Science: 南大洋硅藻记录揭示末次间冰期以来气候变化新模型

众所周知，地球在第四纪以来经历了冰期-间冰期的多期次旋回气候变化​，已有研究表明二氧化碳为主的温室气体是气候周期性变化的重要因素，但是二氧化碳在冰期阶段为什么会降低的原因尚不明确。Science上一项最新研究表明，上升流驱动的大气二氧化碳变化是冰期气候波动的核心因素。美国普林斯顿大学Xuyuan E. Ai博士及国际团队通过在南大洋印度地区获取的高精度硅藻数据（图1），表明在冰期阶段南大洋表层水的变化导致了深海沉积物中吸收了更多的二氧化碳，并认为地球的黄赤交角是其重要驱动因素。

图1 研究区域图及重要指标数据

深海沉积物中的硅藻是一种浮游生物，随着硅藻的死亡其体内裹挟的二氧化碳也在生物泵作用下被传送到深海（图2）。相对而言，生物泵作用在热带、亚热带和温带的海洋中较为活跃，而在极地地区主要是通过深部海水的上升流作用完成二氧化碳到大气的循环，因此本项研究在极地地区获取的宝贵材料为解释该过程提供了可能。研究者分析了沉积物中硅藻壳体的氮同位素来反映过去15万年来南极洲表层海水的氮含量变化，而表层海水中氮含量变化主要受控于深部海水的循环供给，因此通过这一指标可以较好地重建了南极洲上升流变化历史，并将其与气候变化和海洋活动联系起来。值得一提的是，该文章通过最新的生物标志物（TEX86)重建海表温度与冰芯等其他重建结果进行对比（图1），结合全新世地层中获取的基本碳十四年代学建立了千年尺度下的高精度年代格架，为后续研究奠定了基础。最终，研究者认为在南极洲地区上升流强弱变化对大气二氧化碳的变化至关重要，进而对气候变化产生重要影响。

图2 生物泵模式图（图片来自维基百科）

在获取详细的古气候资料基础上，研究者提出了极地二氧化碳驱动的新模式。尽管前人已经提出了该区域存在全球气候（global climate)和两极跷跷板（bipolar seesaw)的两种气候驱动模式，但该项研究提出了第三种模式——黄赤交角（obliquity)（图3）。研究者认为黄赤交角的变化会影响经向温度梯度引起的，该模式能够更好地解释在冰期之初和间冰期内大气二氧化碳滞后于气候变化的现象，同时也能够更好地解释过去气候变化中冰期存在2万年和1万年的周期。

图3 盛行西风带三种模式的证据对比图

上述研究成果发表在最新一期的Science上，详情请点击下方阅读原文，查阅文章。

参考资料：

1.Xuyuan E. Ai,et al.. Southern Ocean upwelling, Earth’s obliquity, and glacial-interglacial atmospheric CO2 change. Science, 2020; 370 (6522): 1348 DOI: 10.1126/science.abd2115