過(guò)去的幾十萬(wàn)年中, 地球氣候經(jīng)歷了多次寒冷的冰期與相對(duì)溫暖的間冰期. 科學(xué)家通過(guò)分析南極冰芯氣泡中保存的氣體組分發(fā)現(xiàn), 冰期大氣二氧化碳(CO2)濃度顯著低于間冰期. 這一發(fā)現(xiàn)表明, 冰期時(shí)大量大氣CO2被封存到地球系統(tǒng)的其他儲(chǔ)庫(kù) [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(gè)大問(wèn)題. 末次冰期和隨后的冰消期(大約距今2.4~1萬(wàn)年)留下了豐富的地質(zhì)和環(huán)境線索, 所以科學(xué)家對(duì)這段時(shí)期的研究尤其多.

海洋是地球表面系統(tǒng)中最大的碳儲(chǔ)庫(kù), 儲(chǔ)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(chǔ)碳量發(fā)生相對(duì)不大的變化, 也可能引發(fā)大氣CO2濃度的顯著波動(dòng). 長(zhǎng)期以來(lái), 科學(xué)家普遍認(rèn)為, 深海碳庫(kù)的變化與大洋環(huán)流密切相關(guān), 二者的相互作用在調(diào)控大氣CO2水平方面發(fā)揮著重要作用.

在現(xiàn)代海洋中, 深海環(huán)流主要由兩個(gè)水團(tuán)控制: 一個(gè)是形成于北半球的北大西洋深層水, 另一個(gè)是起源于南半球的南極底層水( 圖1 ). 大量研究發(fā)現(xiàn), 在末次冰盛期, 大西洋深部廣泛被富碳的南源水團(tuán)占據(jù), 從而增強(qiáng)了深海對(duì)碳的儲(chǔ)存能力, 這被認(rèn)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(guān)于這一冰期“南源水團(tuán)”究竟來(lái)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(guān)鍵水團(tuán)的真實(shí)來(lái)源和形成機(jī)制, 是理解自然條件下大氣CO2降低過(guò)程的關(guān)鍵一步.

圖1 末次冰期深海環(huán)流變化示意圖

南極底層水是現(xiàn)代海洋中最深、最密的水團(tuán)之一, 主要形成于南極的部分邊緣海. 在這些區(qū)域, 海冰的形成會(huì)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(kuò)散, 對(duì)深海環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(duì)碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存能力.

長(zhǎng)期以來(lái), 科學(xué)界普遍認(rèn)為, 在冰期, 深海中占主導(dǎo)地位的南源水團(tuán)來(lái)源單一, 其主體正是發(fā)源于南極的南極底層水( 圖1 ) [4] . 這一觀點(diǎn)構(gòu)成了傳統(tǒng)冰期深海環(huán)流認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ). 然而, 近年來(lái)越來(lái)越多的古海洋證據(jù)表明, 這種將冰期南源水團(tuán)視為均一水體的認(rèn)識(shí)可能過(guò)于簡(jiǎn)化. 一方面, 不同區(qū)域記錄的深海通風(fēng)變化在強(qiáng)度和時(shí)間演化上并不一致, 暗示著冰期南源水團(tuán)內(nèi)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(xué)記錄也顯示, 冰期南源水團(tuán)的主體并非完全由南極底層水構(gòu)成, 其中很可能混入了大量來(lái)自太平洋的深層水體 [ 5 , 6 ] . 這些證據(jù)共同指向一個(gè)重要事實(shí): 冰期深海的南源水團(tuán)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)要復(fù)雜得多.

在研究南大洋深海水團(tuán)空間結(jié)構(gòu)如何隨時(shí)間變化時(shí), 科學(xué)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(gè)關(guān)鍵線索: 海水中釹同位素的空間分布與不同深海水團(tuán)的分布相關(guān). 通過(guò)重建深海沉積物記錄中釹同位素在空間上的變化, 并結(jié)合地球系統(tǒng)模型模擬, 研究人員得以追蹤過(guò)去約3萬(wàn)年以來(lái)南大洋深海水團(tuán)的時(shí)空演化過(guò)程.

研究結(jié)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(lái)自太平洋的繞極深層水占據(jù). 這種深海水體的垂向分層結(jié)構(gòu)阻礙了深海與大氣之間的氣體交換、有利于將大量的碳長(zhǎng)期封存在深海之中( 圖 1 ). 進(jìn)入末次冰消期后, 隨著南極地區(qū)逐步變暖, 南極底層水逐漸向更淺的水深擴(kuò)展, 原本穩(wěn)定的深海分層隨之減弱, 深海水體之間的混合顯著增強(qiáng), 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(kuò)張過(guò)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(jié)構(gòu)調(diào)整與大氣CO2變化之間的緊密聯(lián)系.

黃璜等人的研究表明, 用簡(jiǎn)單的“南北來(lái)源”來(lái)劃分冰期深海環(huán)流, 可能低估了深海系統(tǒng)本身的復(fù)雜性. 來(lái)自太平洋的深層水體在冰期南大洋深海中發(fā)揮了關(guān)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(jié)構(gòu). 換句話(huà)說(shuō), 冰期的深海并不是由單一南極來(lái)源水體所“填滿(mǎn)”, 而是由多種深層水團(tuán)共同存在、相互混合, 其分布方式?jīng)Q定了深海是否能夠有效地將碳長(zhǎng)期封存在海洋深處.

現(xiàn)代觀測(cè)已表明, 在持續(xù)變暖背景下, 南極底層水的密度、體積及其形成方式正在發(fā)生變化 [8] . 回顧末次冰消期可以發(fā)現(xiàn), 南極變暖曾顯著改變南大洋深海水團(tuán)結(jié)構(gòu), 并進(jìn)而影響深海對(duì)碳的儲(chǔ)存能力. 這一歷史過(guò)程表明, 南極及南大洋的變化能夠通過(guò)調(diào)節(jié)深海環(huán)流結(jié)構(gòu), 影響深海與大氣之間的碳交換, 從而對(duì)大氣CO2水平和全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響. 相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Nature Geoscience [7] .

參考文獻(xiàn)

[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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