环境

海洋的崛起:直到'où ?

在二十世纪,海平面上升了约17厘米。由于大陆冰融化的增加,到2100年预计会上升几十厘米。

安妮·卡泽纳夫(Anny Cazenave)和艾蒂安·伯蒂埃(ÉtienneBerthier) 用于科学N 388
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尽管自大气层形成以来,水就一直在地球上的闭合回路中循环,但平均海平面仍远远不稳定。因此,取决于气候和地壳的运动,在地质时期内,地壳经历了数百米或更高级别的大规模波动。例如,在白垩纪时期(地质时期大约在145到6500万年前),海平面比今天高了100到300米。有几个因素可以解释这种差异:地球的气候(因此海洋)更暖和南极极地,目前南极极地相当于海平面60米(如果融化),n'还不存在。另外,由于海脊的剧烈活动,海盆的体积较小。

海洋:气候的摆布

在大约五千万年中,这一平均水平缓慢下降,尤其是在三千五百万年前,随着南极冰盖形成的开始。自从接近当前水平以来,已经有三到四百万年了,但是在几万年的时间里,正负100米的波动很大。

这些波动是由于第四纪的冰川-冰川间期的主要气候周期造成的,与地球轨道及其自转轴方向的变化有关:地球,月球,太阳和其他行星之间的相互引力引力太阳系会导致地球绕太阳的偏心率及其相对于轨道平面的旋转轴倾斜的缓慢变化。这改变了地球高纬度地区季节性接收的太阳能(中暑)量。除这些影响外,还出现了春分点进动,在冬至夏至之际,这引起了地球与太阳距离的变化。这些天文学现象的主要周期约为100,000、40,000和20,000年,这在第四纪的主要气候周期中都可以找到。

在大约900,000年中,冷(冰川)期和热(间冰期)时期相继出现,速度约为100,000年。在20,000年前的最后一次冰川最大时期,海平面比今天低了约120米,因为海水被困在大型冰盖中,然后覆盖了北美和欧洲。在冰河时代末期,冰融化,海平面上升,然后在大约3000年前趋于平稳。

在几十年甚至几个世纪的规模上,如果海平面的变化小得多,气候仍然是其主要原因。它通过什么机制作用于海洋?这项行动在海平面上将产生什么后果?我们将根据海洋学和冰川学的最新工作来研究这一点。

海洋的崛起正在加速

在过去的几个世纪中,平均水平变化不大(每年增加不到0.5毫米)。但是,到 ixe 世纪,海洋开始上升;记录证明

从那时起可用的潮汐计。历史上的潮汐仪数量很少,而且在地球上分布不均,因此只能提供相对于地壳的海平面的相对测量,因此无法避免地壳的运动。但是,仅考虑地质稳定地点的高质量记录,我们观察了一个世纪以来海平面的上升。自1950年以来,每年的上升速度估计为1.7±0.3毫米。

从1990年代开始,特别是高度计卫星 Topex-Poseidon (从1992年到2006年)及其继任者 杰森1 (自2001年起)和 杰森2 (自2008年起),由国家太空研究中心(锥体)在法国和 美国航空航天局 在美国,不断监测全球海平面变化,卫星测高已成为研究海洋的重要工具:卫星发射垂直于地球表面的雷达波,然后分析雷达回波。海洋的高度等于卫星相对于参考表面的高度(模拟地球平均形状的椭圆体)与卫星-海洋表面距离(由波的传播时间得出)之间的差。不受地壳运动的影响,该任意表面使所有海平面测量结果具有可比性。

该技术提供了卓越的精度:测量误差在1到2厘米之间。卫星可以在几天内完成所有海洋的完整网格: 杰森2例如,在110分钟内绕地球旋转。随着卫星的旋转,每条卫星路径都会将其带到新的区域。在十天之内(即127转),它完成了它的轨道周期并定期绕地球。通过每十天越过相同的海洋区域,卫星可以检测出海洋高度随时间的变化。自1993年以来,已经观察到全球平均海平面每年平均增长3.4±0.4毫米,高于过去50年中用潮汐仪测得的每年1.7毫米的值。 (见图2)。此外,海平面上升并不均匀:在某些地区,例如西太平洋,海平面上升速度是平均速度的三倍。 (见图2b).

大多数科学家将当前的海平面上升与最近的全球变暖联系起来,至少部分原因是由于人为温室气体排放。实际上,正如最近的许多研究表明的那样,海平面上升是全球变暖的直接结果,并且是两个主要原因。一方面,海洋温度升高,从而引起其热膨胀(温度升高时,水膨胀,海洋水位上升)。另一方面,大陆冰正在融化,释放出淡水,这增加了海洋的体积,海平面上升。让我们更详细地研究这两个因素。

海洋变暖并扩大

得益于过去40到50年间在地表至1,000米深之间的海温测量数据, 从船上 海洋学家观察到海洋浮标,海洋已经变暖:从1960年开始,这种表面变暖大约为0.6°C,整个海洋大约为0.04°C。尽管此最后一个值远低于同一时期低层大气的平均温度升高,但由于海洋具有非常大的储热能力,它对应于相当大量的热量:按质量计(质量的300倍)大气中的热量)和高的海水比热值(是空气的四倍),在同等温度上升时,海洋可以存储比大气多出约1200倍的热量。海洋学家计算得出,在过去40年中,海洋中存储的热量是对低层大气进行加热的热量的20倍。据估计,在过去40年中,气候系统中积聚的近90%的热量(主要是人为因素)存储在海洋中。

海洋变暖主要影响其表层 (最初的500米),但在某些地区也涉及深层,因为热异常是通过长时间(几十年到几百年)复杂的海洋环流从地表传输到深海的。反应的这种缓慢性使海洋在气候系统的热调节器中发挥了重要作用。

海洋温度测量 在给定的位置和日期,热膨胀与水柱上的积分成正比(通常最大可达1000米,以下缺少测量值)。在不同深度测得的海水温度变化。在评估了许多地方和日期的热膨胀后,估计这可以解释约25% 在过去40年中观察到的增长。在“高空”时期(自1993年以来),这一贡献增加了,估计约为30%。

海水温度的观测结果还表明,海洋变暖及其热膨胀并不均匀。热膨胀的区域变化似乎与空间测高仪绘制的海平面变化非常相似。 (见图2c) :高于平均水平的区域对应于海平面上升较快的区域,反之亦然。热膨胀的区域差异是由海洋环流传热的方式引起的。它主要受海洋-大气系统耦合的主要气候干扰的控制,例如热带太平洋的厄尔尼诺现象或北大西洋的北大西洋振荡。 因此,在最温暖的海洋地区,热膨胀是海平面上升的主要原因。

冰淇淋融化了

导致海平面上升的另一个主要因素是大陆冰川,高山冰川和冰盖的融化。冰川以积雪为食。积雪在重力作用下变成冰,流向山谷。在较低的高度,损失占主导地位。在这个被称为消融区的区域,当冰川在湖中或在海洋中终结时,冰会通过融化,升华以及有时的冰山崩裂而消失。近几十年来,这些冰川的前缘普遍下降。自小冰河时代结束以来,由于对地球自然变暖的延迟反应,这是部分原因。 十六e 世纪中期 ixe 由于极少的太阳活动而造成的世纪。因此,冰川的长度和面积会对气候波动做出反应(从几年到几千年),这与质量平衡不同,质量平衡每年都会根据积累和冰消融而变化。由于高山冰川的热力学性质(大多数冰川是温带的,温度为0°C,因此任何能量输入(因此产生热量)都会使它们融化),它们的质量平衡立即响应于冰川的上升。气温;因此,它是对气候波动和参数的忠实反映,可以确定冰川对海平面上升的贡献。自1980年代以来,这种评估已越来越负面。

融化的冰增加了径流 水文网络。 很好,这些淡水流入大海并提高水位。得益于在世界大冰冷地区(阿拉斯加,巴塔哥尼亚,喜马拉雅山等)进行的实地观察,据估计,过去15年中,高山冰川对海平面上升的贡献约为30%。如今,冰川学家使用卫星图像来测试野外测量的代表性(限于少数冰川,通常规模较小),并在最难以接近的地区和山脉的规模上测量冰川体积的变化。例如,基于大地测量和卫星图像的工作表明,在1963年至2000年之间,克格伦群岛(印度洋南部)的库克冰盖损失了其体积的22% (见图4)。与世界其他地区一样,在克格伦岛,自1980年至1990年以来冰川的质量损失加速只能归因于最近的变暖,主要是人为起源。

极帽不排除。如果它们完全融化,储存在格陵兰岛和南极洲西部(该大陆最不稳定的地区)的冰盖将使海平面上升约12米。当然,这种前景在几十年的规模上是不现实的。但是值得回想一下几个数字:古气候观测告诉我们,在125,000年前的前一次冰间期,平均温度比当前温度平均高1.5°C至2.5°C。日照)和海平面比今天高四到六米。这种增长的大部分归因于格陵兰帽的融化,而南极洲的贡献很小。 即使最后一次间冰期不是未来气候的完美模拟,也有理由担心地球平均温度预期升高所带来的后果。 xie 极地盖帽世纪,因此是海平面。

我们今天在哪里?多亏了卫星,我们跟随 近二十年来,格陵兰岛和南极洲的冰团发生了变化。空间测高法可以测量瓶盖高度的变化并推断出瓶盖的体积变化。借助一种称为雷达干涉测量的技术, 有人估计沿海冰川流向大海的速度,因此以海洋冰山的形式排出的冰量;通过将此结果与表面质量平衡测量值(降雪量)相结合可获得总质量平衡 表面熔化)。最后,自2002年以来,空间重力法(任务 恩典), 可以直接测量瓶盖冰块的变化。

使命 恩典 由于有两个相同的卫星在低空轨道(约400公里)中一个又一个地飞过,因此首次允许测量地球重力的时间变化。超精密无线电系统连续测量两颗卫星之间的距离,误差在十微米以内。当前卫卫星飞越正质量异常时,它会加速:卫星之间的距离会增加。片刻之后,当后方卫星飞过相同的质量异常时,它也加速了,这减小了卫星之间的距离(不再对这种异常敏感,前向卫星已恢复了巡航速度。)。

通过对这些距离测量值以及其他精确的轨道测量值进行分析,可以绘制出表面和行星内部的质量异常图。卫星 恩典 在大约一个月的时间内制作一个完整的地球网格,以便从一个月到下一个月,我们可以建立有关地球引力以及其时间变化的全球地图。在几个月到几年的时间尺度上,重力(和质量)的这些时间变化主要发生在海洋,冰帽和河流盆地的水平。

因此,测量分析 恩典 表示格陵兰岛南部沿海地区的质量损失非常明显,十年来每年约有150至2000亿吨冰(近年来明显加速,每年又增加了300亿吨) ) (见图5a)。这些观察结果还揭示了南极西部特别是阿蒙森海地区的冰块大量损失。据估计,南极洲西部每年的冰失量在100到2000亿吨之间,自2006年以来观察到明显增加。另一方面,南极东部地区似乎基本处于平衡状态: ,某些沿海地区的冰块损失被其他地区积雪的增加所抵消。

伟大的未知数:极地盖帽

在过去的15年中,极地冰盖对海平面上升的总贡献平均为30%(每年3600亿吨冰损失相当于每年海平面上升1毫米,即自1993年以来的三分之一) )。但是,由于格陵兰和南极西部沿海地区冰块加速流失,这种情况正在增加。沿海冰川向海洋的流动更快以及冰山向海洋的排放,可以解释这种加速。当冰川下游漂浮在海上时,这种现象尤为活跃,例如,位于该岛西海岸的格陵兰岛最大的冰川雅各布港伊斯布雷冰川就是这样:自1997年以来,其流速增加了一倍。每年达到近15公里,同时,其前部已退去 (见图5b).

我们才刚刚开始看到这种现象的机制。最重要的无疑是与作用在冰川前沿的力量平衡有关。由于海水的变暖,冰川的前部变薄,无法保持上游的冰流。冰川变得不稳定。 在南极洲,我们观察到相同的现象,尤其是在 冰川以冰架结束。平台的变薄可以减少它施加在喂食它的冰川上的压力,从而使其加速。如果平台突然解体(例如在南极半岛),它可以自由控制冰川向海的流动:后者的速度可以提高十倍!在格陵兰,另一种现象将导致冰川的不稳定(尽管是次要的):夏季融化 在表面,水通过缝隙的传播润滑了瓶盖的底部,该底部较少粘附在基岩上,从而加速了冰向大海的流动。

极地冰盖的动力学是复杂的,仍然知之甚少。我们不知道近年来观察到的现象是否会减少或相反。因此,对极帽行为的空间观察是一个主要问题。

另一个不太为人所知的对海平面变化的贡献是由大陆水库向海洋转移淡水造成的。地球上的水通过降水,蒸发和流向海洋的方式在海洋,大气层和陆地之间不断交换。 通过 水文网络(这是水循环,其主要引擎是太阳)。在各大洲,土壤,含水层,地表水库(湖泊,洪泛平原)和积雪中所含的总水量不是恒定的,但会因降水,蒸发或径流的变化而略有波动。

这些波动的原因是多方面的,与气候变化,森林砍伐,土地利用,在河上修建水坝,抽地下水,灌溉农作物和城市化有关。由于大气中的水储存是短暂的(几天)并且数量有限,因此在几年到几十年的时间范围内,大陆上的水减少意味着海洋中的水更多(因此,海平面更高)级别),反之亦然。

直到最近,还不可能计算出地球上所有河流流域的淡水储量的波动,因为尚无全球网络可以测量这一数量。但是,自2002年以来,重力卫星 恩典 使测量大型流域和积雪中的水量变化成为可能。通过这一系列的观察(仍然非常有限),看来内陆水域目前对海平面趋势的影响有限(不到10%),但是极大地促进了其季节性和年际振荡。

大坝建在世界大河上 xxe 研究估计,如果没有水坝,1950年至2000年之间的海平面上升速度(每年增加0.5毫米)将比潮汐记录的速度更快(世纪每年),这可能是由于人工水库中部分自然流量“滞流”了影响海平面。仪表。但是,这没有指望将地下水泵入家用和农业用含水层的相反作用,特别是在半干旱地区。很难对此因素进行量化,但是一些研究人员认为,水文网络中水径流的诱因增加抵消了水坝的影响。空间重力法不能将气候影响与人为因素区分开,而是将它们综合在一起。无论如何,这是研究海平面的基本信息。

和明天 ?

我们可以预测未来海平面的变化吗?原则上可以,但是这样做很困难,因为气候系统的所有组成部分都参与了这种演变以及某些人类活动。

为了预测未来的海平面变化(与其他气候参数一样),必须使用模型来模拟未来温室气体排放的不同情景下的气候变化。在报告中 吉奇 (政府间气候变化专家组)于2007年发布,据此,根据气候模型的一组预测,到2100年海平面上升的总体平均水平估计为40±20厘米(与当前水平相比)。来自各个实验室。大约20厘米的不确定性,一方面是由于模型之间的差异,另一方面是由于未来温室气体排放情景的不确定性(以及由此导致的变暖)。这些预测可以说代表了未来海平面上升的下限,因为它们仅考虑了未来的海洋变暖和预测的山冰川融化。最近强调的与极地帽的不稳定性有关的现象尚未在未来的气候模型中予以考虑:在编写气候变化报告的过程中发现了冰河的快速流动。 吉奇。最近的观察甚至表明,这种现象正在加速发展,这可能是由于帽盖基岩低于海平面的地区沿海海洋变暖所致。

为了减轻对格陵兰岛和南极洲未来行为的不确定性,已经开发了基于海平面上升速度与地球平均温度之间过去关系的“经验”预测。这些不排除未来海平面平均上升约一米 (见图6)。但是,自发布最新报告以来, 吉奇,冰川学家已经做出了许多努力来模拟极地盖对当前变暖的动态响应。包括极地冰动力学在内的未来全球平均海平面上升的更准确的预测应该很快就会出现。

对沿海地区有什么影响?

海平面上升对许多低洼地区,通常是人口稠密的沿海地区构成威胁。除了与全球变暖及其明显的区域变化有关的增加外,还增加了其他非气候现象,例如自然现象导致的土壤下沉(例如大河流域三角洲的泥沙负荷)或人为来源(用于农业的地下水抽取或天然气和石油的抽取)。因此,墨西哥湾的石油勘探每年导致近十毫米的土壤沉陷(通过精确的定位技术进行测量,例如 全球定位系统),再加上当前气候起源海平面的上升。在密西西比河三角洲,由于在河上修建水坝而导致的海岸泥沙输入量减少,进一步增加了该地区已经受到土地沉降和海平面上升干扰的脆弱性,削弱了世界其他许多沿海地区。抽取地下水后,东京或上海等大型海洋大城市逐渐沉没了几米。

现在,大约有6亿人生活在海拔不超过当前海平面10米的沿海地区,这些人口已经遭受了反复的压力(与气象事件,极端事件,地面低陷等有关的灾难性洪水)。如果我们提到水位上升的一些可预见的后果,那么未来这些地区的预期海平面上升将是一个加剧的因素:沿海侵蚀,含水层盐渍化,区域消失,潮湿,永久性洪水...

即使在不太可能的温室气体浓度即将稳定的假设下,海平面仍将持续很长时间(几个世纪)上升。一方面,这是由于海洋的行为所致,该行为长时间存储了气候系统的热量,另一方面是由于极地冰对全球变暖的缓慢响应。

当前气候学研究的主要挑战之一是不仅对未来全球平均海平面上升,而且对区域变化的预测也有所改进。继续观察 原位 此外,与海平面上升有关的气候系统所有组成部分的卫星,对于充分了解所涉及的现象和改善气候模式也至关重要。最后,必须考虑到未来的海平面上升对社会的影响,不仅要考虑气候变化,还要考虑人为因素,地质背景甚至城市化。

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