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南大洋主控千年尺度大气二氧化碳浓度的变化吗?




2021715日,国际著名地学杂志Geophysical Research Letters发表了汕头大学海洋科学研究院赖忠平团队及合作者关于冰期千年尺度大气二氧化碳浓度变化机制的研究成果“Different Trends in Antarctic Temperature and Atmospheric CO2 During the Last Glacial”。该研究使用国际上已公开发表的南极冰芯氧同位素δ18O温度数据以及大气二氧化碳浓度数据,通过统计分析和假设检验,探讨了大气二氧化碳千年尺度浓度变化与高纬气候事件之间的联系,认为南大洋可能不是千年尺度大气二氧化碳浓度变化的主控因素。

二氧化碳是大气中重要的温室气体,在当今全球变暖的气候背景下受到了越来越多研究的关注。在距今7.11.1万年前,大气二氧化碳出现了多次千年尺度的浓度变化,变化幅度达516 ppmppm: 百万分之一)(图1),而这些变化背后的机制尚不明确。鉴于大气二氧化碳记录和南极温度记录之间的高度相似性(图1),南大洋的气候过程(例如风力驱动的深层海水上涌)被认为控制了千年尺度大气二氧化碳浓度的变化。然而,这一假说仍需要更多研究的支持,且近年来受到了来自低纬碳循环研究的挑战。

研究团队使用蒙特卡洛方法提取了末次冰期千年尺度气候事件最为频繁的时期——氧同位素3阶段(Marine Isotope Stage 3)时千年尺度南极升温和大气二氧化碳浓度上升的速率;通过数学方法,检验并对比了大气二氧化碳上升速率和南极升温速率对气候背景变化的敏感性。

结果表明,南极升温速率呈现显著的随气候背景变冷而降低的趋势(图2 b, c,大气二氧化碳浓度的上升速率则无显著的随气候背景变化而降低的趋势(图3 b, c。排除了气体的扩散效应,冰的扩散效应,冰和气体之间年代的差异、以及氧同位素温度转换误差等因素对结果的影响后,认为二氧化碳上升速率和南极升温速率之间的敏感性差异真实存在。这一结果与目前较为主流的南大洋控制千年尺度大气二氧化碳浓度变化的假说不符,或表明对冰期气候背景变化更不敏感的过程(例如低纬气候过程)对千年尺度大气二氧化碳浓度变化存在显著贡献。

此外,结果还表明,无论是千年尺度大气二氧化碳上升速率还是南极升温速率都对海因里希事件(Heinrich event冰期时北美大陆冰川崩塌进入北大西洋导致的全球变冷事件)不敏感,说明海因里希事件对气候系统的扰动或较为有限。

 

对海洋科学研究的意义:长期以来,学术界认为以南大洋为代表的高纬气候过程主控了冰期千年尺度大气二氧化碳浓度的变化。然而,该研究发现大气二氧化碳浓度千年尺度变化与代表南大洋过程的指标——南极温度变化对冰期气候背景的变化有着截然不同的敏感性。这对南大洋主控千年尺度大气二氧化碳浓度变化的观点提出了挑战。由于低纬地区在冰期时气候变化的幅度显著小于高纬地区,大气二氧化碳浓度的变化对冰期气候背景演变的不敏感性或许表明,低纬海洋或陆地过程在控制大气二氧化碳千年尺度浓度变化方面起着重要作用。因此,对低纬海洋或陆地过程的研究或许将成为解决大气二氧化碳千年尺度浓度变化机制之谜的关键。这也将是我校海洋地质学团队后续的研究重点之一。

该论文的第一作者郑培松是汕头大学与中国地质大学(武汉)联合培养的硕士研究生,通讯作者是我校海洋科学研究院赖忠平教授,合作者有澳大利亚塔斯马尼亚大学Joel Pedro教授,丹麦哥本哈根大学Markus Jochum教授和Sune Rasmussen教授。研究得到了国家自然科学基金委项目(编号:41290252)和汕头大学人才科研启动基金(编号:NTF19003)的资助。

汕头大学海洋地质团队组建于2018年。团队研究定位是:在地球冰期气候旋回背景下,以从源到汇的系统思维,研究地球表层陆地、河流、三角洲与海洋的耦合演化,及其与人类活动的关系。团队现有教授两名、副教授一名、讲师两名、博士后三名以及博硕士研究生十余名。研究领域包括海洋地质与第四纪地质学、年代学、地貌学、考古学、气候变化与全球碳循环、地下水砷污染等基础研究以及与国民经济相关的重大科学问题。

文章信息:Zheng, P., Pedro, J. B., Jochum, M., Rasmussen, S. O., & Lai, Z. (2021). Different trends in Antarctic temperature and atmospheric CO2 during the last glacial. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093868.

链接:https://doi.org/10.1029/2021GL093868

图文作者:郑培松