科學通報 | 冰期消失的大氣CO2藏到了哪里? ——來自南大洋深海的新線索

過去的幾十萬年中, 地球氣候經歷了多次寒冷的冰期與相對溫暖的間冰期. 科學家通過分析南極冰芯氣泡中保存的氣體組分發現, 冰期大氣二氧化碳(CO2)濃度顯著低于間冰期. 這一發現表明, 冰期時大量大氣CO2被封存到地球系統的其他儲庫 [1] . 那么, 這些“消失”的大氣CO2到底去了哪里呢? 這一直是古海洋和古氣候研究的一個大問題. 末次冰期和隨后的冰消期(大約距今2.4~1萬年)留下了豐富的地質和環境線索, 所以科學家對這段時期的研究尤其多.

海洋是地球表面系統中最大的碳儲庫, 儲存的碳量大約是大氣的50~60倍. 其中, 絕大部分碳是被封存在深海中. 這意味著, 即使深海儲碳量發生相對不大的變化, 也可能引發大氣CO2濃度的顯著波動. 長期以來, 科學家普遍認為, 深海碳庫的變化與大洋環流密切相關, 二者的相互作用在調控大氣CO2水平方面發揮著重要作用.

在現代海洋中, 深海環流主要由兩個水團控制: 一個是形成于北半球的北大西洋深層水, 另一個是起源于南半球的南極底層水( 圖1 ). 大量研究發現, 在末次冰盛期, 大西洋深部廣泛被富碳的南源水團占據, 從而增強了深海對碳的儲存能力, 這被認為是維持冰期大氣CO2濃度較低的重要原因之一 [ 2 , 3 ] . 然而, 關于這一冰期“南源水團”究竟來自哪里、又是如何形成的, 不同的研究之間仍存在較大分歧. 厘清這一關鍵水團的真實來源和形成機制, 是理解自然條件下大氣CO2降低過程的關鍵一步.

圖1 末次冰期深海環流變化示意圖

南極底層水是現代海洋中最深、最密的水團之一, 主要形成于南極的部分邊緣海. 在這些區域, 海冰的形成會使海水鹽度升高、密度增大, 最終生成高鹽度的陸架水, 并下沉匯入深海. 形成后的南極底層水沿著海底向全球擴散, 對深海環境產生深遠影響. 它不僅決定了深海水體與大氣之間交換氣體的效率, 也在很大程度上控制著深海對碳的長期儲存能力.

長期以來, 科學界普遍認為, 在冰期, 深海中占主導地位的南源水團來源單一, 其主體正是發源于南極的南極底層水( 圖1 ) [4] . 這一觀點構成了傳統冰期深海環流認識的基礎. 然而, 近年來越來越多的古海洋證據表明, 這種將冰期南源水團視為均一水體的認識可能過于簡化. 一方面, 不同區域記錄的深海通風變化在強度和時間演化上并不一致, 暗示著冰期南源水團內部存在明顯差異. 另一方面, 深海碳酸根離子濃度以及海水鉛、釹同位素等多種地球化學記錄也顯示, 冰期南源水團的主體并非完全由南極底層水構成, 其中很可能混入了大量來自太平洋的深層水體 [ 5 , 6 ] . 這些證據共同指向一個重要事實: 冰期深海的南源水團結構比傳統認識要復雜得多.

在研究南大洋深海水團空間結構如何隨時間變化時, 科學家此前一直缺乏一種的可靠方法. 黃璜等人 [7] 的研究利用了一個關鍵線索: 海水中釹同位素的空間分布與不同深海水團的分布相關. 通過重建深海沉積物記錄中釹同位素在空間上的變化, 并結合地球系統模型模擬, 研究人員得以追蹤過去約3萬年以來南大洋深海水團的時空演化過程.

研究結果顯示, 在末次盛冰期, 南極底層水的體積和影響范圍明顯收縮, 其分布主要局限在水深約 4.5?km 以下的最深海域, 而南大洋中深層的大部分空間則被來自太平洋的繞極深層水占據. 這種深海水體的垂向分層結構阻礙了深海與大氣之間的氣體交換、有利于將大量的碳長期封存在深海之中( 圖 1 ). 進入末次冰消期后, 隨著南極地區逐步變暖, 南極底層水逐漸向更淺的水深擴展, 原本穩定的深海分層隨之減弱, 深海水體之間的混合顯著增強, 有利于大氣與深海之間的碳交換. 釹同位素記錄顯示, 這一底層水的擴張過程與末次冰消期兩次主要的大氣CO2快速升高階段高度一致, 顯示出南大洋深海結構調整與大氣CO2變化之間的緊密聯系.

黃璜等人的研究表明, 用簡單的“南北來源”來劃分冰期深海環流, 可能低估了深海系統本身的復雜性. 來自太平洋的深層水體在冰期南大洋深海中發揮了關鍵作用, 它們與南極形成的底層水共同塑造了深海水體的整體結構. 換句話說, 冰期的深海并不是由單一南極來源水體所“填滿”, 而是由多種深層水團共同存在、相互混合, 其分布方式決定了深海是否能夠有效地將碳長期封存在海洋深處.

現代觀測已表明, 在持續變暖背景下, 南極底層水的密度、體積及其形成方式正在發生變化 [8] . 回顧末次冰消期可以發現, 南極變暖曾顯著改變南大洋深海水團結構, 并進而影響深海對碳的儲存能力. 這一歷史過程表明, 南極及南大洋的變化能夠通過調節深海環流結構, 影響深海與大氣之間的碳交換, 從而對大氣CO2水平和全球氣候系統產生重要影響. 相關研究結果發表在 Nature Geoscience [7] .

參考文獻

[1] Lüthi D, Le Floch M, Bereiter B, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000?years before present . Nature , 2008 , 453: 379 -382

[2] Sigman D M, Hain M P, Haug G H. The polar ocean and glacial cycles in atmospheric CO2 concentration . Nature , 2010 , 466: 47 -55

[3] Adkins J F. The role of deep ocean circulation in setting glacial climates . Paleoceanography , 2013 , 28: 539 -561

[4] Lynch-Stieglitz J, Adkins J F, Curry W B, et al. Atlantic meridional overturning circulation during the Last Glacial Maximum . Science , 2007 , 316: 66 -69

[5] Huang H, Gutjahr M, Eisenhauer A, et al. No detectable Weddell Sea Antarctic Bottom Water export during the Last and Penultimate Glacial Maximum . Nat Commun , 2020 , 11: 424

[6] Yu J, Menviel L, Jin Z D, et al. Last glacial atmospheric CO2 decline due to widespread Pacific deep-water expansion . Nat Geosci , 2020 , 13: 628 -633

[7] Huang H, Gutjahr M, Hu Y, et al. Expansion of Antarctic Bottom Water driven by Antarctic warming in the last deglaciation . Nat Geosci , 2026 , 19: 113 -119

[8] Gunn K L, Rintoul S R, England M H, et al. Recent reduced abyssal overturning and ventilation in the Australian Antarctic Basin . Nat Clim Chang , 2023 , 13: 537 -544

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