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我国科学家解译冰期深海大洋调制千年尺度大气二氧化碳多模式变化之谜

2023.10.29

10月26日，《自然—地球科学》在线发表崂山实验室于际民研究员团队的最新科研成果，该研究结合深海酸度数据和冰芯二氧化碳记录，揭示两极海域之间的交互作用通过多种模式来调节大洋深海通风状况。这些模式可以解译千年时间尺度上深海碳储存和大气二氧化碳的不同类型的演化历史。

冰芯测量结果表明，大气二氧化碳在北大西洋千年尺度寒冷时期（又称冰阶期）的变化并不是单一的，而是呈现增加、保持不变，甚至降低等多个变化趋势。大量研究认为，大气二氧化碳变化主要受控于南大洋通风对深海存储碳量的调节。一个广为接受的观点认为，南半球西风增强或向极地的摆动可以提升南大洋对深海的通风状况，促进深海碳向大气的释放，从而导致冰阶期大气二氧化碳的增加。然而，南大洋通风的变化无法解释诸多冰阶期大气中二氧化碳没有上升的现象。通过影响大西洋经向翻转环流（英文简称：AMOC）的强度，北大西洋可对深海的通风状态起着至关重要的作用。但是，两极地区交互关系及其对冰阶期的深海碳储存和大气二氧化碳的调控作用仍然是一个尚未破解的国际科学难题。

针对这一国际难题，于际民领衔的国际研究团队利用底栖有孔虫壳体的硼/钙指标重建了反映海水酸度的碳酸根离子浓度，限定了过去15万年以来深海碳储存的演化历史。通过深海酸度数据和冰芯二氧化碳记录相结合，该研究发现两极之间的交互作用通过多种模式来调节深海大洋的通风状况。这些模式可以从机制上圆满解释千年时间尺度上深海碳储存和大气二氧化碳变化之间的内在联系。

对于千年时间尺度研究，一个艰巨的任务是获取具有可靠年代学的详细海洋重建数据，以便对海洋和冰芯记录进行可靠比较分析。为此，该国际团队选定了位于北大西洋的伊比利亚海域的一个沉积物岩芯进行系统研究。

“伊比利亚海域的特殊地理位置让我们能够对所使用的岩芯样品进行足够准确的定年。”于际民告诉《中国科学报》。研究团队通过多次访问欧洲环境地球科学研究与教学中心（CEREGE）的岩芯库，获得了足够数量的有孔虫壳体，为该研究奠定基础。

该研究所获得的高分辨率记录显示，在冰阶时期深海碳储存与大气二氧化碳变化呈现多模态演化方式。其中一个模态发生在大气二氧化碳大幅上升的冰阶期，如冰期终结期，其间的深海碳储存显著降低。由于冰阶期AMOC很可能减弱，深海碳储库的降低可归结为南大洋通风增加。因此，本研究的新数据有力地支持了南大洋过程对千年时间尺度大气二氧化碳的调控作用。此外，由于本研究所测量的岩心样品来自北大西洋41°N，所获数据所反映的南大洋通风作用异常强大，导致相当大体积的深海水丢失碳。

于际民指出，虽然我们选择了大西洋的一个岩芯以利用其高沉积速度和可靠的年龄模型，但所推测的南大洋通风增加很可能促进了印度洋和太平洋深海的碳流失，有助于解释这些冰阶期间观察到的大气大幅二氧化碳上升。

另一种模态发生在大气二氧化碳仅略微增加甚至下降的冰阶期，其间深海碳含量保持高位。在这些冰阶期，南大洋上升、温度和海冰范围的变化可能导致深海碳释放。因此，研究人员推测在这些冰阶期间观察到的高深海碳含量是由于AMOC弱化促进了有机碳在海洋内部的积累所导致。这一现象可有效地提升海洋的生物泵效率，从而降低大气二氧化碳。这是一个被广泛接受的用来解释长周期，如4万年及更长时间尺度的大气二氧化碳变化机制，但在解释千年尺度二氧化碳的波动中很大程度上被忽视。

该研究表明在探讨控制千年大气二氧化碳调控机制时，应考虑两极海域对深海通风状态的影响，而不是仅仅考虑南大洋的影响。该研究所提出的“双极控制”观点可圆满解释过去15万年以来大气二氧化碳在冷期时所呈现的各种类型变化。

于际民表示，自工业革命以来两个半球的高纬度海洋已经吸收了大量人为排放的二氧化碳。为了更好的预测未来大气二氧化碳变化及其相关的全球变暖和海洋酸化效应，模型需要准确模拟各种碳循环调控过程，包括北大西洋和南大洋之间的交互作用。本研究所发表的酸度记录涵盖了一个完整冰期旋回里的各种类型的冰阶，可以被模型用来评估在不同气候条件下两极地区对深海通风状态影响的相对重要性，对未来碳循环及其气候耦合具有重要科学和现实意义。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01297-x

海洋海域冰芯记录

中国科学报

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