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地球轨道如何塑造撒哈拉沙漠

撒哈拉沙漠从大西洋向东延伸约3000英里,到达尼罗河和红海,从摩洛哥阿特拉斯山脉和地中海海岸向南延伸1000多英里,到达被称为萨赫勒的大草原。

今年早些时候,在奥地利维也纳举行的欧洲地球科学联盟大会上,研究人员提出了新的证据,表明撒哈拉沙漠东部地区,特别是乍得约阿湖附近地区,自全新世中期以来,干旱缓慢而渐进。

“这项研究的发现是,湖泊沉积物的沉积学和地球化学特性证实,撒哈拉沙漠从6000年前到1100年前一直在缓慢干燥,”主要作者、加拿大魁北克国家科学研究所教授Pierre Francus说。

在这项最新研究中,研究人员每年分析尤阿湖的沉积情况,并确定其年代,以确定撒哈拉地区何时以及如何干涸。其他研究使用气候建模来确定撒哈拉沙漠干旱的时间段和当时的主要气候条件。

人们普遍认为,撒哈拉沙漠的干涸是由于地球轨道的变化,这影响了太阳的日射量或地球从太阳接收的电磁能的量。简单地说,日照量是指在特定时间照射到特定区域的阳光量,取决于地理位置、一天中的时间、季节、景观和当地天气等因素。

美国国家航空航天局戈达德空间研究所的气候科学家加文·施密特解释说,大约8000年前,地球的轨道与今天略有不同。倾斜从24.1度左右变为现在的23.5度。

施密特说:“此外,地球在北半球最接近太阳的地方是8月的夏天。”“今天,最接近的是1月份。所以,当时北方的夏季比现在更温暖。”

地球轨道倾斜和进动(或摆动运动)的变化是由于太阳系其他天体发出的引力引起的。为了准确地了解发生了什么,想象一下当陀螺受到轻微干扰时旋转的陀螺。就像陀螺一样,地球也绕着旋转轴轻微摆动。这种倾斜大约每41000年变化22到25度,而岁差大约每26000年变化一次。这些周期已经由天文学家确定,并由研究海洋沉积物记录的地质学家验证。

施密特解释道:“如果你得到一个足够长的时间序列,并且可以很好地确定日期,你应该能够在数据中看到与理论预测的周期相对应的频率。”

很长一段时间以来,人们一直认为地球的倾斜在下个世纪只会发生微小的变化。然而,最近的研究表明,全球变暖的影响——尤其是海洋——可能会导致地球轴向倾斜的变化。美国国家航空航天局喷气推进实验室的科学家表示,目前格陵兰岛的冰融化已经导致倾斜以每年约2.6厘米的速度变化。他们预测,这种变化在未来几年可能会加剧。

轴向倾斜变化引起的日照变化对季风等大气天气模式有影响。数千年前,当北半球接收到更多的阳光时,季风也加剧了。在地球倾斜发生变化后,季风减少,植被开始消失。当没有植物来保持水分并将其释放回大气中时,降雨量会逐渐减少。由此产生的植物生命和气候之间的反馈回路最终创造了当前的沙漠条件。

现在有相当多的证据表明,撒哈拉过去有草原生态系统,而且比现在潮湿得多。然而,关于这种转变是如何发生的争论仍在继续。科学家之间的分歧部分是由于缺乏该地区的古环境记录。因此,科学家必须经常求助于气候建模。

1999年,德国科学家利用计算机模拟数千年前的地球气候。他们得出的结论是,撒哈拉的气候转变突然发生,可能在大约300年的时间内。

近十年后,另一组科学家研究了乍得北部地区在过去6000年中的环境变化,得出的结论是撒哈拉经历了一个更为渐进的干涸过程。

施密特属于那些认为撒哈拉沙漠有突然变化的证据的科学家群体。

施密特说:“鉴于植被对水资源的依赖性非常强,大约5500年前,‘绿色撒哈拉’的终结突然出现了。”“因此,轨道上非常缓慢的变化(导致)了生态系统的突然崩溃。”

由于撒哈拉幅员辽阔,覆盖了非洲大陆近三分之一的面积,很有可能部分地区突然干涸,而其他地区则需要更长的时间才能变成沙漠。

Francus说:“我们地区的干旱似乎是渐进的,但这并不意味着西撒哈拉等其他地区也是如此。”“我们不能完全排除突然干旱的可能性。了解气候变化的地区差异是气候科学家面临的下一个挑战。”

Francus解释说,在过去的不同时间,地球上许多地方都有气候突变的记录。他引用的一个例子是年轻的Dryas,这是(大约)12800年至11500年前发生的气候突变最著名的例子之一。根据美国国家海洋和大气管理局的数据,这一时期的结束尤其突然,例如,在格陵兰岛,气温在大约十年内上升了18华氏度。

Francus说:“许多科学家认为,未来可能会发生气候突变,但这些变化的性质、方向和强度很可能取决于地区。”

Francus还指出,有些模型根本无法预测气候的突然变化。一些科学家认为,没有足够的知识来理解驱动这些变化的过程,主要是因为很难对土壤湿度和覆盖率进行建模。

无论撒哈拉沙漠是逐渐干涸还是突然干涸,大多数科学家都认为,了解过去气候是如何变化的,以及什么样的自然力影响了这些变化,这一点很重要。这将有助于气候研究人员确定人类行为在当前气候变化中的确切作用。

Francus说:“用于预测未来气候的模型需要进行测试,使用过去的信息是实现这一目标的一种方法。”


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