基于地球构造、自转率和日照影响的研究

文丨怪兽说史书

简介

不断变化的地球表面上的地质构造对我们的气候有很大的影响。新生代向寒冷气候的转变，包括南极洲的冰川作用，是由海洋通道的开放和大气浓度降低引起的。

加勒比海弧的发展和巴拿马地峡的关闭使得墨西哥湾暖流得以形成，对全球气候产生了重大影响，而直布罗陀海峡的关闭导致了墨西拿盐度危机，此外喜马拉雅山是印度-欧亚大陆碰撞的结果，为季风提供了条件。

Farnsworth表明150-3500万年前的气候敏感性取决于大陆构造，尤其是海洋面积。施密特纳调查了山脉对当今地球海洋环流模式的影响，并得出结论认为，山脉和冰盖的当前配置决定了大西洋和太平洋之间的相对深水形成率。

地球上的大陆聚集成超大陆，然后以4亿至6亿年的周期分散超大陆周期，最新的超大陆盘古大陆形成于大约3.1亿年前，大约在1.8亿年前开始分裂。下一个超大陆很可能在200-2.5亿年内形成，这意味着地球目前大约处于当前超大陆周期的分散阶段的一半。

我们不会深入研究未来碳循环的细节，也不会推测地球生物圈或大气成分在遥远的未来发生的变化，我们将后者保持在接近现代价值的水平。深时未来气候建模的第二个应用是使用已知的维持宜居性和稳定生物圈的参数创建类地系外行星的气候模型。

未来地球的地图是根据两个似是而非的情景制作的，在这两种情况下，海洋水深测量都与戴维斯等人一样，大陆架海深150米，洋中脊在波峰处深1,600米，并加深至内部的深海平原，海沟深6,000米。深海平原被设定为维持当今海洋体积的深度。每个地形文件都是在纬度和经度上以水平分辨率生成的。

未来的日长是根据Green提出的模拟潮汐耗散率计算的。超大陆周期剩余部分的平均耗散量约为当前值的一半，导致日长发生了不可忽视的变化。我们预计在接下来的200年中，日长的变化率大约是现在的一半，或者每100年大约s。这导致超大陆状态的一天比今天长30分钟，这一天长24.5小时，因此被用于下面讨论的所有未来气候环流模型模拟。

大气环流模型建立

如Way所述，ROCKE-3D大气环流模型版本Planet_1.0。用于这项研究。利用完全耦合的动态海洋。使用通过Claire等人生成的数据。我们使用13611.0223=1391.3W的日照值进行Amasia模拟200Myr到未来。

对于未来的Aurica模拟250My，我们使用1361 1.0260=1396.4W的值。我们不会改变太阳光谱，因为就其对地球大气层的影响而言，未来如此小的飞跃所带来的变化将是微乎其微的。

我们对土壤使用50的粘土沙子混合物，因为我们对地表在遥远的未来会是什么样子没有限制，并且是系外行星群落中常用的值。在3D-GCM中，土壤对其反照率和持水能力很重要，最初将40厘米的水分配到每个土壤网格单元中。我们在模型开始时使用0.2的地面反照率，但随着GCM及时向前移动，反照率会因积雪或降雨而改变。

大型内海，被定义为湖泊而不是海洋网格单元。GCM允许湖泊根据蒸发和降水之间的竞争而扩大和收缩。这同样适用于湖泊的可能形成和消失。这允许模型以比将所有地表水定义为海洋网格单元更复杂的方式处理内陆地表水。这是非常可取的，因为在模型运行期间不能创建或销毁海洋网格单元。

任何深度小于150米的海洋网格单元被设置为具有204米的值。这在高纬度地区尤为重要，那里的浅海细胞可能冻结到底部，导致模型崩溃，因为它无法动态地将表面类型从海洋改变为陆地冰。

在Amasia运行中，极地海拔高度明显且缺乏海洋的一个副作用是积雪会导致冰盖的增长，类似于地球上一次盛冰期当地球比现在更冷时，冰盖高度的增加会影响气候，因为在高海拔地区可能会有更多的积雪，而由于递减率的差异，在低海拔地区通常会下雨。

由于R3D1没有动态冰盖模型，我们采用以下方法来处理这些积雪。为了适应这种冰盖的可能性，我们运行了具有原始Amasia地形的模型，并允许积雪不受阻碍地积聚。一旦这些运行达到平衡，我们就会使用这些积雪作为修改生产运行的基础。

五十年积雪气候平均值在北半球夏季月份被用来在必要时增加陆地海拔。我们选择夏季月份，因为那些最低限度的北半球积累作用很好，可以在秋季或者冬季月份积累，并在春季、夏季月份蒸发。南半球使用相同的程序，在12月、1月和2月的50年气候平均值。

我们在最高纬度上执行小区域平均，以模拟冰盖移动的影响。然后在模型地形边界条件文件中将这些具有积雪的夏季最小值标记为永久冰盖。离线冰盖模型将是首选，因为它在LGM研究中很典型，但超出了目前探索性工作的范围。包括原始地形加上积雪与原始地形。

出于比较目的，过度绘制了Argus等人的LGM数据。珀耳帖等。LGM正处于太阳辐射较低且轨道参数与我们未来地球情景不同的时期。LGM过度绘制表明我们处理冰盖的方法并非不合理。南极帽以高保真度再现，而北极帽也很好地模仿了LGM。

让我们首先尝试理清较慢旋转速度的任何影响。我们通过观察现代地球#1—#2来做到这一点。显示了我们具有现代自转速率的类地世界与我们的Aurica和Amasia模拟使用的地球#2sim08的24.5小时自转之间的平均表面温度之间的最小差异，行星反照率和雪+冰分数也几乎相同。可见的高纬度区域温度差异在地球#1和#2之间可见，即使平均差异仅为0。

我们发现很少有证据表明白天增加30分钟对气候动态有任何明显影响。Showman的作品。随着自转速度减慢，极地与赤道的温差应该会减小。北部高纬度地区存在边缘差异，实际上方向相反。随着旋转速度较慢的Sim08，赤道与极地温差的增加非常小。请注意Showman结果是旋转速率发生了更大的变化。最后再绘制了地球的涡流能量传输通量。可以看出，Earth#1的中纬度涡流能通量略大于Earth#2，这与Showman等人的结果一致。但同样差异很小。

接下来旋转速率固定在24.5小时，但日照从地球#2sim08增加到地球#3sim09。这里的差异更加明显，平均表面温度相差～C。行星反照率下降了0.5%，这与冰雪比例下降3%相吻合。

应该注意的是之前的工作表明，与我们的Aurica模拟01-03相当的一些古代地球超大陆阶段具有更干旱的内部，其中风化效应和下降可能效率较低。这会增加地表温度，因为平衡会比现在更大，因为火山除气可能会保持不变，而缩减将减少。

然而还有其他气候影响需要考虑。亚美尼亚重建本质上是一个北极超级大陆，拥有一个独立和孤立的南极大陆，这意味着两极都被陆地覆盖，其中大部分被冰覆盖。Amasia在本质上是一种转变，以巩固当今北纬度大陆甚至更北的地区的统治地位。

北极海洋的缺失意味着北极附近的陆地和湖泊中全年都有更多的冰，正如我们在今天的南极洲看到的那样，对于三个Amasia模拟。这是众所周知的冰反照率气候反馈，并解释了为什么Amasia模拟往往比Aurica模拟更冷。AmasiaPD是最酷的Amasia模拟。

这是因为它的平均地形高度高于AmasiaCTRL&MTNS。因此我们倾向于在高纬度地区降雪而不是降雨。在北半球夏季的格陵兰岛上有冰层覆盖。这是因为我们没有调整格陵兰岛的高度，假设它不再有冰盖，所以它会因为海拔较高而积雪并保持它。

实际上在这种较高的日照条件下，它可能不会被雪覆盖，因为它的地形高度肯定会低得多，尽管人们还必须考虑冰原移除后任何陆地反弹高度的影响。

使用“气候宜居性”指标来定义在现代地球大气压力下可以容纳液态水的行星表面积。只要有足够的时间，生命就会找到一种方法来填满现代地球上几乎每一个生态位。虽然像这里使用的宜居性指标可能不完美，但它仍然可以为我们提供一种简单的方法来比较不同世界的地表气候。

结论

未来的超级大陆可以为我们提供一些指导，说明地表温度将如何根据大陆的分布方式升高或降低，并对系外行星的气候和宜居性产生影响。但还有其他与风化率和火山释气相关的因素需要考虑，更不用说大气压的相关作用。

当我们讨论地球未来的气候时，我们不会触及生命的未来。存在许多不确定性，但最近的工作提供了一些指导方针。超大陆阶段潮汐减少将导致垂直混合率降低，即深海垂直扩散率降低。

这可能对海洋生态系统和生物多样性产生影响。同时，盘古大陆的形成似乎对全球海洋动物的生物多样性影响不大，盘古大陆处于非常微弱的潮汐状态。

将Aurica运行中低纬度超大陆的GCM衍生气候与以前在Pangea上的工作进行比较会很有趣。不幸的是由于多种原因很难进行适当的比较。

所有这些以前的工作要么使用仅大气GCM，要么使用规定的水平热传输或根本没有的浅层混合层海洋与Aurica不同，Pangea不仅跨越低纬度地区，还跨越南纬高纬度地区，那里容易形成冰。最后不同时期有不同的重建，并非所有重建都与我们在此模拟的重建直接可比。这使得与Pangea的直接比较变得复杂，我们将这样的分析留到以后再说。

参考文献

[1] 五亿年前的世界[J]. 乔占卫;夏炎.科学中国人,2009(01)

[2] 探测地球的“裂口”[J]. 韩长代;刘爱峰.教师博览,2006(06)

[3] 探测地球的“裂口”[J]. 韩长代 ,张琳.飞碟探索,2001(05)

[4] 地壳运动驱动力的探讨——核能与地球演化[J]. 马学昌.地质学报,2016(01)