【哥倫比亞大學】公開課《科學前沿-地球科學》 P11 - 11. 【第13集】非洲氣候控制因素

因此 我們現在要花一些時間 實際探討控制非洲氣候的因素 以及現在的氣候狀況 過去的 氣候樣貌 還有什麼樣的變化 過去影響它變化的因素是什麼 接下來Lowman將回到這個問題 我們在巴維德記錄中看到的這些動物群變化是 detected 嗎 但當然 更重要的是 人類的 家族記錄與非洲氣候的變化時 間相連 因此 現代的非洲氣 候今天主要由非洲季風所支配 非洲季風不過是大陸 尺度的陸風 夏季時 北非因太陽仰角增加而加熱所產生的現象 而且白天變得更長 北非開始變暖 而這種因大陸暖空氣與較 冷海洋之間形成的氣壓梯度 會驅動潮濕空氣流的流入 從大西洋進入北非 當地的陸地氣溫高 因此 形成低氣壓 空氣便上升 空氣上升 那會把大氣中的水分擠出來 那會帶來雨水 事實上 那就是夏季季風降雨 到了冬天 季節性風向模式 反過來 這就是季風的定義 北非地區在北半 球冬季時氣候乾燥因此 北非地區 包括東非地區 我們即將討論的內容 北非 受到這強烈的季節性氣候與非 洲季風相關的降雨所主導 我 們可以觀察到植被的分布模式 隨著這個季風降雨帶的南 北移動 赤道附近對流鋒 帶也跟著南北移動 因此 非洲氣候的主要結論是 這是由於它具有強烈的季節性 它主要反映降雨量的變化 溫度的變化固然重要 但實際上這裡北非的氣候主要還是由水分的可得性所決定 怎樣 所以非洲最令人印象深刻的地方 之一就是我們擁有廣泛的氣候帶 從極度乾旱的沙漠開始 在那裡一滴雨水都不會落下 在撒哈拉沙漠中心 到赤道上的雨林 那裡總是下雨 而從沙漠到半沙漠之間有著一種漸變 只要稍微清理一下 就是一片草原 這 些是長而高的草 間隔著一些金合歡樹 用於樹木和草類的馬賽克 接著我們來到灌木叢地 然後來到森林 再來到熱帶雨林 所以我們從熱帶雨林開始 經過這個過程 從沙漠一直延伸到極度乾旱的沙漠 因此在一個相當狹窄的緯度範圍內 甚至可能只有20度的緯度範圍 可見到多樣的植被類型 這片植被所依賴的可用降雨量 所以你可以想像 如果你住在沙漠中 要謀生會比住在草原上困難得多 或是在熱帶雨林中 這是目前非洲氣候變異的範圍 從赤道附近的雨林 一直延伸到更北方的極度乾旱沙漠 這中間的過渡帶包含了半沙 漠至森林地區 正是這個過渡 帶在地質歷史中發生了變化 我們在其中看到擴張的跡象 以及我們看到這些植被類 型在過去的幅度變化 因 此回顧過去非洲的氣候變化 我們實際上是在觀察 或是我們感興趣重建的是 非洲大陸隨時間變化的濕 氣可得性 我們現在看到 的情況 很快就會變得明顯 我們發現 隨著時間的推移 非洲季風降雨帶的強度和向北滲 透的範圍都發生了變化 這些變 化實際上是由某種因素所控制的 地球繞太陽公轉的變化 這控制了我們在 夏季獲得的日照量 以及季風的強弱 這個想法與瑞克·波特的變 異性假說相呼應 因為雨季 強弱的變化將決定這些濕潤與乾燥時期的 持續時間與強度 我們在非洲古氣候記錄中確實觀察到 北非 和東非的氣候有逐漸變 得更加乾旱的長期趨勢 東非正逐漸變得乾燥 這與伊麗莎白·伯伯的 栖息地選擇假說 也就是稀樹草原假說有關 因此 讓我們來考慮第一個想法 這過去非洲季風的軌道控制 因此 我們有非常強的證據證明其中一個觀點是 那是否就是非洲季風辍 非洲季風 이미 非洲氣候中濕季與 乾季的出現 沿著地質路徑 是由地球公轉軌道的歲差所驅動的 軌道進動是地球繞太陽公 轉變異性的一個組成部分 描述的是地球本身旋轉 軸像陀螺一樣旋轉的現象 那以二萬年為週期進行進動 所以今天我們最接近太陽的路徑 非常意外地出現在北半球的冬季 但這是北半球的冬季 因為我 們實際上是背離太陽的 但這 其實是我們最接近太陽的時期 在這些歲差週期的一半期間 那是在一萬年前 我們實際上距離太陽最近 而且我們也正朝向它 而這實際上意味著夏季的隔熱 北半球的輻射量高出約6% 夏季輻射量增加的6% 基本上是對非洲 季風強度的控制 夏季的輻射增加會使季風更強 更有效地加熱大陸 這能增強季風環流的強度 並促進季風的形成 因此一個週期 一個軌道 intimate �imos 周期需 要20 000年 而我們所看到的是 這一直是非洲氣候的節拍器 追溯到數百萬年前 過去數百萬年來一直存在 這些非常規律的乾濕循環 因此 這個圖形提 供了更詳細的說明 頂部面板 A 展示了從冬季到 夏季再回到冬季的年度輻射週期 接下來是在此基礎上疊加的 保溫效果或太陽輻射的樣貌 大約一萬年前 當時我 們確實有較強的夏季季風 這裡你會看到 夏季 季風或夏季輻射更強 冬季的輻射較少 這就是增強的 季節性 這是由於軌道進動的變 化所導致的 進動 控制夏季的加熱量 這會導致北非地區的加熱 基本上提供了一種改變加熱的方式 以及非洲低壓系統的發展 這驅動了季風降雨的流入因此 隨著夏季加熱增強 我們看到更強的季風 我們看到更多的降雨 非洲變得更潮濕 並且實際上變得更富有植被 我們知道的一件事 是這些非洲濕潤時期的變化是有規律的 約每20 000年一次的過去 下一個圖表顯示這些綠色區間 也就是這些非洲濕潤時期 這些較為潮濕的時期發生在 約2萬年前 最近的一次發生在約1萬年前 因此在最近的非洲濕潤時期 我們有證據顯示北非和撒 哈拉沙漠的條件要濕潤得多 在如今極度乾旱的撒哈拉沙漠 如果你走過這片沙漠 你會遇到一處岩層裸露的地方 你很可能會看到一些刻痕 或這處岩層上的繪畫 那將會是描繪鱷魚和河馬的畫面 大象 大批獵人追趕著羚羊 一群羚羊 這是一幅更加潮濕的景象 那是一個比現在更加繁茂的環境 這實際上是一幅圖像 如果你願意這樣說的話 是1萬年前的景象 在北非 是一個濕潤得多的環境 實際上 我們認為那裡完全被植 被覆蓋 大小湖泊散佈在景觀之中 事實上 你實際上可以看到這些湖盆 這些實際沉積物往往以這些古代湖積物的基座形 式出現 而這些古代湖積物目前仍然存在於湖泊中 其中一種實際監測北非 濕度變化的辦法 就是觀察尼羅河的流出量 尼羅河流域範圍非常廣大 實際上 它從東地中海向南延伸至 北非的大部分地區 事實上 尼羅 河的發源地包括肯亞的一些地區 許多這些人類化石就是在那裡發現的 我們可以做的其中一件事 是觀察尼羅河所攔截的水量 歷來的變化 以及這些水最終被排放到地中海的情況 我們預期當北非較為 濕潤時 尼羅河會吸 收更多雨水 而尼羅 河的流量也會因此增強 我們可以透過觀察所謂的 sapropels的出現情況來重建非 洲氣候的過去變化 sapropels 是這些富含有機碳的沉積物 這些沉積物被保存在東地中海的沉積層中 如今在東地中海 海洋環流 特別是垂直的海洋環流 在地中海中 表層海水變得非常鹹 冬天時 它們會下沉 它們沉到地中海的底部並在深處向西流過 kill 西班牙海峽 這就像一條巨大的輸送帶 costume 這就是目前循環的方式 在這些非洲濕潤時期 當尼羅河淡水流量 增強到東地中海時 淡水流入減 少了東地中海 的鹽度 如果在東地中海 上方形成這樣的淡水層 你就無法讓那裡的水下沉 那水變得太_SCL_ 不管你把它弄得多冷 都無 法讓它下沉 所以這幾乎 就像在上面加了一層淡水層 或者一塊塑膠膜或類似物蓋在魚缸上 你基本上讓深海中的氧氣 含量降為零 變得沒有氧氣 當深海缺乏氧氣供應時 落至 海床的有機物無 法進行氧化作用 因此 它不斷累積 形成這 些富含有機物的沉積層稱為 Sapropyl 在 這些淡水徑流增加的時期 從尼羅河河岸我們有時 會看到這些藻華的出現這張圖片實際上顯示的是海洋鑽探計畫 核心長約10公尺或30英尺 核心的頂部由第一段顯示 位於左側 而且核心的底部是第七段 位於圖片的右側 你可以看到這幾乎像路程條碼一樣的結構 每個黑暗時期都是這些其中一個 這些非洲濕潤時期其中 一個你會看到有一個、兩個、三個、四個、五個 而且你只需要一路倒數下去在這個核心中 大約有10 個這樣的非洲濕潤時期代表 可能有二十萬年的地質時間 這確實只是一個有說服力的論點 如果你實際上仔細觀察 這確實是一張照片 從那裡來的 實際上 是西西里的一家酒吧 看著大約一百萬年的地質紀錄的一部分 而這些只是幾段油頁岩 那些記錄在昔日海相沉積 物中的地層 現在沿西西里 島的海岸山脈被抬升起來 這代表大約一百萬年的時間 你可以看到 這些水平的深色岩 層——你在這地質露頭中看 到的每一層——都是這些非洲濕潤 時期你會發現它們有點成群出現 將其分為三和四的組別 這就是我們在軌道強制本身 中看到的這種行程幅度調製 這就是當軌道週期較大時 而且有時候軌道週期較小 當軌道週期較大時 非洲較為濕潤 當軌道週期較小時 非洲較為乾燥 因此 這部分講座的核心訊息是 軌道進動在數百萬年來一 直是非洲氣候的節拍器 而非 洲的氣候也一直有規律地循環著 在潮濕與乾燥時期之間 我們在地中海的油頁岩中找到了這一點的證據 但我們也直接證據顯示這一點 在這些非洲湖泊的湖相記錄中 以及實際上在北非的湖泊中也存在 我們也發現這種現象出現在非 洲大陸外海保存的海洋沉積物中 這包括東非與西非 風帶來的塵土沉積濃度 那是從非洲大陸帶 到深海沉積物中的 我們第二項證據顯示非洲氣候的變化 這將支持與特定棲息地相關的假 說例如伊麗莎白·比爾巴所提出的 氣候的長期方向性變化將從平均較 濕潤的條件轉變為平均較乾燥的條件確實 我們有豐富的地質證據顯示 非洲確實經歷了這樣的轉變 在過去數百萬年間 環境 從較濕潤逐漸 轉變為較乾燥 這項影響之一是 隨 著非洲變得越來越乾燥 非洲的生物群也確實發生了變化 有利於這些checkout 適應乾旱環境的物種出現 例 如高角羚 高角羚屬於羚羊科 而且它是牛科動物中 最具乾旱適應能力的 物種之一 其中一個特徵就是它們的外觀 它有非常小的眼睛 有 一個非常長的鼻子 用來 實際上重新凝結它呼吸中的水蒸氣 以節省水分 長腿有利於在草原 上快速移動 我們可 以發現草原物種的出現 這包括高角羚 當我們觀察這些草原 物種的變化或外觀時 會發現它們在兩百五 十萬年前開始大幅增加 而且它們確實在約160 萬或180萬年前達到最 大豐富度 這些數字 我 現在隨便提到的這些日期 我們正在開始看到這些重大變化的 趨勢與人類化石記錄中所見的趨勢 逐漸吻合 也即將在氣候記錄中看到 因此 我們開始看到這幅拼圖 這些拼圖開始逐漸拼合在一起