中生代的气候模式和极地森林的形成
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第542页（4745字）
在中生代，南极洲的大部分、澳洲西南部、亚洲东北部及美洲北部等，有相当广阔的大陆、岛屿和海域曾处于高纬度地区。
阿拉斯加北部及澳大利亚南部曾一度临近极点仅数度的距离。
中生代高纬度地区深度的高岭土风化作用，有大量碎屑岩、粘土岩及含煤沉积，这是风化剥蚀与沉积作用在高纬度区甚为活跃的地质记录。中生代含煤沉积广泛分于亚洲北部、加拿大北部、阿拉斯加、澳大利亚南部及新西兰等古极圈范围内，澳大利亚东南维多利亚含煤地层的古纬度高达85°S(N．M．Chumakov，1985)。根据Creber等(1985)的中生代古气候复原图表明，热带和亚热带扩展到高纬度地区，寒带则在地球上消失。
这都反映中生代的气候温暖，气候反差小，高纬度区的自然景观与地质作用跟今日迥然不同。
中生代高纬度区的大陆和岛屿上，植物群不仅种类繁多，分布广泛，而且从木化石年轮宽度所反映的植物生长率来看，中生代的极地地区植物生长率是很快的。
在雅各森岛、格陵兰及维多利亚(澳)等地区发现了丰富的植物群化石，已辨认出的达200多种以上(W．L．Donn，1982；A．Hallam，1985)。维多利亚早白垩世极地森林植物群的组成中以蕨类成分为主，蕨类中以真蕨为优势。
从植物群成分及木化石年轮资料的分析表明，中生代的极地区不仅十分温暖，而且植物的生长期也很长。
动物界对地理环境的反映比植物界更为敏感。中生代高纬度地区的植物界的繁荣带来了动物界的兴盛与发展，在广阔的高纬度地区曾先后发现多种爬行类及两栖类化石，如东格陵兰及斯匹茨卑尔根三叠系中的两栖类化石，埃尔斯米尔岛上白垩统中的爬行类与可疑恐龙化石(董枝明，1987)，南极洲三叠系中的水龙兽、肯氏兽及两栖类等(W．L．Donn，1982；董枝明，1987)。迄今所发现的恐龙化石和遗迹有，加拿大育空地区(古纬度75度)白垩纪恐龙化石(徐饮琦，1980)，阿拉斯加北部的鸭龙嘴化石及斯匹茨卑尔根的禽龙足迹(董枝明，1987)，近年来又在南极罗斯岛白垩系中发现了钩龙类化石。
以上四足类动物的地理分布是全球性的，从低纬到高纬度的广阔范围里都十分繁盛，但种类却很单调，这是中生代气候温暖、均匀、温差小的表现。据一些学者(王乃文，1986；Fraks，1919；Schwerbach，1963)的研究表明，中生代极区与赤道区的平均温差仅仅是现在极区和赤道温差的一半。
据多种方法估计，中晚白垩世温暖期地球年平均温度比现今高10～15℃，北极地区在白垩纪时年平均温度在10℃左右。
根据珊瑚礁及同位素资料所得到不同纬度的古温度数据表明，白垩纪中期高纬度带的温度都比现在显着的高，赤道和两极的温差则比现在显着减少。
中生代高纬度地区的温暖气候虽然是全球温暖气候一部分，但低纬度地带的温度上升幅度小，高纬度地带温度上升幅度大，这是中生代高纬度地区气温变化的一大特征。
中生代是处于晚古生代冰期与新生代第四纪冰期之间的非冰期时代，虽然其气候曾有过多次小波动变化，但整个中生代以气候温暖、稳定及气候反差小为特征。根据地质时期温暖气候的表现特征及其成因因子的分析，现将温暖气候的形成划分为3种模式：增强型(温暖气候)模式、平和型(温暖气候)模式及叠加型(温暖气候)模式。
增强型模式是指由于全球热能总量增加，引起全球气温普遍升高而表现的温暖。
它是在地球辐射收入增加或地球反射辐射损失减少的因子作用下形成的，因其作用结果导致年平均气温升高，故称为增强型。增强型温暖气候形成的地外因子主要是太阳光度的变化，如果太阳光度增强，地球从太阳所获得的热能则相应增加，其中赤道及低纬度区增加的幅度大，极地及高纬度区增加的幅度小，所以太阳光度增强的直接效应是导致全球气温升高以及气候反差加大。此外新星和超新星爆发也可能引起全球性增温，但它具有突变性或短周期特征，其结果与太阳光度增强相类似，具有造成地球气候反差加大的特点。增强型温暖气候形成的地内因子主要有大气中CO2含量升高，极地冰盖面积的缩小或消失及海洋面积扩大等，其变化是通过减少地球的反射辐射损失而使地球保存更多的热能，结果是导致全球气温升高和气候反差缩小。
平和型模式是指全球热能总量没有变化，即全球年平均温度保持恒定，只是由于气候反差缩小(如冬天不很冷，夏天不很热)所表现出来的温暖现象，它是受气候反差缩小的因子影响而形成的。平和型温暖气候形成的地内地外因子，主要有洋流、大气环流活动加强及地轴倾斜度(ε值)变化。ε值变化制约着太阳辐射在地球上的纬度分配与季节分配，同时又不改变地球辐射收支总量，因而它是形成平和型温暖气候的重要因子。
叠加型模式是增强型与平和型气候因子共同作用形成的，其气候特点是在地球气温普遍升高的同时，气候反差明显缩小。
以上气候成因模式的划分以及中生代气候成因模式的确定，可以有助于分析中生代气候成因时，更有目标地从地内地外复杂的气候因子中，判别形成中生代气候的主要因子。
关于中生代大气候的成因模式，目前尚无统一的认识，有些学者强调地内因子，一些学者强调地外因子。Doon和Shaw(1977)用数学模式研究了中生代的气温分布，认为单是中生代的海陆分布就能够解释中生代的气候变暖。地外成因说主要是从太阳光度在地质历史中的变化去考察气候的变迁，例如Steiner(1976，1973)认为，从晚古生代末到中生代太阳光度也相应增大，因而导致中生代的气候十分温暖，按此观点中生代的气候应为增强型。
如果中生代气候的确是由于太阳光度增大而形成的增强型温暖气候，那么在赤道及低纬度区的增温将最高，其结果应造成气候反差加大，这显然与中生代气候反差小的特征不符。
不少学者都曾试图从太阳辐射变化因子去探讨地球气候的变迁，但在解释中生代气候形成时，无疑是有很大的困难。
另一方面，由于中生代全球气温普遍升高，也难于用平和型气候因子加以解释。从沉积地层、古生物地理及同位素等资料来分析，中生代的大气候特征是全球气温显着升高，同时气候反差也显着减少，按此特征中生代气候应属于典型的叠加型温暖气候，它由地内地外多种因子综合作用而形成。
根据中生代的气候成因模式以及高纬度区的地层、古生物、古地磁等方面的资料分析，中生代极地森林及其它生物界的繁盛，主要受地轴倾斜度和地理诸因子的影响形成。
地球上的气候带、气候反差、四季、极夜和极昼等的变化，均受ε值变化的制约和影响。地球上极夜(昼)的分布及极夜昼期长短变化只受ε值及纬度的制约，当ε=0°时，全球无极夜存在，若其它条件相同，全球气候反差为最小值；ε=90°时，全球各地均有极夜存在，若其它条件相同，气候反差达极大值，地球上的大多数生物将难以在这种剧烈的气候反差条件下生存。当ε值由0°增加到90°时，气候反差由小增大，极夜区范围则从极点扩大到赤道。生物界的生长和繁殖都需要一定的气候环境，尤其需要适量的日照，因此ε值的变化对生物界的生长和分布都有深刻的影响。目前ε≈23．5°，在南北纬度约66°以上的纬度区有极夜和极昼出现，极夜期长短随ε的减小而缩小，随纬度的升高而增长。
据目前所知，中生代极地森林和煤层出现的最高古纬度达85°左右，恐龙化石分布最高古纬度为80°左右。按目前的ε值，上述地带极夜期长达4～5个月，在这样长期没有阳光及气温相应急剧下降的环境下，植物难以生长繁殖，更不可能有各种动物尤其是恐龙类动物生存。
一些学者对“核冬天”的研究试验表明，倘若在农作物生物初期持续2周光照不足，将导致严重减产；如果持续3周以上，则生长6周的农作物大都濒临死亡。所以很难设想在极夜期长达4～5个月的高纬区能有大量动植物生长繁殖。
如果ε在5°左右，高纬度区则极夜很短或消失，因而可以为动植物界的繁荣提供充足的光照。在地质记录方面，从高纬度中生代木化石年轮分析，当时植物的生长期长，生长速率快，表明ε值小和日照充足；白垩纪古植物花的光周期研究，也得出ε值状态是高纬度区极夜期短，并因此可以获得充足而稳定日照的唯一因子，这也是中生代极地森林及其它生物得以繁盛的重要原因。
地理因子是气候形成的基本因子之一。极地森林的形成除了需要一定的光照外，还需要一定的温度条件。
从中生代气候模式分析表明，中生代温暖气候形成的主要因子不是太阳辐射因子，而是地表地理因子。
在地表凡是能够增加辐射收入和减少辐射损失的各种地理因子，均能促进地球气温的升高。根据中生代的极地生物、古地理环境及气候特征等有关资料分析表明，造成中生代温暖气候的主要地理因子是二氧化碳浓度大、海平面升高、极地反射率低等。
据地球化学模式研究，中生代大气的CO2浓度约比现在高5～10倍。大气中CO2浓度变化对气候的影响已在实际观测和模拟实验中得到了证实。一些学者先后采用辐射模式、辐射－对流模式、三维大气环流模式等不同层次的气候数值模拟，得出大气CO2浓度加倍时，全球气温升高度数依次是1．95℃、2．36℃、2．9℃。
其中，高纬度地区气温升高的辐度远比低纬度地区更大，说明CO2浓度增大对高纬度区的影响最大。据Manabe(1974，1975)等采用三维大气环流数学模型研究，当大气中CO2浓度加倍时，地面平均温度在热带升高不到2℃，但在北纬50°可升高4℃，北纬76°则可升高8℃。虽然目前不同气候数学模型对大气CO2浓度升高的升温效应尚有一定的差异，但升温的趋势是一致的。因此，中生代大气中的CO2浓度大，对于中生代气温升高和气候反差缩小都有重要影响。
海洋比陆地反射率低，热容量又比大陆高，热传导深度也比大陆大。因此，海平面升高能使地表获得、储存更多的太阳辐射能，并成为地球气温升高的热源。中生代是泛大陆分裂解体的时期，随着大陆逐渐分离，新洋脊则不断生成。洋脊系统体积十分庞大，它的生产会导致海洋容积减少，海平面相应上升。
如果目前各大洋洋脊全部消失，可使海面下降300m左右，所以洋脊的生长和消亡会对海平面升降产生重大影响。中生代泛大陆解体、海底扩张、洋脊生长、海平面升高与气候变暖明显地具有同步关系。
据洋底磁异常条带分析，中晚白垩世是海底快速扩张及洋脊迅速生长的时期，特别是距今110～85百万年期间(阿尔巴－三冬期)，海底扩张和洋脊生长达到高峰，这一时期也是中生代海侵的高峰期和气候最温暖的时期。
中生代极地由于无冰盖存在，可以显着减少辐射损失，大大增加极区的辐射收入，这对于中生代极区气温升高具有很大的影响。
目前，北极海冰面已将绝大部分太阳辐射和反射，如果其冰层全部融化，则可大大增加辐射收入，使极区变暖，而使前苏联、美国阿拉斯加和加拿大北部地区，都可以生长温带植物，这一状况和中生代生物化石的地理分布比较近似。
(华中师范大学魏仕俊撰)