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轻松读懂海洋(11)海陆地质开关—白令海峡 精选

已有 6261 次阅读 2022-1-25 11:13 |系统分类:科普集锦

与其它地质开关相比,白令海峡规模小,显得不那么出彩。要不是人类迁徙途径这里,很多人估计不会怎么关注它。白令海峡最宽处不过百余公里,水深则只有50米,连接着北面的楚科奇海和南面的白令海。

白令海峡是目前太平洋和北冰洋唯一的水交换通道。由于受到温度、盐度和风力的影响,现今白令海的海平面比楚科奇海的海平面高约0.5米,所以,太平洋的淡水会注入北冰洋。

白令海比较宽,从西向东分布着三条水流:阿拉德水、白令海陆架水、以及阿拉斯加沿岸流,三者的水体密度不一样。

之前我们讲过,淡水注入对北大西洋深层水的形成有很大影响,进而影响全球气候。从理论上来说,白令海峡的关闭与开启,在全球气候系统中不能被小觑。

白令海峡的开启与关闭起到了双重作用。当海平面下降,陆壳出露,亚洲和美洲的动物就可以自由迁徙。但是,北冰洋和太平洋的水生动物则会被隔离,各自进化。当白令海峡开启后,水生动物开启了自由迁徙,但是美洲和亚洲的陆生动物就无法自由泳迁徙。唯一的例外可能是人类,在白令海峡开启后,人类还是能够架着船自由航行。

目前的海水是向北流,但是在地质历史早期,当白令海峡开启时,海水向南流。科学家是如何来判断海水的流向呢?

说起来也不复杂,当海水向北流时,太平洋的水生生物会分布在北冰洋。相反,如果水向南流,那么北冰洋的水生物种就可以分布在北太平洋。当中美地峡关闭后,其中的一个后果就是让白令海峡的海水流向翻转,变成今天向北的流向。我们举一个例子,早期研究发现,在晚古近纪,勘察加和阿拉斯加地区首次出现了双壳类的Astarte。这个物种显然是从北冰洋区迁徙来的。Astarte被翻译为阿斯塔蒂,是古代西北闪米特语地区的腓尼基人等所崇拜的丰饶和爱的女神。我并不知晓科学家为什么把这个物种叫做Astarte,或许是因为这个双壳动物的两个壳可以代表丰饶和爱。

在几十百万年前,当地球上还没有南北极冰盖时,海平面变化不像典型冰期和间冰期那样剧烈。白令海峡的开启主要受到地质构造控制,在过去曾经不止一次地开放和关闭过。

总体来说,白令海峡区是一个南北向的块体沉降区,属于狭窄的地堑。该区在100Ma左右可能就打开过。通过研究白令海峡南北两边的物种分布,科学家认为7.4-7.3Ma白令海峡已经打开,5.5-4.8Ma打开的证据更为充足。当地球南北极边盖开始出现,尤其是北极冰盖演化后,冰期-间冰期的海平面开始大幅度波动。在2.6-1Ma之间,海平面最多可以下降50余米,完全可以让白令海峡关闭。

距今13万年(MIS6)冰期期间,海平面虽然下降了120米,但是智人还没离开非洲。错失了这个机会,智人必须要等到上一个冰期(1-2万年)前,才能通过白令海峡登陆北美。也就是说,人类在北美的历史不过一万余年。北美大陆上的主要大型哺乳动物没有和人类打交道的经验,纷纷被灭绝,包括马。

在冰期(比如MIS2-4)存在着很多的千年尺度气候快速变化事件,包括Henrich事件(后面章节会专门介绍)。这些事件都和AMOC的减弱有关。而在温暖的间冰期,则缺少这样频发的快速事件。科学家可以利用各种模型来模拟白令海峡的关闭对冰期千年尺度的气候事件的影响,结果发现,当白令海峡关闭时,北冰洋的淡水无法通过白令海峡返回流入太平洋,于是,AMOC恢复的时间就延长了。相反,当白令海峡开启时,造成AMOC减弱的淡水,可以通过白令海峡流入太平洋,这样AMOC就可以快速恢复。同时,在白令海峡关闭状态,北大西洋对淡水输入更加敏感,更能触发 AMOC减弱事件。这样说来,目前白令海峡是开放的,对抑制将来AMOC减弱事件,可能起到重要的调节作用。

白令海峡的关闭对白令海中层水的生成起到了重要作用。当冰期来临时,数据显示,白令海2000米以上的中层水区,氧气增加,和浅部的混合充分,中层水增强。由于浅部盐度的增加,会使得d18O的变化幅值降低。随着浅层水高盐度水混入中层水区,在中层水区的d18O记录也自然就会降低幅度。比如,在冰期,d18O值会减小。

这里我们再一次提到eNd同位素。对于古老的大陆物源,eNd的值很低,为-30-10。而新喷发出来的岛弧物质,其eNd的值在0+10之间。因此,白令海的浅水溶解了这些高eNd同位素的物质,其eNd也变得偏正。当浅层水和深层水混合后,深层水的eNd也会偏高。实际上也是如此,在白令海中沉积物记录的eNd,在每一次冷期,都会增加,证明了浅层水和中层水的充分混合,也就是中层水的生成增加。

与楚科奇海相比,白令海来的海水温度偏高,盐度低。当白令海水注入楚科奇海之后,会对楚科奇海的海冰发育产生重大影响。尤其是夏季,会加速楚科奇海海冰的融化和北退。看起来,在全球变暖的这一大背景下,北极冰盖加速融化,其中通过白令海峡的暖的太平洋水的注入量不容小觑。在同一过程中,由于太平洋水的密度小,盐度小,使得北冰洋的上层水体盐跃层厚度增加,从而阻碍中层水的热量向上运输。

4-4.5Ma之前的几个百万年,全球范围内发生了海洋中生产力爆发的现象。这个在白令海也被记录,说明当时可能在全球大洋尺度上的营养都比较充足。其中海底营养盐通过水体深度混合,被翻到海洋表面,这一机制肯定很重要。这一时期,海洋温度高,有充足的能量形成各种涡旋和风暴,确实能促进海水的混合。

4.5-3Ma中美海峡关闭,5-3Ma印尼海道关闭,这些构造事件对全球大洋循环产生重大影响,包括对东太平洋的上涌区。由于太平洋比较大,洋流分布具有空间性。所以,在整个太平洋区,不同地点洋流模式不尽相同,营养盐供给路径也会有差别,这就会造成当太平洋区营养盐供给下降时,会有时空上分布的不一致性。也就是在4.5Ma之后,营养盐供给变少,有的地方发生的会早一点,有的可能会晚一点,并不需要完全一致。比如,在白令海峡区,在4.2Ma开始发生海洋生产力大幅度下降,并持续到了~2.7Ma

在几个百万年中,营养盐的持续供给到底从何而来?其中一个合理的机制是,在温暖的气候条件下,北太平洋中层水无法形成,于是,南极中层水可以北侵占据北太平洋区。

2.7Ma,白令海的生产力激增,说明营养盐供给丰富,太平洋中层水在这里形成,水体混合较为容易。但是,当太平洋中层水流出白令海,这个中层水反而会封闭太平洋地层水,使得水体分层加剧,在同一时期,北太平洋的生产力反而下降。正所谓,几家欢乐几家愁。2.7Ma白令海峡的生产力激增,会增加这一海域的碳汇过程,对全球大气CO2降低可能产生显著影响。




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