尋找認(rèn)識(shí)溫室氣體效應(yīng)的“鑰匙”研究揭示末次冰盛期大洋環(huán)流新模式

第第頁(yè)尋找認(rèn)識(shí)溫室氣體效應(yīng)的“鑰匙”研究揭示末次冰盛期大洋環(huán)流新模式

海冰對(duì)全球變暖最敏感。圖片來(lái)源：Pixabay

自工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)已使大氣二氧化碳（CO2）上升約100ppm（ppm代表百萬(wàn)分之一），帶來(lái)全球變暖、海洋酸化等環(huán)境問(wèn)題。如何準(zhǔn)確可靠地預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化，已成為人類迫切需要解決的一個(gè)氣候和政治問(wèn)題。

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

經(jīng)過(guò)多年探索研究，澳大利亞國(guó)立大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院教授于際民與合繪制出國(guó)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(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣CO2在全球氣候變化中的作用至關(guān)重要。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然—地球科學(xué)》。

了解過(guò)去洞悉未來(lái)

“過(guò)去是了解現(xiàn)在的一把鑰匙”，充分理解過(guò)去大氣CO2的調(diào)控機(jī)制，將對(duì)未來(lái)的氣候變化預(yù)測(cè)大有裨益，同時(shí)也為人類適應(yīng)或消減可能的負(fù)面影響提供依據(jù)。

論文之一、中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員金章東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，大氣中CO2的主要來(lái)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(huì)下降。“為應(yīng)對(duì)未來(lái)可能繼續(xù)上升的大氣CO2及其對(duì)全球氣候環(huán)境的影響，一個(gè)主要的科學(xué)任務(wù)是全面理解地球本身碳循環(huán)及其調(diào)控機(jī)制，其中理解過(guò)去海洋—陸地—大氣之間的碳收支，尤其是大洋環(huán)流很關(guān)鍵?！?/p>

南極冰芯數(shù)據(jù)揭示，大氣CO2在過(guò)去地質(zhì)歷史時(shí)期有很大的變幅。例如，在大約兩萬(wàn)年前的末次冰盛期，大氣CO2降低了20ppm。然而，經(jīng)過(guò)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(yán)重妨礙人們理解氣候從冷期轉(zhuǎn)變到溫暖期過(guò)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(zhuǎn)變的關(guān)鍵氣候態(tài)。

近幾十年來(lái)，溫鹽環(huán)流已成為海洋學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和重點(diǎn)。但論文通訊于際民坦承，目前大多數(shù)研究主要利用單個(gè)指標(biāo)恢復(fù)過(guò)去的洋流模式。然而，由于指標(biāo)解釋的不確定性，已提出的各種溫鹽環(huán)流模式經(jīng)常相互矛盾，對(duì)深入理解全球碳循環(huán)和氣候變化機(jī)制造成了嚴(yán)重的困擾和障礙。

“我們希望通過(guò)多種指標(biāo)的方法，進(jìn)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(guó)科學(xué)報(bào)》。

全球合作深海探“因”

多年來(lái)，于際民領(lǐng)銜的由中國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、西班牙等國(guó)科學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)密切合作，通過(guò)對(duì)大范圍水體酸堿度的重建，繪制出了國(guó)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(shí)南大西洋3~4公里水深存在一個(gè)富碳的水體。通過(guò)綜合考慮放射性14C年齡、釹同位素、碳同位素等指標(biāo)，研究人員確定，該水體最可能是從北太平洋輸送進(jìn)來(lái)的。

這個(gè)結(jié)果來(lái)之不易。于際民回憶道，為繪制完整而可信的整個(gè)大西洋的海洋酸堿度截面圖，他們需要尋找、申請(qǐng)不同緯度和水深的大洋鉆孔的沉積物樣品。這個(gè)過(guò)程花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間。此外，從沉積物中挑取微體化石，并對(duì)樣品進(jìn)行年代確定和指標(biāo)分析，提出可信的觀點(diǎn)和模式更是難上加難。得益于國(guó)際團(tuán)隊(duì)的深入交流合作與多年堅(jiān)持，終得碩果。

以上述研究為基礎(chǔ)，研究人員提出了一種目前尚未認(rèn)識(shí)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(shí)相當(dāng)大范圍的深海被富碳的水體所占據(jù)。進(jìn)一步的時(shí)間序列數(shù)據(jù)表明，該水體的擴(kuò)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(rèn)為，在最寒冷的末次冰盛期，大西洋的深海主要由兩個(gè)巨大水體構(gòu)成：南大西洋底層水和北大西洋中層水。但此次的研究數(shù)據(jù)表明，在末次冰盛期有一整團(tuán)來(lái)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(cè)到了北太平洋深層水的信號(hào)。這說(shuō)明盡管冰期時(shí)北太平洋水體在海洋內(nèi)部發(fā)生了運(yùn)移，但在運(yùn)移過(guò)程中，其所含的碳可以相對(duì)完好地保存，并沒(méi)有釋放到大氣中。

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

該研究提出，北太平洋深層水的擴(kuò)展可能是導(dǎo)致冰期大氣CO2大幅下降的關(guān)鍵過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程能很好地解答冰期時(shí)全球大氣CO2下降的原因。這是前人沒(méi)有認(rèn)識(shí)到的。

“大家有一個(gè)共識(shí)，南大西洋是一個(gè)主要的碳源，如果這里釋放大量的碳，將會(huì)造成劇烈的全球變暖?？茖W(xué)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(gè)依據(jù)或者說(shuō)線索，這對(duì)我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣CO2在全球氣候變化中的作用是至關(guān)重要的?！苯鹫聳|說(shuō)。

深入理解建立模型

于際民表示，認(rèn)識(shí)海洋CO2以及碳循環(huán)機(jī)制并不容易，需要從不同空間認(rèn)識(shí)它從哪里來(lái)、什么時(shí)間來(lái)、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(lái)理解碳循環(huán)機(jī)制、預(yù)測(cè)氣候變化還有諸多科學(xué)難題待解。

比如，冰芯數(shù)據(jù)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(dǎo)致了這些周期性變化？這仍是一個(gè)需要解決的重大科學(xué)問(wèn)題。在更短時(shí)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(guān)控制機(jī)制是什么，人們也并不清楚。

“我們對(duì)過(guò)去海洋及其碳循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制尚不完全了解?！庇陔H民說(shuō)，為更全面地理解海洋—陸地—大氣碳