尋找認識溫室氣體效應的“鑰匙”研究揭示末次冰盛期大洋環(huán)流新模式

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海冰對全球變暖最敏感。圖片來源：Pixabay

自工業(yè)革命以來，人類活動已使大氣二氧化碳（CO2）上升約100ppm（ppm代表百萬分之一），帶來全球變暖、海洋酸化等環(huán)境問題。如何準確可靠地預測未來氣候變化，已成為人類迫切需要解決的一個氣候和政治問題。

大洋環(huán)流對地球熱量和碳分配起著舉足輕重的作用，而過去海洋環(huán)流及其碳收支是認識大氣CO2在氣候變化中所起作用的一把“關鍵鑰匙”。

經過多年探索研究，澳大利亞國立大學地球科學學院教授于際民與合繪制出國際上第一幅末次冰期大西洋深海酸堿度截面圖，并提出了一種全新的冰期大洋環(huán)流模式。這對進一步認識大氣CO2在全球氣候變化中的作用至關重要。相關研究成果近日在線發(fā)表于《自然—地球科學》。

了解過去洞悉未來

“過去是了解現(xiàn)在的一把鑰匙”，充分理解過去大氣CO2的調控機制，將對未來的氣候變化預測大有裨益，同時也為人類適應或消減可能的負面影響提供依據。

論文之一、中國科學院地球環(huán)境研究所研究員金章東告訴《中國科學報》，大氣中CO2的主要來源之一是海洋的釋放，如果海洋固定更多的CO2，大氣中的CO2將會下降?！盀閼獙ξ磥砜赡芾^續(xù)上升的大氣CO2及其對全球氣候環(huán)境的影響，一個主要的科學任務是全面理解地球本身碳循環(huán)及其調控機制，其中理解過去海洋—陸地—大氣之間的碳收支，尤其是大洋環(huán)流很關鍵?！?/p>

南極冰芯數據揭示，大氣CO2在過去地質歷史時期有很大的變幅。例如，在大約兩萬年前的末次冰盛期，大氣CO2降低了20ppm。然而，經過幾十年的研究，末次冰盛期大氣CO2降低的具體原因仍不清楚。這嚴重妨礙人們理解氣候從冷期轉變到溫暖期過程中大氣CO2所起的作用。其中，末次冰盛期是理解氣候從冷期到溫暖期轉變的關鍵氣候態(tài)。

近幾十年來，溫鹽環(huán)流已成為海洋學研究的一個熱點和重點。但論文通訊于際民坦承，目前大多數研究主要利用單個指標恢復過去的洋流模式。然而，由于指標解釋的不確定性，已提出的各種溫鹽環(huán)流模式經常相互矛盾，對深入理解全球碳循環(huán)和氣候變化機制造成了嚴重的困擾和障礙。

“我們希望通過多種指標的方法，進一步重建末次冰盛期大洋溫鹽環(huán)流模式，這將為更好地理解大氣CO2變化提供可靠的信息?！庇陔H民告訴《中國科學報》。

全球合作深海探“因”

多年來，于際民領銜的由中國、澳大利亞、英國、西班牙等國科學家組成的國際研究團隊密切合作，通過對大范圍水體酸堿度的重建，繪制出了國際上第一幅末次冰期大西洋深海酸堿度截面圖。

研究發(fā)現(xiàn)，在末次冰期時南大西洋3~4公里水深存在一個富碳的水體。通過綜合考慮放射性14C年齡、釹同位素、碳同位素等指標，研究人員確定，該水體最可能是從北太平洋輸送進來的。

這個結果來之不易。于際民回憶道，為繪制完整而可信的整個大西洋的海洋酸堿度截面圖，他們需要尋找、申請不同緯度和水深的大洋鉆孔的沉積物樣品。這個過程花費了數年的時間。此外，從沉積物中挑取微體化石，并對樣品進行年代確定和指標分析，提出可信的觀點和模式更是難上加難。得益于國際團隊的深入交流合作與多年堅持，終得碩果。

以上述研究為基礎，研究人員提出了一種目前尚未認識到的深海大西洋溫鹽環(huán)流模式。該模式表明，和現(xiàn)在的海洋相比，冰期時相當大范圍的深海被富碳的水體所占據。進一步的時間序列數據表明，該水體的擴展與大氣CO2的最后一波20ppm下降同步。

就冰期溫鹽環(huán)流而言，傳統(tǒng)觀念認為，在最寒冷的末次冰盛期，大西洋的深海主要由兩個巨大水體構成：南大西洋底層水和北大西洋中層水。但此次的研究數據表明，在末次冰盛期有一整團來自北太平洋的、富含碳的深層水入侵到了南大西洋。更重要的是，研究人員在南大西洋探測到了北太平洋深層水的信號。這說明盡管冰期時北太平洋水體在海洋內部發(fā)生了運移，但在運移過程中，其所含的碳可以相對完好地保存，并沒有釋放到大氣中。

“打個比方，當你用力搖晃汽水瓶子時，大量的氣泡就會釋放出來；而把瓶子平穩(wěn)放置時，氣泡的釋放速度會大大降低。冰期時北太平洋深層水入侵到了南大西洋并得以保存，這說明冰期時海水混合動力學特征是比較‘懶惰’的。就碳循環(huán)來說，一個動力薄弱的海洋可以更好地把碳封存在深海內部?！庇陔H民解釋道。

該研究提出，北太平洋深層水的擴展可能是導致冰期大氣CO2大幅下降的關鍵過程，而這個過程能很好地解答冰期時全球大氣CO2下降的原因。這是前人沒有認識到的。

“大家有一個共識，南大西洋是一個主要的碳源，如果這里釋放大量的碳，將會造成劇烈的全球變暖?？茖W家一直在尋找最后一波下降20ppm的大氣CO2到哪里去了。雖然目前并不能證明兩者之間有直接聯(lián)系，但這一研究提供了一個依據或者說線索，這對我們進一步認識大氣CO2在全球氣候變化中的作用是至關重要的?！苯鹫聳|說。

深入理解建立模型

于際民表示，認識海洋CO2以及碳循環(huán)機制并不容易，需要從不同空間認識它從哪里來、什么時間來、又到哪里去。“不同區(qū)域碳的組成、年齡都是不一樣的?！?/p>

金章東也表示，未來理解碳循環(huán)機制、預測氣候變化還有諸多科學難題待解。

比如，冰芯數據揭示，大氣CO2和氣候變化高度耦合、在冰期—間冰期尺度具有周期性。但是，是什么導致了這些周期性變化？這仍是一個需要解決的重大科學問題。在更短時間尺度上，如千年和百年尺度上，大氣CO2也在發(fā)生快速變化，其相關控制機制是什么，人們也并不清楚。

“我們對過去海洋及其碳循環(huán)的運轉機制尚不完全了解?！庇陔H民說，為更全面地理解海洋—陸地—大氣碳