自工業革命以來，人類活動已使大氣CO2上升約100ppm（ppm代表百萬分之一），造成全球變暖、海洋酸化等環境問題。如何準確可靠地預測未來氣候變化已成為現在人類迫切需要解決的一個氣候和政治問題。
其中，大洋環流對地球熱量和碳分配起著舉足輕重的作用，而過去海洋環流及其碳收支是認識大氣CO2在氣候變化中所起作用的一把「關鍵鑰匙」。
經過多年探索研究，澳大利亞國立大學地球科學學院於際民教授與合作者繪製出國際上第一幅末次冰期大西洋深海酸鹼度截面圖，並提出了一種全新的冰期大洋環流模式，這對進一步認識大氣CO2在全球氣候變化中的作用是至關重要。相關研究成果於7月20日在線發表於《自然·地球科學》雜誌。
了解過去 洞悉未來
過去是了解現在的一把鑰匙。充分理解過去大氣CO2的調控機制，將對未來的氣候變化預測大有裨益，同時為人類適應或消減可能的負面影響提供依據。
論文作者之一、中國科學院地球環境研究所研究員金章東告訴《中國科學報》，大氣中CO2的主要來源之一是海洋的釋放，如果海洋中固定更多的CO2，大氣中的CO2將會下降。「如何應對未來可能繼續上升的大氣CO2及其對全球氣候環境的影響，一個主要的科學任務是全面理解地球本身碳循環及其調控機制，而理解過去海洋-陸地-大氣之間的碳收支，尤其是大洋環流是關鍵。」
南極冰芯數據揭示，大氣CO2在過去地質歷史時期有很大的變幅。例如，在大約2萬年前的末次冰盛期時，大氣CO2就降低了20ppm。然而，經過幾十年的研究，人們對大約2萬年前的末次冰盛期的大氣CO2降低的具體原因仍不清楚。這嚴重妨礙了我們對大氣CO2在氣候從冷期轉變到溫暖期所起作用的理解。其中，末次冰盛期是理解氣候從冷期到溫暖期轉變的關鍵氣候態。
近幾十年來，溫鹽環流已成為海洋學研究的一個熱點和重點。但於際民坦承，目前大多數研究主要利用單個指標來恢復過去的洋流模式。然而，由於指標解釋的不確定性，已提出的各種溫鹽環流模式經常相互矛盾，這對我們深入理解全球碳循環和氣候變化機製造成了嚴重的困擾和障礙。
「我們希望通過多種指標的方法，進一步重建末次冰盛期大洋溫鹽環流模式，這將為更好地理解大氣CO2變化提供可靠的信息。」論文通訊作者於際民告訴《中國科學報》。
全球合作 深海探「因」
多年來，於際民領銜的來自中國、澳大利亞、英國、西班牙等科學家組成的國際研究團隊通過進行著密切合作研究，通過對大範圍水體酸鹼度的重建，他們繪製出了國際上第一幅末次冰期大西洋深海酸鹼度截面圖。
該研究發現，在末次冰期時南大西洋3-4公裡水深存在一個富碳的水體。通過綜合考慮放射性同位素14C年齡、釹同位素、碳同位素等指標，研究人員確定，該水體最可能是從北太平洋輸送進來的。
這個結果來之不易。於際民回憶道，為了繪製整個大西洋的完整而可信的海洋酸鹼度截面圖，他們需要尋找、申請在不同緯度和水深的大洋鑽孔的沉積物樣品。這個過程花費了數年的時間。此外，從沉積物中挑取微體化石，並對樣品進行年代確定和指標分析，提出可信的觀點和模式更是難上加難。得益於國際團隊的深入交流合作與多年堅持，終得碩果。
以上述研究為基礎，研究人員還提出了一種目前尚未認識到的深海大西洋溫鹽環流模式。該模式表明，和現在海洋相比，冰期時相當大範圍的深海被富碳的水體所佔據。而進一步的時間序列數據表明，該水體的擴展與大氣CO2的最後一波20ppm下降同步。
就冰期溫鹽環流而言，傳統觀念認為，在最近2萬年最寒冷的末次冰盛期，大西洋的深海主要由兩個巨大水體構成：南大洋底層水和北大西洋中層水。但此次的研究數據表明，在末次冰盛期有一整團來自北太平洋的、富含碳的深層水入侵到了南大西洋。更重要的是，研究人員在南大西洋探測到了北太平洋深層水的信號。這說明儘管在冰期時北太平洋水體在海洋內部發生運移，但是在其運移過程中，其所含的碳可以保存相對完好，並沒有釋放到大氣中。
「打個比方來說，當你用力搖晃汽水瓶子時，大量的氣泡就會釋放出來；而把瓶子安靜放置時，氣泡的釋放速度會大大降低。冰期時北太平洋深層水入侵到了南大西洋並得以保存，這說明冰期時海水混合動力學特徵是比較『懶惰的』。而就碳循環來說，一個動力薄弱的海洋可以更好把碳封存在深海內部。」於際民解釋道。
該研究提出，北太平洋深層水的擴展可能是導致冰期大氣CO2大幅下降的關鍵過程，而這個過程能很好地解答冰期時全球大氣CO2下降的原因，更是前人沒有認識到的。
「大家有一個共識，南大西洋是一個主要的碳源，如果這裡釋放大量的碳，將會造成劇烈的全球變暖。科學家們一直在尋找大氣最後一波下降的20ppm CO2到哪裡去了。雖然目前並不能證明兩者之間有直接的聯繫，但我們這個研究提供了一個依據，或者說線索，這對我們進一步認識大氣CO2在全球氣候變化中的作用也是至關重要的。」金章東說。
深入理解 預測未來
於際民表示，認識海洋CO2以及碳循環機制並不容易，需要從不同空間認識它從哪裡來、什麼時間來的、又到哪裡去。「不同區域的碳的組成、年齡都是不一樣的。」
金章東也表示，未來，理解碳循環機制、預測氣候變化還有諸多科學難題待解決。
比如：冰芯數據揭示，大氣CO2和氣候變化高度耦合、在冰期-間冰期尺度具有周期性。但是，是什麼導致了這些周期性變化？這仍是一個尚需解決的重大科學問題。在更短時間尺度上，如千年和百年尺度上，大氣CO2也發生快速變化。其相關控制機制是什麼，人們也並不清楚。
「值得一提的是，現有的氣候模型尚不能重現我們所提出的這個大洋環流新模型，這表明我們對過去海洋及其碳循環的運轉機制尚不完全了解。」於際民說。
為了更全面的理解海洋-陸地-大氣碳循環過程，研究人員將進一步研究冰消期和冰進期大氣CO2的變化及定量化的工作，特別是地球歷史上經歷的一些諸如中更新世轉型期（MPT）等氣候過渡期的大氣CO2調控機制。
「通過後期的數據-模型結合研究，我們希望從機制方面對洋流循環和碳循環進一步加深理解，以期更好的預測未來氣候變化。」於際民說。（來源：中國科學報 韓揚眉）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-020-0610-5
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