过去一百万年间，地球出现了间冰期和大冰期的周期性循环。这是一种与巨大的、横跨大陆的冰盖增长和收缩有关的气候大波动。这些周期是由地球轨道和自转的细微振荡触发的，但轨道振荡太细微，无法解释气候的巨大变化。
冰河时期的成因是地球科学中尚未解决的重大问题之一，解释这种占主导地位的气候现象将提高预测未来气候变化的能力。
20世纪70年代，科学家发现在冰河时期，大气温室气体二氧化碳的浓度比当时低约30%。
据此有人认为大气二氧化碳浓度的下降是冰川周期的一个关键因素，但二氧化碳变化的原因仍然未知。一些数据表明，在冰河时期，二氧化碳被封存在深海中，但其原因仍有争议。
现在，由普林斯顿大学和马克斯·普朗克化学研究所(MPIC)的科学家领导的一项国际合作发现了证据，表明在冰河时期，南极海洋表层水的变化导致了更多的二氧化碳储存在深海中。
这项研究已发表在最新一期的《科学》杂志上。
利用南极海洋的沉积物岩心，研究人员生成了硅藻化石中捕获的有机物化学成分的详细记录。硅藻是一种漂浮的藻类，生长在海洋表面，死亡后沉入海底。
海藻的生长和下沉将二氧化碳带到海底，这一过程通常被称为“生物泵”。生物泵主要发生在热带、亚热带和温带海洋。
这一现象在靠近两极的地方不常见，相反，由于环绕南极大陆的强劲东风将富含二氧化碳的深水带到地表，二氧化碳会回到到大气中。
近年来，科学家意识到，风驱动的上升流的减少有可能使更多的二氧化碳留在海洋中，因此冰河时期大气中的二氧化碳减少。然而，直到现在，科学家们还缺乏一种方法来明确地测试这种变化。
为此，普林斯顿大学和MPIC联合团队开发了一种新方法，即使用微小的硅藻。硅藻是漂浮的藻类，大量生长在南极表层水域，它们的二氧化硅壳积累在深海沉积物中。
硅藻壳中的氮同位素随着表层水中的氮的含量而变化。这是因为深水中含有藻类赖以生存的高浓度氮。南极上升流越多，表层水中的氮浓度就越高。
研究团队测量了存储在这些藻类化石中的氮同位素比率，揭示了过去15万年来南极表层水氮浓度的演变，涵盖了两个冰河期和两个温暖的间冰期。
一种测定南极沉积物年代的新方法使得这些数据更加有力。根据南极冰芯气温记录重建了表层水温变化，并与南极冰芯气温记录进行了对比。
这使研究人员能够将硅藻氮记录中的许多特征与全球同时发生的气候和海洋变化联系起来，也能够确定当气候开始变冷时上升流减少的时间，还可将南极的上升流变化与冰河时期的快速气候振荡联系起来。
据此，研究人员认识到风是上升流变化的关键驱动力。
研究表明，上升流驱动的大气二氧化碳变化是冰期循环的核心因素。
研究人员还观察到，在过去的温暖时期，南极海洋中风力驱动的上升流显著增强，这表明在全球变暖的情况下，上升流也会增强。更强的南极上升流可能会加速海洋从持续的全球变暖中吸收热量，同时也会影响南极海洋的生物条件和南极的冰。
新的发现让研究人员解开了南极上升流和大气二氧化碳的变化与冰川周期的轨道触发因素之间的联系，使科学家们更接近冰川期起源的完整理论。
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