10月26日，《自然—地球科學(xué)》在線發(fā)表嶗山實(shí)驗(yàn)室于際民研究員團(tuán)隊(duì)的最新科研成果，該研究結(jié)合深海酸度數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)大洋深海通風(fēng)狀況。這些模式可以解譯千年時(shí)間尺度上深海碳儲(chǔ)存和大氣二氧化碳的不同類型的演化歷史。

冰芯測量結(jié)果表明，大氣二氧化碳在北大西洋千年尺度寒冷時(shí)期（又稱冰階期）的變化并不是單一的，而是呈現(xiàn)增加、保持不變，甚至降低等多個(gè)變化趨勢。大量研究認(rèn)為，大氣二氧化碳變化主要受控于南大洋通風(fēng)對(duì)深海存儲(chǔ)碳量的調(diào)節(jié)。一個(gè)廣為接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，南半球西風(fēng)增強(qiáng)或向極地的擺動(dòng)可以提升南大洋對(duì)深海的通風(fēng)狀況，促進(jìn)深海碳向大氣的釋放，從而導(dǎo)致冰階期大氣二氧化碳的增加。然而，南大洋通風(fēng)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(xiàn)象。通過影響大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（英文簡稱：AMOC）的強(qiáng)度，北大西洋可對(duì)深海的通風(fēng)狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。但是，兩極地區(qū)交互關(guān)系及其對(duì)冰階期的深海碳儲(chǔ)存和大氣二氧化碳的調(diào)控作用仍然是一個(gè)尚未破解的國際科學(xué)難題。

針對(duì)這一國際難題，于際民領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)利用底棲有孔蟲殼體的硼/鈣指標(biāo)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(chǔ)存的演化歷史。通過深海酸度數(shù)據(jù)和冰芯二氧化碳記錄相結(jié)合，該研究發(fā)現(xiàn)兩極之間的交互作用通過多種模式來調(diào)節(jié)深海大洋的通風(fēng)狀況。這些模式可以從機(jī)制上圓滿解釋千年時(shí)間尺度上深海碳儲(chǔ)存和大氣二氧化碳變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。

對(duì)于千年時(shí)間尺度研究，一個(gè)艱巨的任務(wù)是獲取具有可靠年代學(xué)的詳細(xì)海洋重建數(shù)據(jù)，以便對(duì)海洋和冰芯記錄進(jìn)行可靠比較分析。為此，該國際團(tuán)隊(duì)選定了位于北大西洋的伊比利亞海域的一個(gè)沉積物巖芯進(jìn)行系統(tǒng)研究。

“伊比利亞海域的特殊地理位置讓我們能夠?qū)λ褂玫膸r芯樣品進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的定年。”于際民告訴《中國科學(xué)報(bào)》。研究團(tuán)隊(duì)通過多次訪問歐洲環(huán)境地球科學(xué)研究與教學(xué)中心（CEREGE）的巖芯庫，獲得了足夠數(shù)量的有孔蟲殼體，為該研究奠定基礎(chǔ)。

該研究所獲得的高分辨率記錄顯示，在冰階時(shí)期深海碳儲(chǔ)存與大氣二氧化碳變化呈現(xiàn)多模態(tài)演化方式。其中一個(gè)模態(tài)發(fā)生在大氣二氧化碳大幅上升的冰階期，如冰期終結(jié)期，其間的深海碳儲(chǔ)存顯著降低。由于冰階期AMOC很可能減弱，深海碳儲(chǔ)庫的降低可歸結(jié)為南大洋通風(fēng)增加。因此，本研究的新數(shù)據(jù)有力地支持了南大洋過程對(duì)千年時(shí)間尺度大氣二氧化碳的調(diào)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(shù)據(jù)所反映的南大洋通風(fēng)作用異常強(qiáng)大，導(dǎo)致相當(dāng)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(gè)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(fēng)增加很可能促進(jìn)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(tài)發(fā)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(dǎo)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(jìn)了有機(jī)碳在海洋內(nèi)部的積累所導(dǎo)致。這一現(xiàn)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(gè)被廣泛接受的用來解釋長周期，如4萬年及更長時(shí)間尺度的大氣二氧化碳變化機(jī)制，但在解釋千年尺度二氧化碳的波動(dòng)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(diào)控機(jī)制時(shí)，應(yīng)考慮兩極海域?qū)ι詈ＭL(fēng)狀態(tài)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(diǎn)可圓滿解釋過去15萬年以來大氣二氧化碳在冷期時(shí)所呈現(xiàn)的各種類型變化。

于際民表示，自工業(yè)革命以來兩個(gè)半球的高緯度海洋已經(jīng)吸收了大量人為排放的二氧化碳。為了更好的預(yù)測未來大氣二氧化碳變化及其相關(guān)的全球變暖和海洋酸化效應(yīng)，模型需要準(zhǔn)確模擬各種碳循環(huán)調(diào)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(fā)表的酸度記錄涵蓋了一個(gè)完整冰期旋回里的各種類型的冰階，可以被模型用來評(píng)估在不同氣候條件下兩極地區(qū)對(duì)深海通風(fēng)狀態(tài)影響的相對(duì)重要性，對(duì)未來碳循環(huán)及其氣候耦合具有重要科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。