中科院大气物理所:想知道美剧“权游”里“凛冬”的形成吗?

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  2019年4月15日,经过将近2年的漫长守候,被誉为全球第一神剧的《权力的游戏》第八季终于开更,围绕着维斯特洛大陆上的异鬼、女巫、喷火龙与黄暴污的故事将要揭开最终的谜团,这部伏线千里纵横七国的宏大历史神剧将要终结。这片魔幻神奇的大陆上,为什么会有诡异的气候?漫漫凛冬到底是怎么形成的?我们试图探索一下。

  

  一、《冰与火之歌》结束之后800年的世界

  在《冰与火之歌》的故事结束800年以后,琼恩·坦格利安(琼恩·斯诺)和丹妮莉丝·坦格利安和九大家族和七大王国的故事早已经泯灭于浩淼的历史中,史学家和那段故事的发烧友还在孜孜不倦寻找人鬼最后一战的痕迹。在这800年里,维斯特洛大陆发生了很多事情,其中有几件事情需要大书特书:

  1. 大航海时代到来,维斯特洛大陆的探险家们向西边浩淼的海洋出发,发现了北美大陆,向东航行绕过好望角到达了遥远东方的印度、中国和印度,往北探索了北冰洋,往南发现了南极大陆和澳大利亚大陆。

  2. 科技不断进步,学城(Citadel)被皇家科学院代替,哥白尼、加里罗、牛顿、拉瓦锡、道尔顿、达尔文、孟德尔、门捷列夫、普朗克、居里夫人、卢瑟福、爱因斯坦、玻儿、海德堡、魏格纳等群星闪耀。

  3. 工业革命汹涌而来,蒸汽机、铁路、织布机、电报、石油化工、采矿、冶金、汽车、电灯、电话、电脑、纳米材料、互联网、基因生物技术、人工智能等的发明和发展,迅速把维斯特洛大陆由中世纪带入到现代。

  

  《冰与火之歌》故事主要发生地维斯特洛大陆,这里的气候经常在长夏和长冬之间变化

  二、 引起长夏与长冬的可能原因

  

  Samwell Tarly学士(推特账号“气候山姆威尔”,@ClimateSamwell))在《君临城皇家学会哲学会刊》上发表文章“权力的游戏中的气候”有英语、瓦雷利亚和多斯拉克三个版本。

  在科技发生了巨大的进步之后,维斯特洛大陆的人们开始思考《冰与火之歌》那段历史中诡异的气候异常,在那段历史里,动辄出现长达数年或者数十年的漫长的夏季,或者突然出现的漫长冬季。

  尽管2017年Samwell Tarly学士(推特账号“气候山姆威尔”,@ClimateSamwell))在《君临城皇家学会哲学会刊》( Philosophical Transactions of the Royal Society of King’s Landing)上发表文章指出,当考虑翻转或者不稳定的地球倾斜角度情况下,可以产生长期的冬季或者夏季,但是著名的“米兰科维奇循环”理论揭示,这种地球轨道倾角的变化周期大概为2.1万年,远远超过长冬和长夏的周期,并且历史记录也并未表明在《冰与火之歌》那段历史中出现过北极星位置的快速移动,因此Samwell Tarly学士的研究仅仅是提供了一种并不客观存在的假定状况(脑洞开得太大)。

  

  图片来源:Dan Lunt/ University of Bristol

  Samwell Tarly学士(推特账号“气候山姆威尔”,@ClimateSamwell))在《君临城皇家学会哲学会刊》上发表文章指出,当考虑翻转或者不稳定的地球倾斜角度情况下,可以产生长期的某个半球的冬季或者夏季,很显然这只是一种假定状态,在地球历史上并未出现过以10年上下的北极星位置的快速移动。

  现在回看那段历史,虽然有传奇和神话的成分,在人类早期,经常会把无法理解的现象与神鬼相联系,但是漫长的暖期和漫长的冷期在历史上则很有可能,有多种因子能够产生这种的变化:

  1. 太阳的周期,在十几年变化的时间尺度上,太阳活动最著名的周期是11年周期,11年周期对应的太阳辐射量变化量在总辐射里只占约0.1%,不得不说这是一个很小的数值,尽管在紫外波段,紫外辐射的11年周期变化可以达到6-10%,但是对总辐射影响还是很小,需要很仔细才能从地面温度变化里找到11年的太阳周期。

  2. 在年代际时间尺度上,有几个年代际振荡值得注意,一个是北大西洋的北大西洋多年代际振荡(Atlantic Multi-decadal Oscillation,AMO),另外一个是北太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO),这些过程都可以引起北半球大范围的气候异常,尤其是AMO,接近北美和欧洲,与这区域的温度、降水和干旱事件等都有联系。

  3. 强El Nino事件,El Nino事件一般位相锁定在隆冬,赤道中东太平洋海温偏高1.5度以上,从而影响全球的气候,如果发生强El Nino,像1997/1998年那样,或者像2015/2016,则会把全球温度推高到一段时间的最高值,1998年当年即成为有现代观测记录以来温度最高值,一直到2005年才出现更高的数值,而2016一举成为到目前为止温度最高的一年。

  4. 值得注意的是地质运动和火山爆发,在1815年4月,印度尼西亚松巴哇岛上的坦博拉(Tambora)火山爆发,一年之后,欧洲和美洲非常冷,被称作“无夏之年(the year without summer)”,寒冷造成的饥荒在欧洲死亡人数超过20万。公元536年未知火山爆发,导致欧洲、地中海和中东地区异常寒冷,这一年的中国历史记载“是岁关中大饥,人相食,死者十七八”。火山的影响少则1-2年,多则持续5-6年,要是超级火山爆发,那影响很有可能引起长时间的冰期或者小冰期。在中世纪,发生过多次的火山爆发,例如13世纪后半期是过去1500年里火山活动最频繁的50年,在短短的50年里,热带地区持续发生4次大的火山爆发,1275年5月到10月之间,印尼的Samalas强火山爆发,这些强火山爆发都有可能打乱气候的正常节奏,被认为是触发小冰期的重要因素。

  

  超强火山爆发,将大量硫酸盐气溶胶喷射进入平流层,减少入射太阳辐射形成全球温度降低

  5. 核战争,当发生全球规模的核战争的时候,会导致全球地面大规模降低,受影响区域降温到-15℃到-25℃,即所谓的“核冬天”。即使战争发生在夏季,也可以引起地表温度达到冰点。这项研究在上世纪80年代一经提出就引起轰动,原来人们希望通过各种深入地底的防空防生化掩体,能够躲过战争的影响,然而“核冬天”理论的提出,使得人们彻底明白核战的毁灭性,在全球核战里,全球没有能躲过核战气候影响的区域,整个地球陷入长期烟尘覆盖下的低温,动植物大量死亡,农作物减产绝产,战备储备食品大量消耗,核战结束数年,幸存者陷入全球饥馑和死亡,所有人都成为战争的受害者,没有人能幸运。

  当然除了最后一点,前面几个因子都有可能,维斯特洛大陆的长夏很有可能是多个因子叠加的结果,比如超强El Nino事件+AMO的正位相+太阳辐射最大的年份,从而出现长达数年全年温度高、冬季温暖的的气候。而突然的变冷则有可能出现在La Nina事件+AMO的负位相+太阳辐射较小的年份。

  突然的大规模的强火山爆发很有可能是引起《权力的游戏》中的诡异气候。当持续火山影响的时候,整个地球平流层大气笼罩在一层火山气溶胶之下,其中主要成分为硫酸盐,因此到达地球表面的太阳辐射减少,同时因为火山气溶胶散射太阳光,会导致整个天空呈现出浑浊、昏暗且偏红色,尤其在夕阳西下的时候,这种红色会更为明显,这在历次火山爆发后都有所反应,画家爱德华·蒙克(1863—1944)的作品 “the Scream”中让人印象深刻的是血红的天空,红色的天空背景源自于1883年8月印尼喀拉喀托(Krakatau)火山爆发。英国画家Joseph Mallord William Turner(约瑟夫·玛罗德·威廉·透纳 )也记录了1815年Tambora火山爆发之后的红色天空。

  

  爱德华·蒙克(1863—1944)的作品 “the Scream”,红色的天空造成惊悚的效果。

  

  

  英国风景画家透纳(Turner)笔下,非火山影响期间(上图)和火山影响期间(下图)的港口画作,最大的区别为火山活动引起的红色天空和干雾(dry fog)

  整个《权力的游戏》里场景昏暗,天空透明度都非常低,这很有可能是维斯特洛大陆之外的某个地方发生了长期的火山喷发,从而引起大气消光和降温现象,导致凛冬的到来,由于此火山的爆发并无规律,因此引起的凛冬出现的时间并无规律可言。

  

  整个《权力的游戏》里场景昏暗,即使剧中最透亮的天空都像是蒙着一层纱,这很有可能是火山活动的气溶胶所致,这也可能是权游里异常凛冬的原因。

  当然气候变化的原因从来都是复杂和多因素的,比如在地球历史上约12900年前,突然出现长达千年的寒冷,这次事件被称作新仙女木事件,这次事件的产生非常突然,现在科学家认为当时地球气候正进入间冰期,温度正逐步升高,在北美的大湖中大量冰雪消融,积攒了大量的淡水,忽然有一天,堵塞大湖的冰块崩裂,大量的淡水经由哈德逊河注入北大西洋,减缓和中止了浩浩荡荡的北大西洋暖流,从而引起整个欧洲北美等地温度骤降,冰雪覆盖之后促发了冰雪-太阳辐射的正反馈过程,进一步加剧了降温,形成长期的严寒,这次过程估计会深刻地记录在维斯特洛大陆先民们的回忆里,也许正是那次长期的严寒,才引起异鬼和野人的南下,才有筑城者布兰(Bran the Builder)建筑绝境长城的故事。

  在气候变化过程中,极地的变化幅度往往要超过全球,这被称作“极地放大”现象(polar amplification),以过去百年里的全球变暖为例,2016年是有现代气象观测记录以来全球温度最高的一年,平均温度比工业革命前高1.2℃,在这段时间里,北极的增暖幅度则达到3.5℃左右,几乎是全球平均值的3倍;同理,当全球温度降低的时候,北极和高纬度的降温幅度往往是低纬度的2倍以上,因此,对高纬度的北境先民而言,对寒冷的惨痛记忆会比南方温暖区域先民更为深刻,所以“凛冬将至”(winter is coming)才会成为北境之王史塔克家族的家族族语,时刻提醒子孙们挥之不去的寒冷记忆。

  三、维斯特洛大陆与全球的新挑战

  800年过去了,与琼恩·斯诺、丹妮莉丝·坦格利安、小恶魔提利昂·兰尼斯特、瑟曦·兰尼斯特、詹姆·兰尼斯特等人的时代相比,世界发生了巨大的变化,在他们的时代,人们大多逐水而居,主要居住在大河的旁边,例如当时主要的大城市长安、汴京、洛阳、罗马,维斯特洛大陆的奔流城、凯岩城、临冬城等,即使海边的风息堡和君临城,也都是建造在高地之上。

  而800年后的今天,世界主要的城市,主要建造在沿海三角洲地区,接近河流的入海口,比如维斯特洛大陆新崛起的城市白港(White Harber),三叉戟河口的女泉城(Maidenpool)、多恩王国的阳戟城(Sunspear)、河湾的旧城(Old town)等都发展成为人口超过200万的大城市,其中君临城更是人口超过800万,是世界级别的大城市。沿海还有世界上其他大城市,比如上海、香港、台北、东京、新加坡、印尼的雅加达、菲律宾的马尼拉、缅甸的仰光、印度的孟买、美国旧金山、洛杉矶、迈阿密、加拿大温哥华、英国爱丁堡、法国巴黎、意大利威尼斯、澳大利亚的悉尼,新西兰的惠灵顿、南非开普敦、埃及的亚历山大、阿根廷的布宜诺斯艾利斯、巴西的里约热内卢、智利的圣地亚哥等,事实上,全球有一半人口居住在距离海岸不到60公里的区域,这些地区的人口密度是内地的10倍。

  800年前,逐水而居的人更担心寒冷,而800年后,在河口居住的人们更担心温度上升引起的海平面上升,如果海平面上升1米,中国沿岸脆弱区(黄河三角洲、渤海湾、苏北、长三角、珠三角)可能有12万平方公里土地淹没、受灾人口7400万,南亚孟加拉国有20%国土丧失,影响3000万人口,而马尔代夫这样的国家则沉入海底以下,全球受影响人口很有可能超过10亿。

  这个担心现在正变成事实,过去100年,全球温度持续走高,刚刚过去的2017年全球表面平均温度比工业化前(1850-1900年平均值)高出约1.1℃,为有完整气象观测记录以来的第二暖年份(仅次于2016年),也是有完整气象观测记录以来最暖的非厄尔尼诺年份。

  全球温度上升导致格陵兰岛和南极大陆冰川消融,引起海平面上升,另一方面,海温上升引起海水膨胀,也会进一步加剧海平面升高,研究表明过去十几年,全球平均的海平面升高速度达到了3.5毫米/年,这是一个很恐怖的数据。

  

  2018年全球表面平均温度比工业化前(1850-1900年平均值)高出约0.99℃,为有完整气象观测记录以来的第四暖的年份。

  另外科学家也一直想了解在历史上几次冷和暖的时期之间的比较关系,有些科学家认为《冰与火之歌》发生前那个长长的暖期(中世纪暖期)是过去2000年里最高的温度,而有些人则认为最近几十年才是最暖的时期,这个问题在上世纪90年代随着一个“野人”尸体的发现,似乎有了些答案。

  四、发现“野人”

  1991年9月19日,德国两位两名德国登山游客西蒙夫妇爬山到了阿尔卑斯山海拔3210的高度,这里位于奥地利和意大利国界线附近,他们突然在冰雪中里发现一个露出半截身子的尸体,身体赤裸、扭曲、脸朝下,标准的北境长城之外的“野人”。后来经过古人类学家分析,这竟然是5300年前“野人”,这个“野人”随身携带有一把比他还高的弓、满满一袋箭(14支)、一把斧头,这个野人还是个时尚弄潮人,身上有47处纹身,旁边的鞋、帽子和大衣都具有时尚元素。这个“野人”可能是在某次先民和境外的战争中,越过了长城,一路受到先民追杀,在翻越阿尔卑斯山时遭遇寒冷和雪崩,被埋在冰层之下,他经历了历史上多次的长夏和漫长冬季,包括中世纪暖期与小冰期,尸体都没有遭到破坏,表明他死后一直深埋于冰层之下,直到最近的温度上升,冰雪消融,才让他慢慢露出身体出来,多亏德国登山游客发现的早,如果第二年才发现,那很有可能在裸露的时间里遭受日晒和风吹的侵蚀,也许会成为过路动物和山鹰的食物。

  

  1991年9月19日,“奥兹冰人”被发现时的情形。

  

  根据外貌特征,重新绘制的奥兹冰人生前的样子,身高约1.65米,体重61千克,年龄45岁。

  他的尸体经历了过去5300年多次温度变迁而未受影响,提供了一个明确的信息,即历史上的多次温度变化,尤其是温度上升冰雪消融,都没有达到和超过现有的水平,所以《冰与火之歌》发生前那个长长的暖期(长夏),并没有现在温度高。

  五、南极冰原下藏着的秘密

  从上世纪60年代起,科学家们就开始在南极大陆和格陵兰岛进行冰芯的钻探,在层层叠叠的冰芯里,冰封有过去的气候信息,通过分析密封在冰层之中的空气成分,可以比较准确地判断过去的气候状况,冰芯资料是目前所有古气候分析资料里,分辨率和准确度最高的,提供了直接的历史气候信息。

  

  科学家南极冰芯钻探 (Photo Credit – Doug Clark, Univ.Washington)

  

  美国丹佛的国家冰芯实验室(Photo Credit – Doug Clark, Univ. Washington)

  南极冰盖厚度达到2000-3000米,最大厚度甚至达到4000多米,因此是绝佳的研究古气候的载体,目前在南极最深的冰芯一直达到超过2000米,在Vostok的探测深度甚至达到3769米,据此计算出来的古气候可以到80万以前,下面的视频我们一起来领略下过去80万年以来的全球 CO 2变化吧。

  六、新征程

  2018年4月底,全球的 CO 2含量达到创纪录的411.24ppm,这一数值比冰芯中过去80万年的任何时间都高至少100ppm以上,尽管在过去80万年里,地球经历了数次的冰期-间冰期的轮回,经历了很多《冰川时代》的变化,但是现在的大气二氧化碳水平会让淡定的长毛象曼尼估计也会被惊掉长牙。

  

  2019年4月5日,全球著名的Keeling曲线(测量夏威夷Mauna Loa观测站的二氧化碳含量)数值已经达到411.91ppm,这一数值是过去约300-500万年来的最高值,上一次二氧化碳量这么高的时候,全球温度比现在高2-3℃,海平面比现在高10-20米。远古的植物用几十到几百年时间拼命生长,吸收了大量 CO 2,再经过上亿年堆积形成煤炭,现在烧一把火的时间仅仅几分钟,就可以把数亿年积累的 CO 2重新释放回大气。

  石油也是一样,来自远古的细菌、浮游植物、浮游动物以及一些植物有机质,经过数十到数百年的沉积和堆积,再经过几百万到上亿年的地质活动埋藏和热裂解过程等才形成石油,现在抽取之后,一把火烧掉也是分分钟的事情,大量的 CO 2重新迅速地释放回大气。

  时代早已经不是《冰与火之歌》的时代了,持续的全球温度增暖,导致两极的冰雪量不断减少,北冰洋海冰面积持续创新低,格陵兰岛和南极大陆的冰雪量也持续减少,这导致了海平面上升,并对依赖于高寒地区的生态系统和全球低洼地区和城市造成深远的影响。

  目前大气中 CO 2含量还在加速上升,包括维斯特洛大陆在内的所有国家未来几十到数百年里,最大的环境问题将会是 CO 2等温室气体增加引起的全球变暖问题,这个问题将挑战所有现在和未来的世界领导者。

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