者能够确定太阳和低层大气之间的物理联系，那么就可能容易确定太阳活动和气候 之间的关系。但是尽管做了很多研究，还是没能很好地建立太阳活动和天气之间的关系。看似显 然的相关性在进行严格的统计检验或用不同的数据验证时几乎总是被否定。因此，这已成为一个始终充满争议和争论的话题。

气候变化对生物多样性的影响

对植物的影响。气候变化会改变植物的物种丰富度、分布格局、种间关系和物候等，例如，全球变暖导致植物生长季延长、开花提前，进而影响生态系统的结构、功能和生物地球化学循环。

对动物的影响。气温变化对爬行和两栖类动物的孵化结果有决定性影响，如海龟和扬子鳄的性别比例受孵化温度影响，气候变化还可能导致物种向低温地区迁移，如蝴蝶、鸟类和哺乳动物的北移趋势。

对生态系统的影响。气候变化会引起生态系统的结构、功能以及多样性的改变，例如，降水时空格局的变化导致美国奇瓦瓦荒漠的生态系统发生改变。

对物种间关系的影响。气候变化可能导致物种之间的相互关系发生变化，如害虫与寄主之间的关系，以及有害生物的泛滥。

对物种濒危或消失的影响。气候变化可能导致一些敏感生态系统的变化，导致局部地区物种的消失，以及全球尺度的物种濒危或消失。

此外，气候变化还会影响自然保护区的生物多样性保护功能。生物多样性对气候变化的影响也是双向的，生物多样性的改变会影响生态系统的结构和功能，进而影响气候变化。