科學通報 | 北極放大效應加劇北冰洋脫氧

北極地區正經歷顯著的氣候變暖, 升溫速率達到全球平均速率的2~4倍, 這一現象稱為“北極放大效應” [1,2]. 這一效應不僅顯著改變了北冰洋的物理結構(水層結構和環流模式), 也可能對其生物地球化學過程產生深刻影響, 如改變水體溶解氧的分布和循環. 北冰洋水溫低且通風良好, 溶解氧濃度長期在全球海洋中居于最高水平 [3] , 但這樣一個高氧環境對氣候變化卻極為敏感. 然而, 目前對于北極快速變暖如何影響北冰洋各水層的溶解氧含量尚缺乏系統性認識.

北冰洋通過大西洋和太平洋與全球海洋相連: 大西洋經弗拉姆海峽(Fram Strait)和巴倫支海開口(Barents Sea Opening)向北輸送溫暖且高鹽的水體; 太平洋經白令海峽(Bering Strait)輸送相對低溫、低鹽的水體[4](圖1(a)). 其中, 來自大西洋的入流水(Atlantic water, AW)對北冰洋水動力及物質循環的影響尤為顯著(圖1(b)). 近年來, 北大西洋入流水逐漸變暖、變咸, 這一過程被稱為北冰洋“大西洋化”(atlantification)[5,6], 可能深刻改變北冰洋的熱量和物質平衡以及物理化學環境, 特別是通過改變水體穩定性、營養鹽供給及含氧狀況重塑生態環境[4,6].

圖1 北極放大效應下北冰洋脫氧過程與趨勢. (a) 北冰洋表層海水溫度異常的空間分布. 紅色箭頭表示大西洋入流水及其進入北冰洋后的流動路徑, 藍色箭頭表示太平洋入流水及其進入北冰洋后的流動路徑. 深藍色虛線代表(b)和(c)中的跨北極斷面. (b, c) 平均溶解氧濃度和溶解氧濃度異常的斷面分布圖. 其中27.75和27.95?kg?m?3的位密等值線(黑色)代表大西洋入流水核心的上下邊界. (d) 東北冰洋不同區域的大西洋水層溶解氧濃度的年代際變化趨勢. NS: 挪威海; FS: 弗拉姆海峽; BSO: 巴倫支海開口; NB: 南森海盆. (e) 西北冰洋不同水層中溶解氧濃度的年代際變化趨勢. AW Core: 通過27.75和27.95?kg?m?3的位密范圍及深度大于50?m條件篩選后的水層代表AW核心; AW: 300~800?m深的大西洋水層; PWW: 100~300?m深的太平洋冬季水層. 圖修改自文獻[12]

溶解氧是海洋健康的重要指標[3,7]. 自20世紀中期以來, 全球海洋溶解氧含量已下降約2%, 主要歸因于氣候變暖導致氧氣溶解度降低和深海通風減弱[8,9], 模型預測這一趨勢未來還將加劇[10]. 然而, 以往研究多集中于低緯至中緯海域脫氧現象, 極地海洋脫氧研究則相對較少[3,8,11]. 過去, 學界普遍認為北冰洋因水溫低、溶解氧濃度高, 不易出現嚴重缺氧問題, 但在快速變暖驅動下, 這一觀點亟需重新審視.

針對以上知識空白和研究挑戰, Wu等人[12]整合了近40年多源觀測數據, 首次系統量化了北冰洋溶解氧濃度變化趨勢. 研究發現, 北冰洋正經歷顯著的年代際脫氧, 東北冰洋上層(0~500?m)和西北冰洋中深層(300~800?m深)的AW水層氧含量急劇下降(圖1(c)). AW脫氧速率達每年?0.41±0.17~ ?0.47±0.07?μmol?kg?1(圖1(d, e)), 約為全球海洋平均脫氧速率的6倍[8], 也顯著高于中低緯度海域溶解氧濃度極小值層和南極底層水等全球其他典型脫氧水體[11,13]. 由此可見, 北冰洋是目前全球海洋脫氧最為快速的區域之一, 尤其是其AW水層, 凸顯了北極對氣候變化的敏感性. 這種脫氧模式沿著大西洋入流水路徑呈現出明顯的空間一致性, 從大西洋入流區域至加拿大海盆, 均展現了統一的脫氧信號(圖1(c)), 表明上游變暖顯著影響了北冰洋的溶解氧分布格局. 相比之下, 太平洋水層脫氧幅度較小, 只發生于局部區域. 在加拿大海盆上層(100~300?m)以太平洋冬季水(Pacific winter water, PWW)為主導的水層中, 近幾十年低氧水域有一定擴張, 但整體趨勢微弱, 僅核心層(約30?m厚)檢測到顯著氧下降速率(每年約?0.55±0.20?μmol?kg?1(圖1(c)), 主要與該區域初級生產增加導致有機物沉降增多、耗氧加劇有關. 此外, 北冰洋更深層(>1200?m)的溶解氧濃度尚未出現顯著變化(圖1(d, e)), 主要由于該深度以深的水體年齡較老, 近幾十年表層變暖信號尚未充分到達并產生影響[14].

深入的機制分析顯示, 以AW脫氧為主的北冰洋脫氧主要受物理過程驅動[12]. 北極變暖直接導致大西洋入流水在亞極地源區的氧氣溶解度降低, 海氣交換進一步使得水體溶解氧濃度顯著下降. 計算顯示, AW來源區域的氧氣溶解度降低速率與加拿大海盆觀測到的脫氧速率高度一致[12]. 同時, 大西洋入流水進入北冰洋后迅速下沉至中層并橫向傳播, 加速了脫氧信號向遠端傳輸[12]. 此外, 北冰洋表層的淡水層與季節性海冰屏障限制了氧的再補給, 從而進一步加劇了脫氧程度.

本研究首次提出了北極放大效應通過快速變暖顯著降低海水溶解氧濃度, 并經大西洋水快速下潛和輸送, 顯著驅動了北冰洋整體脫氧, 脫氧速率遠高于全球平均水平. 研究強調, 未來持續變暖將進一步加速北冰洋脫氧趨勢, 對極地生態系統與全球碳循環構成重大威脅[12].

該研究的發現具有重要的全球氣候指示意義: 北冰洋作為氣候變化最敏感區域, 已成為全球海洋脫氧的“前沿哨兵”. 北冰洋氧濃度持續下降將直接沖擊極地海洋生態系統, 適應高氧環境的海洋生物可能面臨生理壓力, 進而影響食物網結構及生物地球化學循環[3]. 在全球變暖背景下, 北冰洋快速升溫、脫氧、酸化的復合效應將嚴重威脅極地海洋生物多樣性和生態健康[7,15]. 綜上所述, 北冰洋脫氧是全球氣候變化的關鍵警訊, 也是海洋科學研究的新興前沿課題. 未來亟需加強長期觀測與機制研究, 提升模型預測能力, 以更好地應對這一環境挑戰, 并為保護北極脆弱生態系統和制定全球氣候應對政策提供關鍵科學依據.

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