2021年9月8日，国际知名开源学术期刊Frontiers in Earth Science发表了汕头大学海洋科学研究院赖忠平教授及他的研究生关于地球冰期动力学的研究成果：Earth Ice Age Dynamics: A Bimodal Forcing Hypothesis（地球冰期动力学：双驱动假说）。该研究通过综述目前最广为接受的北半球高纬驱动假说的要点及其不足，综合分析了分布全球的100条古温度记录（大洋深钻和两极冰岩心等）（图1），发现末次冰消期时南半球初始升温时间集中在2–1.8万年以前，早于北半球（集中在1.8万年之后），在一些南半球地表记录中，初始升温时间甚至早于2万年；进而提出了全新的双驱动冰期动力学假说。该假说尝试回答“是什么引发了冰期”这一科学问题，这是2005年国际学术期刊Science创刊125周年时提出的125个最前沿的科学问题中的第53个。
这个新的假说认为冰期（变冷）始于北半球高纬地区，而冰消期（变暖）则源自南半球（南大洋）。该研究有望为解决“是什么引发了冰期”这一关键科学问题提供新的思路。该假说的核心在于认为冰期启动与终止时的响应机制是不同的（图2）。冰期启动时，当北半球夏季太阳辐射开始下降，北半球高纬地区首先响应。大陆冰架开始扩张，高纬地表温度也开始下降。随后，通过一系列大气与海洋过程，尤其是温盐环流，变冷信号由北半球高纬传递至其他各地，使全球进入冰期。当冰期临近最盛时，大西洋经向翻转流（AMOC）开始由暖到冷的模式转换，热量进一步在南半球聚集。当积累的热量加上南半球本地的太阳辐射超过一定阈值时，南极洲的地表温度开始上升，环绕其四周的海冰开始后退，进而存储在深海中的二氧化碳被释放回大气。当聚集在南半球的热量足够多时，AMOC重新转换为暖模式，使全球进入间冰期。
总体来说，双驱动假说在两个方面明显区别于先前的单一动力学模型。首先，该假说认为冰期和冰消期是由不同的气候组分驱动的，而之前的单一驱动模型都倾向于认为某一特定气候组分在冰期开始与结束时都起主导作用。由于冰期旋回的“锯齿状”特征意味着变冷与变暖过程是不同的，因此双驱动假说的这一特点可能更有助于破解“锯齿状”特征之谜。其次，双驱动假说突出了南半球海洋在冰消期时积累与传递热量的重要性。冰消期时大陆冰架的快速融化需要巨量的热量，而南半球广阔的海洋及海水较高的比热容天然有利于存储融冰时所需的热量。海洋钻探的记录为这一观点提供了证据（图3）。例如，在距今3万年前，由于AMOC的减弱（图3D，E）使得海洋中的热量进一步积累。这使得南大西洋钻孔GL-1090中记录的海表温度从3万年前就开始缓慢上升（图3F）。
该研究持续多年，赖忠平教授还在牛津大学攻读博士学位时就已开始思考这个问题，理论模型历经多年完善，2018年才成稿。由于观点太新，担心出错，文稿一直搁置，又经不断思考和反复修改，确认基本观点站得住脚了才发表。该文的参考文献中引自Nature和Science中的经典文献就有32 篇，但写作力求简洁明了、通俗易懂。这是继今年七月份在著名学术期刊Geophysical Research Letters上发表关于千年尺度大气二氧化碳浓度变化主控因素研究的重要论文之后，赖教授领导的海洋地质学团队在地球气候动力学领域取得的又一重要进展。
文章信息：Lai Z, Xu Y and Zheng P (2021), Earth Ice Age Dynamics: A Bimodal Forcing Hypothesis. Frontiers in Earth Science 9: 736895. doi: 10.3389/feart.2021.736895
文章链接：https://doi.org/10.3389/feart.2021.736895
图文：徐砚田
