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构造-气候相互作用

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构造-气候相互作用（英语：Tectonic-climatic interation）是指地质构造作用与气候系统之间的相互关系。 所讨论的构造过程包括造山作用、火山作用和侵蚀作用，而相关的气候过程包括大气环流、地形抬升、季风环流和雨影效应。 由于过去数百万年气候变化的地质记录稀少，许多关于构造-气候相互作用的性质的问题仍未解决。这是地质学家和古气候学家积极研究的一个领域。

地形对气候的控制

Simplified example of the rain shadow effect
雨影效果简单图解
Example of rain shadow effect in the Himalayas
喜马拉雅山雨影效果示例

根据山脉的垂直高度和水平大小，它有可能对全球和区域气候模式和过程产生强烈影响，包括：大气环流偏转、形成地形抬升、改变季风环流和引起雨影效应.高地地形对气候的影响最明显的一个例子是喜马拉雅山脉，这是世界上最高的山系。它的大小的范围能够影响地理温度、降水和风[1]。理论表明，青藏高原的隆起导致更强的大气急流和季风环流，前坡降雨增加，化学风化速率加快，从而降低了大气 CO2 浓度[2]。 它如此之大的空间幅度，除了扰乱全球规模的大气环流之外，它还产生了区域性季风环流[2]。

东南亚的季风季节是由于亚洲大陆在夏季变得比周围海洋温暖；在大陆上方形成低压室，在较冷的海洋上形成高压室，导致平流层的潮湿空气，从非洲到东南亚产生大量降水[3]。 然而，东南亚的降雨强度大于非洲季风，这可以归因于亚洲大陆的巨大规模以及广阔的山脉系统[3]。 [3]这不仅影响了东南亚的气候，而且还改变了西伯利亚、中亚、中东和地中海盆地等邻近地区的气候[4]。 一个模型被用来测试这一点，，解释陆地的地形对过去 40 Myr 的全球降水和温度之间的相关性[4]。

人们普遍认为，全球气候变动很大程度上取决于大气中是否存在具温室效应的气体，二氧化碳 (CO2) 通常被认为是最重要的温室气体。观测结果表明，全球范围内山脉的大幅抬升会导致更高的化学侵蚀率，从而降低大气中二氧化碳的含量并导致全球变冷[2]。 这是因为在海拔较高的地区，机械侵蚀率较高（即重力、河流过程），并且可提供被化学风化的岩石露头[2]。 以下是描述硅酸盐化学风化过程中消耗CO2的简化方程式：

CaSiO3 + CO2 ↔ CaCO3 + SiO2

从这个方程可以推断，在化学风化过程中会消耗二氧化碳，因此只要化学风化速率足够高，大气中就会存在较低浓度的气体。

被气候驱动的构造

Torres del Paine Range
智利安第斯山脉托雷斯德尔潘恩山脉的山峰和山谷

有科学家否认隆起是气候变化的唯一原因，而赞成气候变化导致隆起。一些地质学家推测，凉爽和暴风雨的气候（例如冰川作用和降水增加）可以使地形看起来更年轻，例如在高地的切割和侵蚀率的增加[5]。冰川是具强大的侵蚀作用，有切割和雕刻深谷的能力，当地球表面发生快速侵蚀时，特别是在地势起伏有限的地区，可能会发生地壳均衡反弹，形成高峰和深谷[5]。 [ 5]缺乏冰川作用或降水会导致侵蚀增加，但此可能因地区而异[6]。 在没有降水的情况下。植被会减少，因而可能会造成侵蚀[6]。

根据模型研究，喜马拉雅山和安第斯山脉地区的一些地形特征是由侵蚀/气候相互作用决定的，而不是构造作用。这些模型研究揭示了在高原边缘，区域降水与最大地形限制之间的相关性[7]。 在降水和剥蚀率相对较低的安第斯山脉南部，高原边缘没有真正的极端地形，而在北部，降水率较高，极端地形存在[7]。

另一个有趣的理论导自对新生代安第斯山脉隆起的调查。一些科学家推论板块俯冲和造山的构造过程是侵蚀和沉积的产物 [8]。 当山区出现受雨影效应影响的干旱气候时，对沟渠的泥沙供应可以减少甚至被切断。这些沉积物被认为在[[板块界面00处充当润滑剂，这种沉积物的减少增加了界面处存在的剪切应力，该剪切应力可大到足以支撑高安第斯山脉。

火山

在世界各地，有各种形状和大小的火山。太平洋周围的陆地上排列着着名的太平洋火环火山。从阿留申群岛到智利的安第斯山脉，这些火山塑造了当地和区域环境。除了欣赏它们壮丽的美景之外，人们可能会想知道这些地质奇观是如何运作的，以及它们在改变景观和气候方面发挥了什么作用。主要地，火山是从地球表面以下向地表渗出岩浆物质的地质特征。到达地表后，变成“熔岩”。这种熔岩冷却并形成火成岩。通过检查火成岩，就可能推导出从岩浆的原始融化到地球表面熔岩结晶的一系列事件。通过检查火成岩，可以推测火山放气的证据，众所周知，火山放气会改变大气化学。这种大气化学变化改变了全球和局部的气候循环。

火成岩和岩浆气形成的基础

岩浆是形成火山的起点。为了了解火山活动，了解形成火山的过程至关重要。岩浆是通过在熔融条件范围内保持温度、压力和成分（称为 P-T-X）而产生的。通过了解熔体的化学性质来了解熔体的压力和温度[9]。为了使岩浆保持熔融状态，一个变量的变化将导致另一个变量的变化以保持平衡（即 Le Chatlier 原理）。岩浆的产生是通过多种方式完成的：1）洋壳俯冲，2）地幔柱形成热点，3）大洋或大陆板块的分裂。海洋地壳的俯冲通常在很深的地方产生岩浆熔体[10]。

火山排放和影响

虽然大多数火山会排放相同的几种气体的混合物，但每座火山的排放物的这些气体具不同比例。气体的主要产生物是水蒸气 (H2O) 是分子，其后是二氧化碳 (CO2) 和二氧化硫 (SO2)，它们都是具温室效应的气体。一些独特的火山会释放出不寻常的化合物。例如，罗马尼亚的泥火山喷出的H2O、CO2 或 SO2 -95–98% 的甲烷 (CH4)、1.5–2.3% 的 CO2 以及微量的氢气和氦气比甲烷气体多得多[11]。

火山喷发的硫对环境影响巨大，在研究火山活动的大规模影响时需要考虑[12]。火山喷发的硫是是SO2，当它进入平流层后与 OH 自由基反应形成硫酸 (H2SO4)。硫酸分子可凝结在现有的气溶胶上，就能形成雨滴并以酸雨的形式沉淀。含有高浓度二氧化硫的雨水会杀死植被，从而降低该地区生物从空气中吸收二氧化碳的能力。它能还在溪流、湖泊和地下水中创造了一个还原环境[13]。由于硫酸分子与其他分子的反应性高，大气中硫浓度的增加会导致臭氧消耗并开始变暖[12]。

具有长英质熔体成分的火山会产生极具爆炸性的喷发，可以将大量灰尘和气溶胶喷射到大气中。这些颗粒物的排放，可以引发多种反应，包括变暖、降温和雨水酸化。尘埃云的高度以及尘埃的大小和成分决于气候响应强度。

火山硅酸盐冷却极快，并形成玻璃状物质；它们的深色和反射性能吸收一些辐射并反射其余部分。它们进入到平流层能阻挡了太阳辐射，加热了这层大气并冷却了它下面的区域[13]。 风可以将灰尘分布到很广阔的区域；例如，1815 年印度尼西亚的坦博拉火山喷发产生的尘埃，远达新英格兰地区，导致气温下降了 1 摄氏度，并持续了几个月。欧美人称其为“无夏之年”。

火山排放物含有微量的重金属，当它们进入到大气的下层时会影响水圈。当大量的这些重金属排放物集中到一个小区域时，它们会破坏生态系统，对农业产生负面影响，并污染水源[13]。

冰川作用和火山之间的相互作用

火山不仅会影响气候，还能被气候影响。在冰川期间，火山活动会减慢。当冰川变大，变重。这种多余的重量会抑制岩浆房产生火山的能力[14]。 在热力学上，当岩浆上的围压大于溶解组分的蒸气压时，岩浆将更容易溶解气体。冰川堆积通常在高海拔地区，也是大多数大陆火山的所在地。冰的堆积会导致岩浆房破坏并在地下结晶[14]。 当冰压在地球上的压力大于地幔热对流对岩浆房施加的压力时，就会发生岩浆房岩浆房破坏[14]。 对过去气候的研究可根据冰川的冰芯数据。 氧同位素和钙离子记录是气候变化的重要指标，而冰芯中的硫酸根离子 (SO4) 和冰电导率则代表火山气溶胶沉降[12]。 从冰芯中可以看出，热带地区和南半球的火山喷发在格陵兰冰盖中没有记录[12]。 尽管硫磺降水需要近两年时间的运输，热带火山喷发在两极都可以看到[12]。 冰芯记录的惊人发现之一是许多大喷发的证据，这些喷发在[12]火山灰记录中并未得到。冰芯的年代是通过计算季节性层数来确，它不是万无一失的。核心的深度越深，就越有可能遭受变形。风和大气化学对火山挥发物从源头移动到最终位置的过程中有重要影响[12]。

白垩纪气候

在白垩纪，地球经历了一次不寻常的变暖趋势。对这种变暖的两种解释归因于构造和岩浆活动[15] [16]。 其中一种理论是岩浆超级柱流将大量二氧化碳引入大气[15]。 [18]白垩纪的二氧化碳比现在的 高3.7 到 14.7 倍，导致平均 2.8 到 7.7 摄氏温度升高[15]。 从构造上看，板块运动和海平面下降可能导致全球额外气温升高 4.8 摄氏度[15]。 岩浆和构造过程之间的综合作用可能使白垩纪地球比今天高 7.6 到 12.5 摄氏度[15]。

关于白垩纪的变暖有第二种解释--是碳酸盐物质的俯冲[16]。 含碳物质经由板块的俯冲，二氧化碳会从火山中释放出来[16]。 在白垩纪，特提斯海富含石灰岩[16]。 通过板块俯冲这些石灰岩，能使岩浆会变得更加富含二氧化碳。因为二氧化碳被溶解在熔体中，直到岩浆的围压低到足以脱气并将大量二氧化碳释放到大气中导致变暖[16]。

结论

火山是地球上的一个强大景观。火山的产生取决于它的位置和岩浆起源。岩浆可保持熔体状态，直到压力和温度能允许结晶和排气。当岩浆上升到地球表时，就形成火山。根据熔体物质的成分，每座火山可能含有多种气体。火山喷发排放的大部分气体是有温室效应的气体，会导致大气变化。然后这些大气变化迫使区域和局部的气候造成新的大气。这些变化可以反映为冷却、变暖、更高的降水率等等。

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