過去一百萬年間，地球出現了間冰期和大冰期的周期性循環。這是一種與巨大的、橫跨大陸的冰蓋增長和收縮有關的氣候大波動。這些周期是由地球軌道和自轉的細微振蕩觸發的，但軌道振蕩太細微，無法解釋氣候的巨大變化。
冰河時期的成因是地球科學中尚未解決的重大問題之一，解釋這種佔主導地位的氣候現象將提高預測未來氣候變化的能力。
20世紀70年代，科學家發現在冰河時期，大氣溫室氣體二氧化碳的濃度比當時低約30%。
據此有人認為大氣二氧化碳濃度的下降是冰川周期的一個關鍵因素，但二氧化碳變化的原因仍然未知。一些數據表明，在冰河時期，二氧化碳被封存在深海中，但其原因仍有爭議。
現在，由普林斯頓大學和馬克斯·普朗克化學研究所(MPIC)的科學家領導的一項國際合作發現了證據，表明在冰河時期，南極海洋表層水的變化導致了更多的二氧化碳儲存在深海中。
這項研究已發表在最新一期的《科學》雜誌上。
利用南極海洋的沉積物巖心，研究人員生成了硅藻化石中捕獲的有機物化學成分的詳細記錄。硅藻是一種漂浮的藻類，生長在海洋表面，死亡後沉入海底。
海藻的生長和下沉將二氧化碳帶到海底，這一過程通常被稱為「生物泵」。生物泵主要發生在熱帶、亞熱帶和溫帶海洋。
這一現象在靠近兩極的地方不常見，相反，由於環繞南極大陸的強勁東風將富含二氧化碳的深水帶到地表，二氧化碳會回到到大氣中。
近年來，科學家意識到，風驅動的上升流的減少有可能使更多的二氧化碳留在海洋中，因此冰河時期大氣中的二氧化碳減少。然而，直到現在，科學家們還缺乏一種方法來明確地測試這種變化。
為此，普林斯頓大學和MPIC聯合團隊開發了一種新方法，即使用微小的硅藻。硅藻是漂浮的藻類，大量生長在南極表層水域，它們的二氧化矽殼積累在深海沉積物中。
硅藻殼中的氮同位素隨著表層水中的氮的含量而變化。這是因為深水中含有藻類賴以生存的高濃度氮。南極上升流越多，表層水中的氮濃度就越高。
研究團隊測量了存儲在這些藻類化石中的氮同位素比率，揭示了過去15萬年來南極表層水氮濃度的演變，涵蓋了兩個冰河期和兩個溫暖的間冰期。
一種測定南極沉積物年代的新方法使得這些數據更加有力。根據南極冰芯氣溫記錄重建了表層水溫變化，並與南極冰芯氣溫記錄進行了對比。
這使研究人員能夠將硅藻氮記錄中的許多特徵與全球同時發生的氣候和海洋變化聯繫起來，也能夠確定當氣候開始變冷時上升流減少的時間，還可將南極的上升流變化與冰河時期的快速氣候振蕩聯繫起來。
據此，研究人員認識到風是上升流變化的關鍵驅動力。
研究表明，上升流驅動的大氣二氧化碳變化是冰期循環的核心因素。
研究人員還觀察到，在過去的溫暖時期，南極海洋中風力驅動的上升流顯著增強，這表明在全球變暖的情況下，上升流也會增強。更強的南極上升流可能會加速海洋從持續的全球變暖中吸收熱量，同時也會影響南極海洋的生物條件和南極的冰。
新的發現讓研究人員解開了南極上升流和大氣二氧化碳的變化與冰川周期的軌道觸發因素之間的聯繫，使科學家們更接近冰川期起源的完整理論。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
原文來源：
https://phys.org/news/2020-12-ice-ages-tiny-ocean-fossils.html
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1348