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常问的问题6.1 : 工业化时代之前出现冰期和发生其它重要气候变化的
常问的问题6.1
工业化时代之前出现冰期和发生其它重要气候变化的原因是什么?
地球的气候在所有时间尺度上都发生了变化，其中包括远在人类活动能够发挥作用之前。在认识这些气候变化的成因和机制方面取得了很大的进展。地球辐射平衡的变化是过去气候变化的主要驱动因子，但这些变化的原因各不相同。任何一种情况，无论是冰期、恐龙时代的暖期或是过去一千年中的波动，其具体原因都必须单独确定。在许多情况下，现在已经能够很有信心地确定其成因，利用各种量化模式可以重建许多过去的气候变化过程。
全球气候是由地球辐射平衡所决定的(见常问的问题1.1)。有三种基本途径可以改变地球的辐射平衡，从而导致气候变化: (1) 改变射入的太阳辐射(例如，地球轨道或太阳自身的变化)；(2) 改变太阳辐射的反射率(该反射率称之为反照率，它可以通过云层的变化、被称为气溶胶的颗粒物或陆地层等来改变)；(3) 改变辐射回空间的长波的能量(例如，通过改变二氧化碳的浓度)。此外，局地气候也取决于风和洋流如何分布热量。所有这些因素都在过去的气候变化中发挥了作用。
FAQ6.1,图1。驱动冰期的周期(米兰科维奇周期)的地球轨道变化示意图。“T”表示地轴倾斜度的变化，“E”表示离心力的变化(由于椭圆轨道短轴的变化引起)，“P”代表岁差，即以轨道上某一特定轨道位置上，地轴倾斜方向的变化。出处：Rahmstorf 和 Schellnhuber (2006)。.
从冰期开始到过去近300万年的周期中，有充分的证据显示，这些变化与地球围绕太阳的轨道的周期变化有关，这些周期也即所谓的米兰科维奇周期(图1)。这些周期改变了每个纬度每个季节接收的太阳辐射(但几乎对全球年平均值没有影响)，我们可以以天文精度计算出这些周期。目前仍就冰期具体从何时开始和结束进行讨论，但有许多研究表明，北半球各大洲夏季日照至关重要: 如果低于某个阈值，过去冬季的雪在夏季就不会融化，随着越来越多的雪积累下来，冰盖就开始增厚。气候模式的模拟结果证实冰期的确可以这样开始，同时还利用一些简单的概念模式在轨道变化的基础上成功地“后报”了过去冰期的开始。与前几个冰期的开始相类似，下一次北半球夏季日射的大幅减少将在30,000年后开始。
大气中的二氧化碳(CO2)虽然不是首要原因，但它在冰河期也起到重要的作用。南极冰芯资料显示，二氧化碳在寒冷的冰川时代浓度很低(~190 ppm)，在温暖的间冰期浓度要高(~280ppm)，大气CO2随着南极气温的变化而变化，滞后期约有几百年。由于从冰期开始到结束的气候变化持续数千年，这些变化多数是受到
二氧化碳正反馈的影响; 即:由于米兰科维奇周期最初引发的小幅冷却随着二氧化碳浓度下降而被放大。只有在考虑到二氧化碳作用的情况下，冰期气候的模拟(见第6.4.1节的讨论)才能产生令人满意的结果。
在上个冰期发生了20起突变的和剧烈的气候转迁，在北大西洋周边的记录中尤为突出(见6.4节)。这些变迁不同于冰川间冰期的周期，在此周期内没有大的全球平均温度变化：格陵兰和南极的变化不同步，在南大西洋和北大西洋呈相反方向。这意味着已经不需要全球辐射平衡的重大变化就能引发上述变迁；在气候系统中的热量重新分布就足以触发变迁。事实上有确凿的证据表明，海洋环流和热输送的变化可以解释很多这些突发事件的特征；沉积物资料及模式模拟显示其中一些变化可能是由那个时代环绕大西洋的冰盖不稳定性及与之相关的淡水释放到海洋所触发的。
在过去的5亿年期间，气候历史上也曾发生过偏暖的时期，地球可能完全没有冰盖(地质学家可从岩石上的冰叶标迹予以判别)，而不像今天的格陵兰和南极被冰盖覆盖。追溯到过去一百万年以上的有关温室气体的资料，即超过南极冰芯年代的数据，仍有相当大的不确定性。但对地质采样的分析表明无冰暖期与大气中二氧化碳高浓度相吻合。在百万年时间尺度上，二氧化碳浓度的变化是由于地壳构造活动引起的，它影响到海洋和大气与固体地球的CO2交换。如欲了解这些古代气候的更多详情，请参阅文框6.1。
过去气候变化的另一个可能的原因是太阳能量输出的变化。最近几十年的观测表明太阳能量输出在11年的周期中有略有变化(接近0.1%)。太阳黑子观测(可追溯到17世纪)以及从宇宙辐射产生的同位素资料证明了太阳活动的长期变化。数据相关性和模式模拟结果均表明，在工业化时代开始前的一百万年中，太阳变化和火山活动有可能是导致气候变异的首要原因。
这些例子说明过去不同的气候变化都有不同的原因。自然因子在过去引起气候变化的事实并不意味着目前的气候变化是自然的。如此类推，森林火灾长期以来一直是自然界雷击造成的，但并不意味着火灾不可能是由一位粗心的露营者引发。常问的问题2.1讨论了与自然影响相比，人类如何引起最近的气候变化。