南極藍冰芯研究-300萬年溫室氣體穩定，碳循環精度達1%

近百年來，人類活動引起的碳排放導致全球平均溫度不斷升高，全球變暖已成為全人類面臨的重要挑戰。從地質歷史尺度上來看，我們正處于新生代以來地表溫度最低的時期。因此，溫室氣體對不同尺度氣候演化的驅動機制，一直是古氣候研究的前沿科學問題，也是理解當前氣候變化的關鍵。在此背景下，地質歷史上兩個關鍵的氣候轉型期，成為研究這一問題的理想窗口：上新世（Pliocene）-更新世（Pleistocene）轉型期（PPT，約 2.6 Ma）：北半球大陸冰蓋擴張的時期；中更新世轉型期（MPT；1.2–0.8 Ma）：氣候從振幅較小的 4 萬年冰期循環向振幅較大的 10 萬年循環轉變。這兩個時期，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代過渡的？要回答這些問題，需要借助于具有高分辨率、定年準確、且準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，儲存著保真度高、時間序列長的氣候環境信息。歐洲科學家曾在南極 Dome C 鉆取了覆蓋 80萬年以來的冰芯，并建立了目前最長的連續的大氣成分記錄，展現了晚更新世以來完整的冰期-間冰期循環。此后，科學家們致力于在南極建立更長的、能覆蓋過去幾百萬年的冰芯記錄。理論上，最老的冰應該在冰蓋的最深處，但現實中，由于地球內部地熱的加熱，南極冰蓋最底部的老冰往往會因為底部融化而消失。而在藍冰區（積雪經長期重壓，空氣排出而變得極度致密的冰層區。致密結構能吸收光譜中的紅橙長波光，僅讓藍色短波光穿透并散射，使其呈現深藍色），冰流、冰下地形和強勁的下降風，會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，美國俄勒岡州立大學Julia Marks-Peterson教授及其同事在Nature上發表了他們的最新研究成果。他們從位于橫貫南極山脈西側維多利亞地的阿蘭丘陵（Allan Hills）藍冰區鉆取淺層冰芯（ALHIC1901冰芯，100-200 米），利用40Aratm同位素定年法，獲得了3.1-0.5 Ma時期不連續的溫室氣體“快照”記錄，重建了過去300萬年來大氣溫室氣體濃度的變化歷史（圖1-圖2）。結果發現，CH? 濃度在整個PPT期間保持穩定（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期間保持穩定（±10 ppm）。來自同一支冰芯的溫度記錄顯示，自上新世以來，東南極洲降溫約 3.5℃，同期全球平均海洋溫度下降約 2.5℃。這說明，PPT和MPT期間的長期降溫過程中，CO?和 CH?對直接輻射強迫變化的貢獻很小，而海洋環流、冰蓋覆蓋或植被產生的反照率、古地理學等因素可能發揮了關鍵作用。

圖1 ALHIC1901 冰芯的溫室氣體數據。a. 阿蘭丘陵（Allan Hills）及冰芯鉆探點的位置；b. ALHIC1901 樣本的深度與年齡對照圖。c. ALHIC1901 部分樣品（n = 31）測量所得 CO2濃度與 δ13C值；d. 研究中年齡在 40 萬至 80 萬年之間樣品的CO2和CH4濃度與南極Dome C冰芯（EDC）的CO2和CH4濃度值的對比

圖2 ALHIC1901 冰芯的三百萬年古氣候記錄。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，紅色和藍色數值均來自該研究中的ALHIC1901，灰色的連續數值來自Dome C冰芯；d. 底棲有孔蟲δ18O記錄以及來自阿蘭丘陵（Allan Hills）冰芯的δ18Oice（冰同位素）數值

全球長期的自然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到了1‰ 以內。也就是說，在數百萬年的時間尺度上，全球碳循環在地球內部排放的 CO?與作為有機物和碳酸鹽礦物長期埋存的碳之間達成了平衡。造成這種平衡的原因可能在于：“CO? 調溫器”對 CO?排放源減少以及大陸風化增加的響應；“CO? 調溫器”的作用微弱，而且CO? 的源與匯在過去300萬年是穩定的。