我國科學家解譯冰期深海大洋調制千年尺度大氣二氧化碳多模式變化之謎

10月26日，《自然—地球科學》在線發表嶗山實驗室于際民研究員團隊的最新科研成果，該研究結合深海酸度數據和冰芯二氧化碳記錄，揭示兩極海域之間的交互作用通過多種模式來調節大洋深海通風狀況。這些模式可以解譯千年時間尺度上深海碳儲存和大氣二氧化碳的不同類型的演化歷史。

冰芯測量結果表明，大氣二氧化碳在北大西洋千年尺度寒冷時期（又稱冰階期）的變化并不是單一的，而是呈現增加、保持不變，甚至降低等多個變化趨勢。大量研究認為，大氣二氧化碳變化主要受控于南大洋通風對深海存儲碳量的調節。一個廣為接受的觀點認為，南半球西風增強或向極地的擺動可以提升南大洋對深海的通風狀況，促進深海碳向大氣的釋放，從而導致冰階期大氣二氧化碳的增加。然而，南大洋通風的變化無法解釋諸多冰階期大氣中二氧化碳沒有上升的現象。通過影響大西洋經向翻轉環流（英文簡稱：AMOC）的強度，北大西洋可對深海的通風狀態起著至關重要的作用。但是，兩極地區交互關系及其對冰階期的深海碳儲存和大氣二氧化碳的調控作用仍然是一個尚未破解的國際科學難題。

針對這一國際難題，于際民領銜的國際研究團隊利用底棲有孔蟲殼體的硼/鈣指標重建了反映海水酸度的碳酸根離子濃度，限定了過去15萬年以來深海碳儲存的演化歷史。通過深海酸度數據和冰芯二氧化碳記錄相結合，該研究發現兩極之間的交互作用通過多種模式來調節深海大洋的通風狀況。這些模式可以從機制上圓滿解釋千年時間尺度上深海碳儲存和大氣二氧化碳變化之間的內在聯系。

對于千年時間尺度研究，一個艱巨的任務是獲取具有可靠年代學的詳細海洋重建數據，以便對海洋和冰芯記錄進行可靠比較分析。為此，該國際團隊選定了位于北大西洋的伊比利亞海域的一個沉積物巖芯進行系統研究。

“伊比利亞海域的特殊地理位置讓我們能夠對所使用的巖芯樣品進行足夠準確的定年。”于際民告訴《中國科學報》。研究團隊通過多次訪問歐洲環境地球科學研究與教學中心（CEREGE）的巖芯庫，獲得了足夠數量的有孔蟲殼體，為該研究奠定基礎。

該研究所獲得的高分辨率記錄顯示，在冰階時期深海碳儲存與大氣二氧化碳變化呈現多模態演化方式。其中一個模態發生在大氣二氧化碳大幅上升的冰階期，如冰期終結期，其間的深海碳儲存顯著降低。由于冰階期AMOC很可能減弱，深海碳儲庫的降低可歸結為南大洋通風增加。因此，本研究的新數據有力地支持了南大洋過程對千年時間尺度大氣二氧化碳的調控作用。此外，由于本研究所測量的巖心樣品來自北大西洋41°N，所獲數據所反映的南大洋通風作用異常強大，導致相當大體積的深海水丟失碳。

于際民指出，雖然我們選擇了大西洋的一個巖芯以利用其高沉積速度和可靠的年齡模型，但所推測的南大洋通風增加很可能促進了印度洋和太平洋深海的碳流失，有助于解釋這些冰階期間觀察到的大氣大幅二氧化碳上升。

另一種模態發生在大氣二氧化碳僅略微增加甚至下降的冰階期，其間深海碳含量保持高位。在這些冰階期，南大洋上升、溫度和海冰范圍的變化可能導致深海碳釋放。因此，研究人員推測在這些冰階期間觀察到的高深海碳含量是由于AMOC弱化促進了有機碳在海洋內部的積累所導致。這一現象可有效地提升海洋的生物泵效率，從而降低大氣二氧化碳。這是一個被廣泛接受的用來解釋長周期，如4萬年及更長時間尺度的大氣二氧化碳變化機制，但在解釋千年尺度二氧化碳的波動中很大程度上被忽視。

該研究表明在探討控制千年大氣二氧化碳調控機制時，應考慮兩極海域對深海通風狀態的影響，而不是僅僅考慮南大洋的影響。該研究所提出的“雙極控制”觀點可圓滿解釋過去15萬年以來大氣二氧化碳在冷期時所呈現的各種類型變化。

于際民表示，自工業革命以來兩個半球的高緯度海洋已經吸收了大量人為排放的二氧化碳。為了更好的預測未來大氣二氧化碳變化及其相關的全球變暖和海洋酸化效應，模型需要準確模擬各種碳循環調控過程，包括北大西洋和南大洋之間的交互作用。本研究所發表的酸度記錄涵蓋了一個完整冰期旋回里的各種類型的冰階，可以被模型用來評估在不同氣候條件下兩極地區對深海通風狀態影響的相對重要性，對未來碳循環及其氣候耦合具有重要科學和現實意義。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01297-x