Nature：南極冰芯揭示過(guò)去300萬(wàn)年來(lái)的溫室氣體水平

近百年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)引起的碳排放導(dǎo)致全球平均溫度不斷升高，全球變暖已成為全人類(lèi)面臨的重要挑戰(zhàn)。然而，從地質(zhì)歷史尺度上來(lái)看，我們正處于新生代以來(lái)地表溫度最低的時(shí)期。因此，溫室氣體對(duì)不同尺度氣候演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，一直是古氣候研究的前沿科學(xué)問(wèn)題，也是理解當(dāng)前氣候變化的關(guān)鍵。在此背景下，地質(zhì)歷史上兩個(gè)關(guān)鍵的氣候轉(zhuǎn)型期，成為研究這一問(wèn)題的理想窗口：上新世（Pliocene）-更新世（Pleistocene）轉(zhuǎn)型期（PPT，約 2.6 Ma）：北半球大陸冰蓋擴(kuò)張的時(shí)期；中更新世轉(zhuǎn)型期（MPT；1.2–0.8 Ma）：氣候從振幅較小的 4 萬(wàn)年冰期循環(huán)向振幅較大的 10 萬(wàn)年循環(huán)轉(zhuǎn)變。這兩個(gè)時(shí)期，溫室氣體濃度究竟是多少？它們是如何影響地球從溫暖的上新世向冰河時(shí)代過(guò)渡的？要回答這些問(wèn)題，需要借助于具有高分辨率、定年準(zhǔn)確、且準(zhǔn)確保存溫室氣體含量的記錄。

冰芯作為古氣候記錄的三大載體（深海沉積、黃土、冰芯）之一，在全球變化研究中占有重要地位。南極冰蓋因氣溫低、受污染程度小、冰層厚度厚等特點(diǎn)，儲(chǔ)存著保真度高、時(shí)間序列長(zhǎng)的氣候環(huán)境信息。歐洲科學(xué)家曾在南極 Dome C 鉆取了覆蓋 80萬(wàn)年以來(lái)的冰芯，并建立了目前最長(zhǎng)的連續(xù)的大氣成分記錄，展現(xiàn)了晚更新世以來(lái)完整的冰期-間冰期循環(huán)。此后，科學(xué)家們致力于在南極建立更長(zhǎng)的、能覆蓋過(guò)去幾百萬(wàn)年的冰芯記錄。理論上，最老的冰應(yīng)該在冰蓋的最深處，但現(xiàn)實(shí)中，由于地球內(nèi)部地?zé)岬募訜幔蠘O冰蓋最底部的老冰往往會(huì)因?yàn)榈撞咳诨А６谒{(lán)冰區(qū)（積雪經(jīng)長(zhǎng)期重壓，空氣排出而變得極度致密的冰層區(qū)。致密結(jié)構(gòu)能吸收光譜中的紅橙長(zhǎng)波光，僅讓藍(lán)色短波光穿透并散射，使其呈現(xiàn)深藍(lán)色），冰流、冰下地形和強(qiáng)勁的下降風(fēng)，會(huì)將冰川深處的冰推向冰蓋表面，反而能保存更古老的冰。

最近，美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)Julia Marks-Peterson教授及其同事在Nature上發(fā)表了他們的最新研究成果。他們從位于橫貫?zāi)蠘O山脈西側(cè)維多利亞地的阿蘭丘陵（Allan Hills）藍(lán)冰區(qū)鉆取淺層冰芯（ALHIC1901冰芯，100-200 米），利用40Aratm同位素定年法，獲得了3.1-0.5 Ma時(shí)期不連續(xù)的溫室氣體“快照”記錄，重建了過(guò)去300萬(wàn)年來(lái)大氣溫室氣體濃度的變化歷史（圖1-圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CH? 濃度在整個(gè)PPT期間保持穩(wěn)定（約500 ppb），而CO? 濃度從2.9 Ma到1.2 Ma期間僅下降約20 ppm，此后在MPT期間保持穩(wěn)定（±10 ppm）。來(lái)自同一支冰芯的溫度記錄顯示，自上新世以來(lái)，東南極洲降溫約 3.5℃，同期全球平均海洋溫度下降約 2.5℃。這說(shuō)明，PPT和MPT期間的長(zhǎng)期降溫過(guò)程中，CO?和 CH?對(duì)直接輻射強(qiáng)迫變化的貢獻(xiàn)很小，而海洋環(huán)流、冰蓋覆蓋或植被產(chǎn)生的反照率、古地理學(xué)等因素可能發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

圖1 ALHIC1901 冰芯的溫室氣體數(shù)據(jù)。a. 阿蘭丘陵（Allan Hills）及冰芯鉆探點(diǎn)的位置；b. ALHIC1901 樣本的深度與年齡對(duì)照?qǐng)D。c. ALHIC1901 部分樣品（n = 31）測(cè)量所得 CO2濃度與 δ13C值；d. 研究中年齡在 40 萬(wàn)至 80 萬(wàn)年之間樣品的CO2和CH4濃度與南極Dome C冰芯（EDC）的CO2和CH4濃度值的對(duì)比

圖2 ALHIC1901 冰芯的三百萬(wàn)年古氣候記錄。a-c.冰芯中的CO2（a）和CH4（b）濃度、EDC冰芯包裹氣體中的δ18Oatm（大氣氧同位素）記錄（c），其中，紅色和藍(lán)色數(shù)值均來(lái)自該研究中的ALHIC1901，灰色的連續(xù)數(shù)值來(lái)自Dome C冰芯；d. 底棲有孔蟲(chóng)δ18O記錄以及來(lái)自阿蘭丘陵（Allan Hills）冰芯的δ18Oice（冰同位素）數(shù)值

全球長(zhǎng)期的自然CO?排放源約為 0.12–0.22?Gt?C?yr?1，而該研究顯示更新世期間大氣 CO?僅下降了約 20 ppm（< 840 Gt?C?），這表明 CO? 的源與匯在此期間的平衡精度達(dá)到了1‰ 以?xún)?nèi)。也就是說(shuō)，在數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間尺度上，全球碳循環(huán)在地球內(nèi)部排放的 CO?與作為有機(jī)物和碳酸鹽礦物長(zhǎng)期埋存的碳之間達(dá)成了平衡。造成這種平衡的原因可能在于：“CO? 調(diào)溫器”對(duì) CO?排放源減少以及大陸風(fēng)化增加的響應(yīng)；“CO? 調(diào)溫器”的作用微弱，而且CO? 的源與匯在過(guò)去300萬(wàn)年是穩(wěn)定的。

該研究通過(guò)分析南極Allan Hills藍(lán)冰區(qū)淺層冰芯，在方法學(xué)上實(shí)現(xiàn)了重要突破，首次將大氣溫室氣體的直接測(cè)量擴(kuò)展至晚上新世，發(fā)現(xiàn)同期全球溫度下降超過(guò)2.5°C，但溫室氣體濃度變化較小，從而挑戰(zhàn)了CO?驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)期氣候變化的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。同時(shí)，研究揭示全球碳循環(huán)在過(guò)去300萬(wàn)年內(nèi)保持了極高的源-匯平衡（<1%）。這些為理解地球氣候系統(tǒng)演化歷史及調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)，也為評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)干預(yù)下的未來(lái)氣候變化提出了預(yù)警。然而，該研究的定量結(jié)果仍需謹(jǐn)慎解讀。Allan Hills冰芯存在地層不連續(xù)性和氣候保存偏差等問(wèn)題，最深處樣品可能代表多個(gè)冰期旋回的加權(quán)平均值而非特定時(shí)刻的大氣組成，這種平滑效應(yīng)會(huì)抹平極端值。更重要的是，該冰芯所記錄的晚上新世平均CO?水平（約250 ppm）與經(jīng)過(guò)多個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室和鉆孔站位交叉驗(yàn)證的硼同位素重建（350–400 ppm）結(jié)果存在顯著的系統(tǒng)性偏差，論文未充分解釋這一分歧，相關(guān)結(jié)論仍有待未來(lái)更多數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與約束。

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（撰稿：安文玲，譚寧/環(huán)境演變與碳循環(huán)學(xué)科中心）