本文由南国极地空港学会的翻译小组提供，英文学院的新雅翻译团队与2016级俄语系的黄榕同学选择了这篇文章翻译并同时投稿，显示了年轻一代对极地问题的关切。平均年龄20岁左右的译笔，敬请业内的行家指导。
摘要：一些研究人员声称，全球海平面上升的两个主要原因是海洋热膨胀和陆地冰融化加剧，联合国政府间气候变化专门委员会也承认了这一点。然而，其他气候威胁调查者揭示，大气——海洋建模是不完美的表示，古数据由模糊的代用气候信息组成，现代观测在范围和准确性上因此受到限制。据透露，全球变暖和极地冰川融化实际上不会导致海平面上升。极地的浮冰在融化时会再次被浮冰占据同样的体积。极地融化时的陆地冰层覆盖可以减少地壳的负荷，激活弹性反弹，从而提高陆地的等静压平衡。这些特征不会导致海平面上升。赤道隆起、极地变平、赤道与极低的极间椭球面高差、极区强引力和赤道区弱引力，这些现象对防止海平面上升起着主导作用。宏观(10-100米左右)古海平面的升降与海侵和海退有关，此外还有其他地质事件，如会聚和发散板块构造、碰撞边缘的造山隆起、伸展地壳的盆地沉降、海洋区域的火山活动、前进的三角洲堆积、海底高度变化和海底大规模崩塌。这项研究还揭示了地球物理形状、重力引力和地球自转离心力将继续抑制海平面的上升。
关键词:全球变暖；极地冰川融化；赤道隆起；极地扁平化；地质事件；海平面上升
©2018年，中国地质大学(北京)和北京大学。埃尔塞维尔公司的发表并主理。这是一个开放存取的文章，根据CC BY-NC-ND许可证 (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。
1.引论
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC，2013)的第五次评估报告，对气候变化的物理科学基础进行了广泛阐述。第五次评估报告中所阐述的海平面变化，对全球平均海平面、区域海平面、极端海平面和波浪变化进行了详细解释(Church, 2013)。人为排放温室气体导致海平面上升(简称SLR)(Church，White，2006; Jevrejeva，2009) 。还有人认为，海洋热膨胀和冰川融化是导致20世纪全球平均海平面上升的主要原因。更进一步说，自工业革命以来，全球海平面上升的主要原因是全球变暖。（Church，White，2006）。Cazenave和Llovel (2010年)认为，气温升高会使海水温度升高并逐渐膨胀，其中，热膨胀是工业革命开始后75年至100年间全球海平面上升的主要驱动力。然而，近几十年来，随着陆地冰层收缩的速度加快，在导致全球海平面上升的因素中，热膨胀的比例有所下降。（Lombard，2005年）Lombard等人(2006年)认为，根据最近新采集的海洋温度数据库，在过去几十年观测到的数据中：每年以1.8毫米上升的海平面，热膨胀在其中的影响微乎其微(约0.4毫米/年)。然而，声称海平面在以1.8毫米/年速度上升的观测在范围和精度上也是受到限制的。美国国家海洋和大气管理局指出，自1992年以来，海平面每十年上升1.2英寸，这个速度比过去2000年的任何时候都要高得多。例如，根据联合国政府间气候变化专门委员会关于排放情景的特别报告，到2090年中期，全球海平面将比1990年高出0.22至0.44米，并且以每年约4毫米的速度上升。2015年12月举行的巴黎气候会议(COP21)再次发表声明，目前全球平均气温比19世纪末高出0.85℃。根据丘奇等人（2013年对区域海平面的变化预测，在21世纪及以后，海平面变化将具有明显的区域格局，并且局部和区域海平面变化与全球平均变化有显着偏差。丘奇等人(2008年) 表示，最近卫星高度计和潮汐测量数据发现海平面现正以每年3毫米以上的速度上升。根据多明格斯等人(2008年)观察统计发现，1993至2003年期间海平面每年上升了约0.8毫米。另一方面，由大气——海洋模式、古气候资料和持续气候变化观测结合得出的气候威胁调查表明：海洋建模不能完美地表现气候系统，古数据主要由通常存在很大模糊性的气候代理信息和范围、精度有限的现代观测组成。(Hansen,2016)
2.海平面测量问题
平均海平面（MSL）被定义为是一个局部地区的零高程。标高所指的零面称为高程基准。基于海面符合地球重力场规律，MSL也有一些与陆地表面相似但光滑很多的小山和山谷。MSL表面处于引力平衡状态，可视为大陆大地水准面的近似值。根据定义，大地水准面证实了地球是一个不规则形状并且它可用于测量高程的真正零面。因为大地水准面之上或之下的高度不能直接测量，所以只能通过重力测量和数学建模来推断。以前，大地水准面无法准确测量，因此它的数值被看作大致近似于MSL。尽管出于实际用途，大地水准面和MSL曲面被假定本质上是相同的，但实际上它们相差几米。质量过剩的地方，大地水准面移动到）平均海平面之上；质量不足的地方大地水准面移动到平均海平面之下。地壳内质量分配过剩或不足会造成体积膨胀以及相对海平面变化的收缩。任何位置的海洋平面或海平面都是以地球固体表面为基准测量的，比如相对海平面（RSL）或绝对海平面（ESL）（图1A）。由于海面和海底高度变化时的空间变异性，相对海平面(RSL)的变化可能与全球平均海平面(GMSL)的大不相同, 在海洋表面的相对海平面将会变化改变海水体积，并直接影响海平面变化。海水质量或者体积的改变，或相对于海洋表面的陆地变化都可能引起海平面变化。在第一种情况情况下，海平面变化被定义为“绝对”或是被定义为“相对”。（Rovere，2016）根据Kemp等（2015）陆地上升或下沉可能会导致海平面的下降和上升。由于其并不会引起海水体积或质量的变化，这将不会被定义为绝对海平面变化。任意以陆地为参考系而被观测到的海平面变化都被定义成相对海平面(RSL)变化。当海洋盆地的体积因构造海底扩张或沉积而发生变化时，绝对海平面（ESL）也会发生高度变化。
在截然不同的时间刻度下或配合不同的技术都可以观测到海平面变化。（图1B）无论使用何种技术，都不允许将所观测到的变化直接记录为绝对海平面变化。数十年来，海平面的重建基于卫星测高/重力测量和=以及陆基潮汐测量仪。（Cabanes，2001）在更久远之前（成百上千甚至上百万年前），海平面变化的测量主要凭借各式各样的海平面标志物。（Shennan,Horton,2002; Vacchi，2016）在数十年来，潮汐测量最普遍的海平面变化观测方法之一。其中，最常见的测量海平面变化方法，便是验潮仪。
图1
现代验潮仪与能够实时记录陆地运动的GPS基站相连接。（图1B）然而，现代潮汐测量仪也有三个明显的缺点：(i) 验潮仪在全球各地分部不均。（Julia Pfeffer and Allemand 2015）(ii) 其检测的海平面信号数据经常被认为有所遗漏。(Hay，2015)(iii)由于大洋的动态运动以及陆地运动，再加上缺少可靠数据集为潮汐测量仪的使用增加了难度。（Rovere，2016）自1992年起，配合使用卫星测高仪器，可以对验潮仪所测数据做进一步补充。（Cazenave，2002）卫星的高度是根据一个椭球面所设定的，这个椭球面一个与地球形状近似的任意固定表面。
根据罗维（2016年）等人的调查，古海平面变化的测量值具有相当大的不确定性。甚者，地球上的海平面变化不能被视为刚性容器，尽管海平面是以地球的角度被作为刚性容器定义的。实际上，地球的内部和外部过程，例如构造，动态地形，沉积物压实和融化冰都会引发容器的变化，这些最终会对任何海平面观测都造成影响。根据丘奇（2011年），肯普（2011年）和帕里斯（2012年）等人的著作，梅利洛等人（2014）提出了相对于2000年全球海平面从1800年到2100年的上升估计，观测和可能的未来增加量（图2）。梅利洛（2014年）等人预测的未来全球海平面上升是对超过2012年直至到达2100年的预想。虽然海平面在209年（1800年至2009年之间）以0.0043英尺/年的速度上升，最终显示高度为0.89英尺，但是分别以0.044英尺/年和0.066英尺/年的上升速度在91年间（2009年和2100年）上升高度达到4英尺到6英尺仍是非常值得怀疑的。2009年之后的海平面高度突然跃升绝对是一个猜想。
3. 材料与方法
该研究基于地球的地球物理方面，其中地球的形状是全球海平面分布的基本组成部分。与地球数学表面相结合的地球物理表面是球状的。这个球状表面总是与全球海平面重合。（图3）由于地球的形状和全球海平面之间的关系，地球的引力对海平面上升起着主导作用。重力是通过将地球的质量拉近靠近重心而使地球形成球体形状的力，即每个质量粒子都被垂直朝向于地球的重心所吸引（图4A）。
球状地球变形的原因: （1） 极地地区地心引力较大导致两极稍扁，赤道地区地心引力较小导致赤道略鼓。（2）自转产生的离心力使地球偏离了引力中心（位于赤道）。由于离心力在赤道处最大，在极点处为零（图4B），海洋表面流的探测采用了外法向量法。因为地球自转，与地球平均海平面相符的数学曲面（假想曲面），变成了椭圆曲面，并且地球自转产生的离心力导致两极稍扁，赤道略鼓。极地扁平率（离心率）为1/298，这表明以地心为基点时，赤道海平面比极地海平面要高约21千米。受到了引力以及离心力影响，水的静水位为一条曲线。
图2
图3
离心力对地球陆地的影响和对海洋的影响一致——在赤道处最大，在两极处最小。任何注入海洋的水都应该会从极地流向赤道，从而导致海平面上升，但事实并非如此。因此，尽管赤道海平面比极地海平面高21千米，但离心力在赤道最大，极地为零会有效地阻止海洋水体流向极地，遏制海平面上升到更高的纬度。另一方面，极地的高引力和零离心力以及赤道的低引力和最大离心力有效地平衡了海平面，限制了海平面的上升。然而，相比之下，赤道海洋表面流总是比极地海洋表面流要高，但是极地地区的海洋水体不会流向赤道地区。
另一方面，由于大地测量和最近通过卫星跟踪确定的地球形状实际上是球状的，在赤道膨胀，在两极，即赤道“A”和极“B”半径除以前“A”的差值为1/298（图5）。这一比例被称为极性稀释。理论上可以计算假设地球为流体质量，绕其极轴旋转，密度随深度增加而增加（表面≈3g/cm³，中心≈12 g/cm³），从而形成形状。这个表面理论形状是重力场的等势加上向心加速度。向心加速度是切向速度的变化率。向心AC的方向-加速总是沿着圆周运动的半径向量向内。向心加速度的大小与切向速度和角速度有关。一般来说，粒子在一个圆内运动同时经历角加速度和三顶角加速度。
赤道半径“a”是地球中心到赤道的距离，等于6378.1公里。而极地半径“b”是地球中心到南北极的距离，等于6356.8公里。赤道和极地之间约21公里的差异是由于赤道隆起和极地散射造成的，其中赤道区域的海拔高于极地区域。这个地球沿赤道的周长（赤道圆周-参考线）为40075公里，沿经度（极周长）为40008公里。赤道处67 km的差异也大于极点处的差异，后者在149.28（等效于0.602/u0001）朝向赤道。因此，向赤道的向上弯曲和向极的向下弯曲始终保持不变。该弯曲的弯曲点与60度左右的球面重合。这使得赤道凸起处的表面水平更高，极地减淡处的表面水平更低。海洋的液柱不会正常地从低层流向高层。
地球的表面就各处的重力值而言，可以被定义为是一种数学曲面。这种数学曲面也被认为是一个参考椭圆，它与平均海平面（MSL）又是息息相关的。平均海平面，即一种没有多余大陆块，只被海水填满的平面。因此，这也是一种等电位面，即重力（g²）在任何地方都是与这个平面垂直的，又或者说在这里的铅垂线无论在何处都会指向地球中心（Fig.6A）。根据地球各个部分的测量结果，再利用1967年（Telford et al., 1976）开始被国际大地测量学会采用的公式（Eq.(1)），得到了一个与被观测到的重力与纬度之间的关系完美吻合的整体拟合。这个公式将纬度上任何一点的重力值表达为：
g = go（1 + αsin²φ + βsin²2φ） （1）
where go = 赤道重力 = 978.0318伽，φ即纬度，常量α和β则相当于0.005324伽和负0.0000058伽。从这个关系中所得到的重力值，便是海平面上观测到的一种最符合其实际形状的光滑球状体。根据上述公式，可算出赤道的总重力是978.0318伽，两极的总重力则是983.3318伽。因此，南北两极的重力吸引都比赤道的重力吸引多了5.3伽（5300毫伽）的重力值。赤道地区最小的重力值与赤道膨胀是高度相符的（体积膨胀所导致的密度降低与重力吸引减小），同时极地地区最大的重力值则是与极向扁率是几乎完全一致的（体积收缩所导致的密度上升与重力吸引增大）。进一步而言，重力横陡度（重力的一个组成部分gz）对赤道地区的影响则小得多，这也将会阻止海水向赤道移动。（Fig.6A）Fig.6B 展示了球体表面的最大曲率与纬度60°重合。
图4
4.结果和讨论
由于地球绕其自身轴线旋转，赤道处的重力加速度小于极点。极地与赤道之间的重力加速度差值为0.0178 m / s2，主要是由于位于赤道的物体离地球质心的距离比极点远，约为21 千米，这相当于较小的重力加速度。旋转下的流体呈现一种形式，使得其外形是吸引力和向心加速潜力的等电位。上述类比表明，即使整个极地冰层由于全球变暖而融化，融化的水也不会流向赤道地区，在赤道区域表面具有向上的梯度，与极区相比，重力吸引也明显较低。然而，两极的情况不同：北冰洋被陆地团块所包围，从而限制了浮冰的运动，而南极洲则被大洋所包围，浮冰可以自由地向北移动。但这一运动可能会被限制在最高60度纬度，其中球状表面具有最大曲率（图6b）。像往常一样，水不能从较高的重力吸引力流向较低的重力吸引力，相反，它以另一种方式，即磁极的更高重力吸引会吸引向赤道区域移动的水，并且水柱在每个“gz”方向都是静止的。此外，朝向两极的更大水平重力梯度也有助于融化的水保持对极地区域的吸引力（图6a）。
图5
5.地质与海平面
尽管有许多地质过程可以改变海底高度，但构造作用、火山活动、粘弹性变形、沟槽斜坡沉积和海底扇沉积是最重要的。区域间不整合与全球海平面高位周期和海平面低位有关，许多沉积序列的相和一般分布模式也是如此。各种过程驱动着海洋表面和海底的高度变化，从而导致局部到区域尺度的海平面变化的独特空间模式。从地质记录中确定了古海平面变化，其中晚三叠世至现在的数据已被合理地记录，但是海平面的升降幅度（升降幅度是指海平面由于海洋中水量的变化而变化，或者海盆形状的改变，从而改变了海水所能容纳的水量——海平面变化始终是一个全局效应）只是近似值。由于全球海平面变化周期是大地构造、冰川等大规模过程的记录，它们反映了显生宙（中生代至今）历史上的主要事件。这些事件主要与大型造山运动（山地建筑）有关，如跨喜马拉雅造山运动，沉积盆地形成，孟加拉盆地和墨西哥湾沿岸盆地。晚三叠世或是早侏罗世的北美显生宙历史，它们与盘古大陆的解体相一致，在此期间北美向西漂移。东部大陆边缘成为现代伸展的大西洋边缘盆地，而西部边缘经历了构造作用和增生棱柱的形成，导致科迪勒拉造山带的拼合。类似的伸展盆地和沉积增生棱柱导致在非洲和欧洲、以及亚洲某些地区沿大西洋东缘发育的造山带。由于海洋遭受区域性的海侵和海退，地球上的这些大型事件导致海平面上升和下降达数百米。因此，当一个地区发生严重沉降时，会导致相对海平面上升到数十米。全新世中期（大约8000年前）沉降形成孟加拉盆地的恒河洼地，贾木纳坳陷和梅格纳坳陷，导致大海侵，海平面上升10米。
6.结论
地球物理形态是全球海平面分布的基本组成部分。全球变暖和冰层融化虽然是现实，但不会导致海平面上升。地球的引力对海平面上升起着主导作用。由于赤道隆起区重力吸引低，极地平坦区重力吸引高，融水不会从极地区域向赤道区域移动。此外，浮冰的融化水将重新占用其所排出的同样体积的水，不会导致海平面上升。北冰洋被陆地团块所包围，从而限制了浮冰的运动，而南极洲则被大洋所包围，浮冰可以自由地向北移动。南极洲周围大量浮冰的融化，不仅可以重新占用流失的水量，还可以冷却赤道隆起区域的海水，从而防止海水的热膨胀。极地地区的陆地冰融化可以大大减少地壳上的负荷，使地壳弹性反弹，通过隆起进行等静压平衡，导致海平面相对下降。宏观尺度上的古海平面上升和下降，归根到底，与海洋海侵和回归有关，此外还与其他地质事件有关，如板块构造的会聚与分流，边缘碰撞的造山隆起，地壳伸展的盆地沉降，大洋区的火山活动，进积三角洲沉积，海底海侵，海底高度变化和海底大规模崩塌等等。
（英文学院新雅翻译团队、2016级俄语系黄榕译）
资料来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987118300446
Why would sea-level rise for global warming and polar ice-melt? By R. Damian Nance
