火山活动对全球气候变化的影响

1、火山活动对全球气候变化的影响第7卷第1期2012年3月出版亚热带资源与环境JournalofSubtropicalResourcesandEnvironmentV01.7MarchNo.12012火山活动对全球气候变化的影响李平原,刘秀铭,刘植,赵国永,马明明,吕镔,郭晖(1.兰州大学a.西部环境教育部重点实验室,b.西部环境与气候变化研究院,兰州730000;2.福建师范大学地理科学学院,福州350007;3.Macquarie大学环境与地理系,澳大利亚悉尼NSW2109)摘要:火山活动是影响全球气候变化的重要因子之一.强烈的火山喷发会向大气圈排放大量的火山灰,水蒸气和SO等气体,尤其是SO

2、能在平流层中形成气溶胶,并停留很长时间,减少太阳对地表的辐射量,影响局地或全球气候.地质历史记录表明,火山活动与气候冷期有密切的联系,现代观测和模拟资料也显示火山活动后的一年至几年内,火山周围地区甚至全球产生不同程度的降温.现有研究表明,在火山喷发的活跃时期,火山气体喷发物对地球气候系统的影响程度可能超过CO,等气体产生的温室效应.关键词:气候变化;火山活动;不确定因素中图分类号:P467文献标识码:A文章编号:1673-7105(2012)01-0083-06VolcanicImpactsonGlobalClimateChangesklPingyuan,LIUXiuming,¨,L

3、IUZhi,ZHAOGuoyong,MAMingming,LVBin,GUOHui(1.a.ResearchSchoolofAridEnvironmentandClimateChange,b.KeyLaboratoryofWesternChinasEnvironmentalSystems(MinistryofEducation),LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.SchoolofGee?graphicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China;3.DepartmentofEnvironm

4、entandGeography,MacquafieUniversity,SydneyNSW2109,Australia)Abstract:Volcaniceruptionisoneofthemostimportantfactorsinfluencingglobalclimate.IntensivevolcanicactivitiesmayproducealotofvolcaniccashvaporandH2SO4gases,whichcausethereductionofsolarradiation,andturtherresultinloweringthetemperatureandinfl

5、uencingtheprecipitation.Geologicalrecordsrevealthatcoldclimatehasacloselinkwithvolcaniceruptions.Themodelsbasedonlotsofobservationsshowthattheareasaroundvolcano,evenoverglobalscale,shouldbehavingalowertemperatureinoneorseveralyearsaftertheeruptions.Researchesalsoindicatethattheeffectsofstrongvolcani

6、ceruptionsaremoreimportantthanthoseofgreenhousegases.Keywords:climatechange;volcaniceruptions;uncertainfactors0引言当前全球气候变化已经成为国际社会关切的重大环境问题和政治问题.2007年,政府间气候专门委员会(IPCC)公布了第4次评估报告AR4,指出最近100a(1906-2005)平均温度上升0.74oC,其变化主要原因是人类活动排放日益增多的CO等温室气体所导致的温室效应.AR4进一步预测,如收稿日期:201111-30基金项目:国家自然科学基金项目(41072124,4083

7、0105,40721061)作者简介:李平原(1986一),男,河南商水人,硕士研究生,从事自然地理,第四纪方面的研究,(E.mail)lpy19862006126.con.通讯作者:刘秀铭(1956一),男,福建福州人,博士,教授,主要从事第四纪地质与环境演变研究,(Email).CH.亚热带资源与环境第7卷果人类不控制温室气体的排放,全球温度将在本世纪末上升2.04.0,届时将带来一系列巨大的生态,社会和经济灾难¨.2009年联合国大会签署了哥本哈根协定,确定了全球变暖幅度2的阀值,并作为共识为世界各国所接受.尽管如此,当前有关气候变化的科学基础并不牢固,

8、许多认识在学术界并没达成共识.AR4也承认全球增温研究存在较多的不确定因素,许多预测没有给出定量判断的科学依据J.2007年成立的非政府问国际气候变化专门委员会(NIPCC)就针对AR4进行逐条反驳.同时,很多学者质疑AR4存在忽视或低估自然驱动因素对全球变化的影响.火山活动是影响气候变化的重要因子之一.关于火山对气候变化的影响,很早以前就得到科学界的关注.早在18世纪80年代,在法国为独立战争筹款的美国大使富兰克林(美国独立战争先驱,独立宣言的起草者,同时也是着名的科学家)指出l7831784年北美和欧洲等地区出现的异常冷夏与冰岛的Hekla火山爆发可能有关.1970年,H.H.Lamb提出

9、火山灰尘幕指数DVI(DustVeilIndex),已经能够科学定量的解释说明火山事件对气候变化的影响.1火山喷发影响全球气候的理论机制火山喷发在地球历史上是相对常见的内动力地质过程.火山喷发对气候的影响主要有以下方面:释放能量,喷出大量的岩浆冷却凝固成岩石;带来大量的气体如水蒸气,COSO等;还会形成大量的气溶胶和固体悬浮小颗粒.火山喷发产生大量的岩浆,并释放能量,但相对于整个庞大的气候系统来说,其影响可以忽略不计.火山喷发产生大量气体,最主要的是水蒸气,CO,SO,H:S,HC1以及少量的HF气体.其中水蒸气在大气中停留时间只有十几天,与全球水循环相比,影响有限.火山喷发带来的CO,每年有

10、1.32.3亿t,与人类排放的将近300亿tCO,相比,影响也可不计(最新公布结果2010年人类活动产生的CO:的为367亿t)J.因此,火山活动对气候变化的主要影响就是火山悬浮颗粒和s0,气体.火山喷发会形成大量的细颗粒灰尘(悬浮质),这些物质可以随火山喷发气体上升到平流层,并在随后的几个月至几年内减少太阳对地表的直接辐射量,并增加云层向外太空的散射和反射能量,由此降低地表的温度.这些细小的颗粒还会在高层大气环流的带动下向全球扩散,使火山活动的影响扩大至全球E引.火山喷发出来的气体上升高度可达1632km,进人平流层.因此,其中的s0也就随之进入平流层.在平流层里,不同高度的气体交换非常缓慢

11、,SO:可以在某个高度停留较长时间.平流层里的SO经过缓慢氧化并与羟基反应,形成硫酸,进一步形成硫酸盐固体颗粒,最后形成气溶胶,气溶胶会逐渐下沉抵达地面.SO形成的硫酸和硫酸盐气溶胶递减时间是35d,而硫酸和硫酸盐形成的气溶胶沉积的时间是12到14个月,存留时间较长.这些气溶胶在平流层中强烈的散射和反射太阳辐射,导致入射的太阳短波辐射减少,地表温度降低.进入平流层的SO所形成的气溶胶与火山直接喷发出来的火山灰有所不同,火山喷发出来的灰尘主要成分是硅酸盐,这些硅酸盐颗粒一般都在2Ixm以上,在重力的作用下,可以很快从平流层中清除,对气候的长期影响不大,只是对于爆发后的气候有显着的短期影响.火山喷

12、发形成的硫酸盐气溶胶对气温的下降有显着的影响.学者对1991年皮纳图博火山喷发的模拟与实际观测,进一步证实了火山活动对气候的影响.李晓东等的模拟结果显示火山喷发形成的平流层气溶胶可以维持3a时间,造成局地最大降温1.4oC,全球平均降温0.5_6J.Parker等的模拟显示,地面降温可达0.5,对流层降温0.6.根据其后进行的实际观测,1992年北半球l一10月份气候偏冷地区明显增多,气候冷区逐渐北移j.通过对比卫星资料,证实模拟结果较为可靠.2火山喷发影响全球气候的地质记录和历史文献记载由于缺乏详细的地质资料,地质时期火山活动对气候变化的影响研究较薄弱.郭正府,刘嘉麒等提出,在地质时期不同的

13、火山类型对气候的影响有所不同.其中,面积超过10第l期李平原等:火山活动对全球气候变化的影响85km,厚度高达数千米的大火成岩省(如印度德干高原)对气候的影响最为强烈.大火成岩省喷发会导致地表温度降低,海平面下降,造成冰期的来临.Widdowson等通过模拟德干高原玄武岩喷出硫化物产生的气候效应表明,在喷发高峰期问(约1Ma),火山喷发导致全球地表温度平均降低1015cI=,相当于由问冰期到冰期降低的温度J.殷鸿福等发现中国华南地区二叠系与三叠系交界处广泛分布着火山岩或凝灰岩,并含有火山成因的结构,构造及矿物,说明火山活动与这个时期的生物大灭绝有密切的联系E83.在第四纪,火山活动对气候也产生

14、了重要影响.深海岩芯研究表明,近2MaBP以来,火山活动明显加强.在印度洋深海沉积中,M与MIS4之间的层位上存在一层火山灰,研究表明,此火山灰层是73.5kaBPSumatra岛上的Toba火山强烈喷发形成的.同时,南极冰芯记录的非海相硫酸盐的含量显着增加.据估算在此期问,可能有数十亿吨的火山灰和气溶胶喷发到平流层,造成全球降温35,并持续数年之久¨.Bryson研究40ka以来的火山活动表明,喷发频率最高的时期为25kaBP附近,与最后冰期的盛冰期开始时间相当.另外,还有一次较小的峰值出现在11.9kaBP前后,略早于新仙女木事件.Bryson甚至认为,大多数1010a尺度上的气

15、候事件是由火山喷发频次变化引起的_9J.于革等最近统计东亚,太平洋地区全新世近一万年来火山喷发表明,在200O一3000aBP前后,4000aBP,5000aBP,7000aBP出现火山集中爆发期与气候降温期对应,推测火山集中爆发与东亚降温有某种因果联系¨.进入历史时期,由于有了:艾字记录,火山活动也有了较详细的记载¨.费杰,周杰等发现公元934年冰岛的Eldgja火山喷发,导致中国939942年降温,其中洛阳,开封地区的降温幅度达到58¨.有学者表明,16001850年是历史时期火山活动频繁且强度较大的时期,同时也是大家所熟知的明清小冰期时期¨.一些学

16、者通过文献记录发现,日本历史上着名的4次冷害(1695年,1755年,1783年,1837年)均与强火山喷发有很好的对应关系¨.3近现代火山活动对全球气候影响的观测与模拟最近几十年科学家对火山活动进行了一系列的观测,记录到火山活动影响气候系统的整个过程.Kelly和Sear针对1881-1980年的9次大的火山喷发事件进行了系统研究,指出大火山喷发后的12a全球年均温下降约0.3,之后逐渐回升,约45a恢复正常,小火山喷发对全球温度影响很小,影响时间较短.火山喷发对南北半球的影响也有差别,北半球火山喷发后的2个月北半球气温下降明显,南半球喷发后18个月北半球气温降幅最大17.Tayl

17、or等研究较强火山喷发后南北半球年均温下降差别不是很大,且较显着的降温时问出现在北半球晚(火山喷发后12a),南半球早(火山喷发后01a)t8.Robock等指出,在近赤道喷发的火山对低纬度的影响比高纬度明显,从而加大了赤道与极地的温度梯度,使北半球冬季易产生极地涡旋,洋面温度升高,导致间接产生的水平对流引起的温度变化较辐射变化更明显.实际观测资料也显示,火山活动对全球变化的影响是比较明显的.李靖,张德二通过统计1958年来的地面气象资料和探空资料发现,大的火山喷发后地面记录和高空探测均发现全球性的温度异常现象.图1中显示,1963年印尼阿贡(Agung)火山,1982年墨西哥艾尔奇琼(ELC

18、hichon)和1991年菲律宾的皮纳图博(Pinatubo)火山喷发后,气候明显异常的现象持续了13a左右J.据徐群等跟踪研究,菲律宾皮纳图博火山1991年6月中旬出现了多次的大爆发,大约超过20Mt的SO,进入183Okm的平流层,形成20世纪最大的一次火山云事件,在其后的1992年中国夏季和秋季出现了大范围的低温现象,东北至内蒙古地区和长江下游地区甚至都出现了不同程度的冷害.据卫星资料显示,北半球1992年是近10a来最冷的年份,南半球温度变化较小.火山喷发不仅仅影响温度的变化,它还影响降雨量的变化,产生一系列的旱涝灾害.中国是有旱涝历史记录较长的国家,据张富国等根据中国1470-199

19、0年旱涝资料指出,强火山的喷发对中国不同区域影响不同,火山爆发后2a内,华北地区夏季降雨量有减少趋势,以偏旱为主,华北中南部有不太明86亚热带资源与环境第7卷O.S0.0赠0.51.O矗.AJ/1矗.,fl羹1960197019801990年份图1地表温度变化图Figure1Thetemperaturechangesonthegroundsurface显的趋势.据李靖统计近500a火山和降雨资料发现,在北半球火山喷发当年,黄河流域降水偏少;南半球低纬度火山喷发当年,黄河流域降水较多;南北半球火山喷发1a后,黄河流域降水也增多.但是,火山活动和降水量的关系比较复杂,不同地区的火山活动对不同地区的

20、降雨量影响不同,而且影响降水的因素很多,很难提取火山活动的信号.60J幸0奄懊-330廿20lOO140015001600170018001900l990年份疆洋,×若苫注:锯齿状折线代表每年喷发的火山总数,中心粗实线为10a滑动平均值,总数中不包括喷发有年份不明的火山;一火山在同一年内喷发一次以上,总数记为一次."已知火山数"代表到该年为止有过历史喷发记录的火山数;"人口数"代表全球人L1总数.图2最近600a来火山喷发记录Figure2Recordsaboutvolcaniceruptionsinrecent600years2011年,火山

21、喷发的消息被报道出来,包括智利的普耶韦火山,日本的新燃岳火山,印尼的罗肯火山,冰岛的格里姆火山等等或大或小都一一喷发.这是不是像一些专家所说的那样,地球已经进入新第1期李平原等:火山活动对全球气候变化的影响87一轮的火山活跃期,尚不得而知.但据李靖,张德二统计的结果,近600a来火山喷发有增加趋势.倘若统计确切真实,火山爆发对地球的影响程度将超过温室效应,人类将面临比全球变暖还要严重的威胁.4结语综上所述,火山喷发产生火山灰尘,水蒸气和s0等酸性气体.但对气候影响最大的是s0:气体,它随火山喷发上升到平流层,随后形成硫酸盐气溶胶,能存留很长时间.在这个过程中,大量的气溶胶扩散至周围区域甚至全球

22、,反射和折射太阳辐射,减少太阳对地表的直接辐射量,降低地表温度.一系列的研究表明,在地质历史时期火山活动与全球冰期有密切关系.通过近现代观测与模拟,发现火山活动后的一年至几年内,局部地区或全球会产生不同程度的降温.IPCCAR4再次肯定21世纪全球温度将持续快速升高,并且还会给人类社会带来一系列不利的影响.火山活动是影响未来全球气候变化趋势的不确定因素之一,火山喷发所导致的气候变化在一定程度上会超过温室气体对全球变化产生的影响.因此,对火山活动规律的认识有一个坚实的科学根据是非常必要的.已有地质记录,文献记载和现代科学研究均证实,火山喷发是影响全球气候变化和生物圈发展的重要因素,但是关于火山活

23、动的监测预报,火山活动的周期变化以及火山喷发物对大气圈辐射平衡影响的物理机制等科学问题尚待深入研究.总之,在未来全球气候变化问题上,不能不考虑火山活动等不确定因素的影响.志谢:真诚感谢福建师范大学李志忠老师的耐心指导和宝贵建议.参考文献:1IPCC.ClimateChange2007:SynthesisReport(SummaryforPolicymakers)M.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2007:222.2GeQ.ansheng,WangShaowIJ,FangXiuqi.Anuncertaintyanalysisofunderstandingo

24、nclimatechangeJ.GeographicalResearch,2010,29(2):192-203.葛全胜,王绍武,方修琦.气候变化研究中若干不确定性的认识问题J.地理研究,2010,29(2):192-203.3LambHH_VolcanicdustintheatmospherewithachronologyandassessmentofitsmeteorologicalsignificanceJ.PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon,1970,12(1):79-90.4GuoZhengfu,LiuJiaqi.Res

25、earchadvanceineffectofvolcanismonclimatechangesJ.AdvanceinEarthSciences,2002,17(4):595-605.郭正府,刘嘉麒.火山活动与气候变化研究进展J.地球科学进展,2002,17(4):595-605.5LiJing,ZhangDeer.ImpactofvolcaniceruptionsonclimateJ.MeteorologicalScienceandTechnology,2005,33(3):193199.李靖,张德二.火山活动对气候的影响J.气象科技,2005,33(3):193199.6LiXiaodong

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27、exin,eta1.VolcanismatthePermian?TriassicBoundaryinSouthChinaanditseffectsonmassextinctionJ.GeologicalScience,1989,2:169180.殷鸿福,黄思骥,张克信,等.华南二叠纪一三叠纪之交的火山活动及其对生物灭绝的影响J.地质,1989,2:169-180.9SimkinT.Distanteffectsofvoleanism-Howbigandhowoften?J.Science,1994,26(4):913-914.1OMillspaughSH,WhitlockC,BartleinPJ

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29、explosionsduringthelast12000yearsandthevolcanicimpactsonclimatechangesJ.JournalofLakeSciences,2003,15(1):1419.于革,刘健.全球12000aBP以来火山爆发记录及其对气候变化影响的评估J.湖泊科学,2003,15(1):1419.ChristophS,PierLV,DanielL,eta1.TheroleofincreasingtemperaturevariabilityinEuropeansummerheatwavesJ.LetterstoNature,2004,42(7):332336.EsperJ,EdwardRC,SehweingruberFH,eta1.Low一equencysignalsinlongtreeringchronologiesforreconstructingpasttemperaturevariabilityJ.Science,2002,22(9):2250-2253.FeiJie,ZhouJie,HouYong-jian,eta1.Chinesehistoryrecord