如何知道最近50萬年的大氣溫度變化 – 氫同位素

(陳明德,科學人2005.04,P3)

在自然界中,氫有兩種穩定同位素1H 與2H(2H 又稱氘)。在水蒸發的過程中(由液態變氣態),由1H組成的水分子容易被分餾到氣態中,而由2H組成的水分子則容易被保留在液態。在水蒸氣凝結(或結冰)的過程中,由2H組成的水分子則容易先凝結,導致液態水或進一步受冷所形成的冰晶中含有相對較多由2H組成的水分子。當氣候轉冷,大氣中的水蒸氣不斷冷凝成水或冰晶時,水蒸氣中所含由2H組成的水分子便越來越少,因此,當氣候越冷,南北極降雪所形成冰晶的氫同位素便相對越輕。冰芯中的δD值越偏負值,表示降雪當時的大氣溫度越低。

EPICA冰芯記錄清楚顯示(圖c),冰川終止第四期至第二期之後的間冰期,大氣溫度保持在溫暖情況的時間不長,僅有1 萬年左右(以柱狀陰影顯示),原因可能是因為當時的「離心率」較高,歲差引起的氣候變化效應增強;但在冰川終止第五期之後的間冰期,大氣溫度呈現約達2 萬8000 年的溫暖狀況(柱狀陰影處),可能是由於當時的「離心率」較低,歲差引起的氣候變化效應減弱或消失,氣候未因歲差週期變化而轉冷。


圖四
a 平均週期為2 萬2000 年的歲差變化指標。偏負值代表北半球夏季太陽輻射入射量增加與冬季輻射入射量減少,偏正值則代表北半球夏季太陽輻射入射量減少與冬季輻射入射量增加的軌道力參數條件。
b平均週期為10 萬年的離心率變化指標。高值代表地球繞太陽公轉的軌道面較為橢圓,而低值代表軌道面較接近圓形。
c 最新發表的南極冰心EPICA的冰晶氫穩定同位素( D)記錄。代表過去大氣溫度的變化。

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