南极的隐秘变化释放了暖化全球的碳

由青岛崂山实验室黄煌博士领衔、GEOMAR地球化学家Marcus Gutjahr博士参与的研究团队，旨在重建过去3.2万年间南极底层水（AABW）在南大洋的分布范围变化。黄煌博士（2019年于GEOMAR获博士学位，现于中国青岛从事科研工作）表示：“我们希望了解全球海洋中最冷、密度最大的水团——南极底层水，在末次冰消期的影响如何变化，以及它在全球碳循环中扮演的角色。”

为解决这一问题，科学家们检测了从南大洋大西洋和印度洋海域采集的9个沉积物岩芯。这些岩芯取自水深约2200至5000米、分布广泛的区域。通过分析沉积物中保存的痕量金属钕的同位素组成（可反映周围海水化学特征），他们得以在数万年的时间尺度上重建南极底层水的历史变化。

Marcus Gutjahr博士解释：“海水中溶解的钕及其同位素特征是深水团来源的极佳指示剂。在早期研究中，我们注意到南大西洋深部的钕同位素特征在约1.2万年前才达到现代组成，而末次冰期的沉积物显示出如今南大洋任何区域都不存在的数值。起初我们以为方法有缺陷或岩芯有问题，但真正的问题是：什么能产生这样的信号？这种特殊的同位素特征只有在深水长期近乎停滞时才会形成，此时海底的化学输入（底栖通量）主导了海洋沉积物中的同位素印记。”

研究发现，末次冰期时，目前在南极周围形成的寒冷且密度极大的深水分布范围不如今天广泛。当时南大洋深部大部分被富碳水体填充，这些水体源自太平洋，是现代绕极深层水（CDW）的冰期前身。这种CDW因在深海长期循环、与表层接触有限而富碳，大量溶解碳因此被锁在深海，有助于维持大气二氧化碳水平相对较低。

在约1.8万至1万年前，地球变暖、冰盖退缩，南极底层水体积在两个明显阶段增加，且与南极已知的变暖事件同步。随着南大洋垂直混合增强，长期储存碳的深水被带到表层附近，使碳释放到大气中。Gutjahr解释：“南极底层水的扩张与多种过程相关。南极周围变暖导致海冰减少，更多融水进入南大洋。这一气候过渡期形成的南极底层水因盐度降低而密度减小，得以在南大洋更广泛扩散，破坏原有水团结构，促进了深海与表层水的交换。”

此前，许多科学家认为北大西洋的变化（尤其是北大西洋深层水的形成）是南大西洋深层环流变化的主要驱动因素。新结果表明，这种北向影响比之前认为的更有限；相反，冰期富碳深水团被新形成的南极底层水取代，似乎对末次冰期末期大气二氧化碳升高至关重要。

Gutjahr表示：“与过去的比较虽不完美，但最终归结于系统中的能量。若理解过去海洋对变暖的响应，就能更好把握如今南极冰架持续融化的情况。”南大洋因其广阔面积和独特环流，在调控全球气候中起重要作用。过去50年，南极周围水深约1000米以下的海水变暖速度显著快于全球其他大部分海洋。要弄清深海快速变暖如何影响海洋吸收和释放二氧化碳的能力，需长期追踪物理和生物地球化学变化并纳入气候模型。“我想先准确理解现代海洋，以便解读过去的信号，”Gutjahr说，“若能追踪过去几千年南极底层水的变化，就能更准确评估未来南极冰盖可能的质量损失速度。”从沉积物岩芯获取的古气候数据对此不可或缺，它们提供了比今天更温暖的过去气候信息，有助于改进未来气候变化预测。