科学通报 | 冰期消失的大气CO2藏到了哪里? ——来自南大洋深海的新线索|冰期|南大洋深海|南极|大气co2|水团|环流|科学通报

过去的几十万年中, 地球气候经历了多次寒冷的冰期与相对温暖的间冰期. 科学家通过分析南极冰芯气泡中保存的气体组分发现, 冰期大气二氧化碳(CO2)浓度显著低于间冰期. 这一发现表明, 冰期时大量大气CO2被封存到地球系统的其他储库 [1] . 那么, 这些“消失”的大气CO2到底去了哪里呢? 这一直是古海洋和古气候研究的一个大问题. 末次冰期和随后的冰消期(大约距今2.4~1万年)留下了丰富的地质和环境线索, 所以科学家对这段时期的研究尤其多.

海洋是地球表面系统中最大的碳储库, 储存的碳量大约是大气的50~60倍. 其中, 绝大部分碳是被封存在深海中. 这意味着, 即使深海储碳量发生相对不大的变化, 也可能引发大气CO2浓度的显著波动. 长期以来, 科学家普遍认为, 深海碳库的变化与大洋环流密切相关, 二者的相互作用在调控大气CO2水平方面发挥着重要作用.

在现代海洋中, 深海环流主要由两个水团控制: 一个是形成于北半球的北大西洋深层水, 另一个是起源于南半球的南极底层水( 图1 ). 大量研究发现, 在末次冰盛期, 大西洋深部广泛被富碳的南源水团占据, 从而增强了深海对碳的储存能力, 这被认为是维持冰期大气CO2浓度较低的重要原因之一 [ 2 , 3 ] . 然而, 关于这一冰期“南源水团”究竟来自哪里、又是如何形成的, 不同的研究之间仍存在较大分歧. 厘清这一关键水团的真实来源和形成机制, 是理解自然条件下大气CO2降低过程的关键一步.

图1 末次冰期深海环流变化示意图

南极底层水是现代海洋中最深、最密的水团之一, 主要形成于南极的部分边缘海. 在这些区域, 海冰的形成会使海水盐度升高、密度增大, 最终生成高盐度的陆架水, 并下沉汇入深海. 形成后的南极底层水沿着海底向全球扩散, 对深海环境产生深远影响. 它不仅决定了深海水体与大气之间交换气体的效率, 也在很大程度上控制着深海对碳的长期储存能力.

长期以来, 科学界普遍认为, 在冰期, 深海中占主导地位的南源水团来源单一, 其主体正是发源于南极的南极底层水( 图1 ) [4] . 这一观点构成了传统冰期深海环流认识的基础. 然而, 近年来越来越多的古海洋证据表明, 这种将冰期南源水团视为均一水体的认识可能过于简化. 一方面, 不同区域记录的深海通风变化在强度和时间演化上并不一致, 暗示着冰期南源水团内部存在明显差异. 另一方面, 深海碳酸根离子浓度以及海水铅、钕同位素等多种地球化学记录也显示, 冰期南源水团的主体并非完全由南极底层水构成, 其中很可能混入了大量来自太平洋的深层水体 [ 5 , 6 ] . 这些证据共同指向一个重要事实: 冰期深海的南源水团结构比传统认识要复杂得多.

在研究南大洋深海水团空间结构如何随时间变化时, 科学家此前一直缺乏一种的可靠方法. 黄璜等人 [7] 的研究利用了一个关键线索: 海水中钕同位素的空间分布与不同深海水团的分布相关. 通过重建深海沉积物记录中钕同位素在空间上的变化, 并结合地球系统模型模拟, 研究人员得以追踪过去约3万年以来南大洋深海水团的时空演化过程.

研究结果显示, 在末次盛冰期, 南极底层水的体积和影响范围明显收缩, 其分布主要局限在水深约 4.5 km 以下的最深海域, 而南大洋中深层的大部分空间则被来自太平洋的绕极深层水占据. 这种深海水体的垂向分层结构阻碍了深海与大气之间的气体交换、有利于将大量的碳长期封存在深海之中( 图 1 ). 进入末次冰消期后, 随着南极地区逐步变暖, 南极底层水逐渐向更浅的水深扩展, 原本稳定的深海分层随之减弱, 深海水体之间的混合显著增强, 有利于大气与深海之间的碳交换. 钕同位素记录显示, 这一底层水的扩张过程与末次冰消期两次主要的大气CO2快速升高阶段高度一致, 显示出南大洋深海结构调整与大气CO2变化之间的紧密联系.

黄璜等人的研究表明, 用简单的“南北来源”来划分冰期深海环流, 可能低估了深海系统本身的复杂性. 来自太平洋的深层水体在冰期南大洋深海中发挥了关键作用, 它们与南极形成的底层水共同塑造了深海水体的整体结构. 换句话说, 冰期的深海并不是由单一南极来源水体所“填满”, 而是由多种深层水团共同存在、相互混合, 其分布方式决定了深海是否能够有效地将碳长期封存在海洋深处.

现代观测已表明, 在持续变暖背景下, 南极底层水的密度、体积及其形成方式正在发生变化 [8] . 回顾末次冰消期可以发现, 南极变暖曾显著改变南大洋深海水团结构, 并进而影响深海对碳的储存能力. 这一历史过程表明, 南极及南大洋的变化能够通过调节深海环流结构, 影响深海与大气之间的碳交换, 从而对大气CO2水平和全球气候系统产生重要影响. 相关研究结果发表在 Nature Geoscience [7] .

参考文献

[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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