【微小太陽輻射變化促地球進入冰河期】大西洋徑向翻轉環流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)是南北半球物質與能量的主要傳送帶,但南半球的過程如何影響AMOC冰期間冰期的形態變化尚不明確。1月14日,英國卡迪夫大學、蘭州大學等有關這一問題的新發現以《南極冰山重構大洋環流》為題,發表在《自然》上。

南大西洋東南側的厄加勒斯洋流對大西洋的溫鹽平衡起到至關重要的作用;同時南極繞急流附近表層海水溫鹽變化和西風帶強度變化對北大西洋底層水(North Atlantic Deep Water,NADW)和富含無機碳的南極底層水(Antarctic Bottom Water,AABW)的形成也具有重要影響。但目前為止,這些南半球的過程如何影響AMOC冰期間冰期的形態變化尚不明確。厄加勒斯海底高原(水深在2500—3000米)位於南大西洋的東南部(非洲好望角南部),可以很好地記錄冰期—間冰期海底水團性質以及AMOC空間形態的變化—— 資料顯示在現代該地水團主要受控于NADW,而在冰期主要受AABW的影響。

為解答上述問題,由英國、中國、德國、美國等國的科學家組成的科研團隊,通過利用「國際海洋發現計劃(IODP)」 361航次從厄加勒斯海底高原採集的海洋沉積物,重建了160多萬年以來南大西洋的底層水團性質和南極冰攜碎屑量(反映冰山可漂流至此的可能性)的變化。值得注意的是,這兩類重建指標因來自同一根海洋岩心,具有一致的年齡框架,為分析不同周期上水團性質和冰攜碎屑變化的相位關係提供了難得的機會。

該研究發現,過去160萬年以來,無論是在冰期—間冰期旋迴周期上(即地球傾角4萬年和偏心率10萬年周期),還是在地球歲差(2萬年)周期上,厄加勒斯海底高原出現南極冰攜碎屑的時間都明顯早於水團性質的變化,這說明南大洋水文循環對AMOC冰期空間形態的形成有重要作用。

該研究結合數值模擬進一步指出,當地球進入一個合適的軌道背景(例如偏低的地球傾角),將有利於更多的南極冰山向北輸送至南大西洋東南部的厄加勒斯洋流區域,使得融化在南大洋的冰山數量減少,而在南大西洋的數量增多。這一方面淡化了迴流至北大西洋的表層海水的鹽度,引起NADW形成速率的降低;另一方面,鹽化了南大洋表層海水,加快AABW的生成速率,兩者的協同作用促進了AMOC從間冰期向冰期空間形態的轉變。

此外,在向冰期環流態轉變的過程中,隨著AABW水體體積的增大,會導致更多的大氣二氧化碳封存在海洋底部,導致全球氣溫的下降,這將進一步促進海洋對二氧化碳的吸收(低溫海水可溶解更多的二氧化碳)以及北半球大陸冰蓋的形成。

「這一新發現讓我們對冰期發育的動力過程有了進一步的認識。」張旭說,「地球軌道引起的微小的太陽輻射變化,可通過南極冰凍圈激發地球系統內部各圈層間(即海洋大氣圈—冰凍圈—碳循環)的正反饋過程,促進地球氣候進入冰河期。未來我們需要利用可模擬多圈層耦合過程的地球系統模型重現冰期旋迴的演變特徵,評估各圈層過程對其的貢獻,屆時將會對這一歷史難題有更深入理解。

據悉,該研究由英國卡迪夫大學教授Ian Hall和博士生Aidan Starr牽頭,蘭州大學西部環境教育部重點實驗室/泛第三極生態環境與氣候變化前沿科學中心教授張旭是該研究團隊的參与者之一,主要負責數值模擬和動力解釋,為該研究提供了關鍵的數值模擬支撐和動力解釋。

相關論文信息:http://t.cn/A65zFZQS
http://t.cn/A65zFZQ9

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