《科学通报》
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冰期气候突变的高低纬同步性
2021-03-04 16:12:00一项最新发表在Science上的研究表明[1]，北极格陵兰岛冰芯记录的末次冰期中发生的气候突变事件与中低纬度的气候变化是同时发生的。
由于积雪年复一年的堆积，地球两极的格陵兰岛和南极大陆形成了厚厚的冰盖。冰盖中不同冰层间的微小气泡，保留了当时大气的水分子和其他粒子，为我们了解地质历史时期的地球古气候和古环境提供了独一无二的记录载体。例如，气泡中的化学成分可以记录过去的温室气体(比如二氧化碳)的水平，而火山灰或沙尘则暗示着强大的火山喷发或显著的全球干旱。它们像古生物化石，勾勒出过去特定时段的古气候特征。因此，从冰川或者冰盖中钻取的长冰芯记录，为我们了解地球历史上发生过的复杂气候变化提供了一把钥匙。其中，冰芯中氧同位素比值(δ18O，指质量数为18的氧原子所占比率与标准平均海洋水的偏差再乘以1000)的变化，与当地气温有着密不可分的联系[2]，为我们重建过去大气温度的变化提供了可能。
格陵兰岛的冰芯钻孔记录了地球历史中的最后一次冰期旋回(即末次冰期，时间范围为过去约115~11。7 ka)。最早是由Dansgaard和Oeschger于1982年发现了冰芯δ18O记录中一系列反复、剧烈的快速冷暖交替的信号，在1993年再次确认后，这一现象被命名为Dansgaard-Oeschger (DO)事件[3]。在DO事件期间，格陵兰岛的年均气温可在短短数十年内(人类寿命范围内)迅速升高8~16°C，当地气候进入一个相对暖的时期，即间冰阶期; 之后温度逐渐下降，最后迅速进入一个相对冷的时期，即冰阶期。这一过程反映了气候系统的非线性变化特征，而Broecker和Denton[4]提出的大洋传送带动力机制过程来解释这一特征是目前较为主流的观点。
大洋传送带是一个理论上的贯穿全球各大洋的物质能量输运带，其在大西洋的部分又名大西洋经向翻转流(Atlantic meridional overturning circulation，AMOC)，可将赤道附近的低纬度大西洋甚至南半球的热量向北输送至大西洋北部及北欧海，这些暖水在此失热后变重下沉，形成北大西洋底层水，再经大西洋底部流回南大洋。因此，AMOC的减弱或停滞将导致北半球高纬度地区的变冷和南半球的变暖，由此引起南北半球经向(沿经线方向)温度梯度的变化，使得热带辐合带(intertropical convergence zone，ITCZ)(雨带)位置南移，并导致北半球夏季降水减少、南半球降水增多。如果实际情况与理论推测一样，那么格陵兰的温度变化与ITCZ相关的降水应该有几乎同步的响应。但这一推测目前仍缺少可靠的证据，主要难点在于如何确定格陵兰DO事件与中低纬度地区的气候变化是否同步。
为了验证二者的同步性，需要分别从高纬和低纬地区获得足够多且精确定年的古气候记录，分析它们在DO事件发生时的先后顺序。虽然现在有大量公开发表的冰芯、海洋沉积物等古气候记录，但它们因为定年误差偏大，并不适用于该方面的研究。
在岩溶(或喀斯特)地区广泛发育的洞穴沉积物是研究以上科学问题的良好载体。洞穴内部的次生碳酸盐，包括钟乳石和石笋等，是由洞穴顶部裂隙中渗透而下的滴水(含有碳酸氢根离子和氢离子)在洞穴内部的滴水点缓慢沉积碳酸钙而形成。石笋沉积过程中会随着时间形成旋回层(层理)，其氧同位素(δ18O)信号可用来大致反映碳酸钙生成时的洞穴内部温度和大气降水同位素变化。更重要的是，这些沉积物(岩)可使用一种称为铀钍定年的放射性同位素测试技术，精确地测定不同的沉积旋回形成时的绝对年龄[5]，且年龄误差远远小于同时期的冰芯和海洋沉积物记录。这为解答高、低纬气候变化的时间同步性提供了可能。
2020年8月21日，Science在线发表了来自澳大利亚、法国、中国、丹麦、瑞士、英国的国际科研团队合作完成的最新研究成果[1]。该研究工作通过收集来自中低纬度地区的63个有较高时间分辨率和精确年龄框架的石笋δ18O古气候记录，结合南北极的冰芯数据，首次证实了高低纬气候系统在DO爆发时几乎是同步变化的，并进而发现石笋古气候记录的气候突变与模拟试验中区域气候对AMOC重启的响应具有很好的一致性(图 1)。这确认了AMOC变化是引起高低纬气候同步响应的主因，再次证实了AMOC变化与过去气候突变事件之间密不可分的联系。
对于DO事件爆发后的全球气候响应，我们已经有了比较充分的认识，但相关的动力学过程仍有不确定之处。目前，解释AMOC变化的主流观点可分为两类: 第一类强调AMOC的双稳态的特征[6~9]，即在同一气候背景下AMOC存在两种截然不同的气候态，此时AMOC对外力变化非常敏感，随机性的气候噪音就可能导致气候突变的发生; 第二类强调AMOC本身具有自震荡的特征[10~12]，即在某一气候背景下，AMOC是不稳定的、震荡的，因此即使无外力的介入，气候突变依然可以发生。这两类观点在理论上给出了大西洋径向翻转流突变的动力框架，但遗憾的是，触发其变化的因素依然不清晰，这将是该领域未来研究的重点方向之一。
文/张旭、刘小康、张炜晨
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