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【前沿报道】Science Advances:海-气交换不平衡增加冰期海洋碳存储
2019-09-02 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  南極冰芯記錄顯示,冰期大氣CO2濃度比間冰期平均低~90ppm(相當于~200Pg C),且CO2的變化與溫度變化具有很好的一致性(Lüthi et al., 2008)(圖1)。冰期消失的大氣CO2去向何處?受哪些機制控制?這些問題一直是古氣候學界亟需解決的重大科學問題。海洋碳庫儲量約爲38000 Pg C3.8×1019g C),相當于大氣碳庫的60多倍,通過海氣交換,海洋生物量的變化以及海洋物理/化學狀態的變化,是調控冰期-間冰期大氣CO2變化的主要碳庫。海洋無機碳庫(DIC)的變化主要涉及到兩個方面的碳循環過程:溶解泵和生物泵。溫度決定CO2在海水中的溶解度,溫度越低,CO2溶解度越大。當表層洋流將熱帶地區海水輸送到高緯度地區時,海表水冷卻,通過海氣交換吸收大氣中CO2,導致表層海水較高的即時溶解無機碳濃度(Cpref),並在高緯地區注入到深海,這一過程即爲溶解泵(圖2A)。生物泵(Creg)則指海洋浮遊生物通過光合作用固定大氣CO2,以顆粒有機物(軟組織泵:Csoft)和無機碳(無機碳泵:CCaCO3)的形式下沈並礦化分解向深海輸送溶解無機碳的過程(圖2A)。 

1  冰期-間冰期大氣CO濃度和溫度記錄(Lüthi et al., 2008

  基于碳泵的變化,許多假說被提出來解釋冰期大氣CO2濃度的降低。這些假說大體上可分爲兩類。其一是冰期溫度降低增強溶解泵。理論計算表明冰期全球平均海表溫度降低~2.5將導致大氣CO2濃度降低25ppm,只能解釋大約1/4冰期CO2變化量(Williams and Follows, 2011)。其二是增加冰期生物泵效率。可通過三種方式來實現:(1)海洋環流重組,大約能解釋~40ppm冰期CO2變化(Brovkin et al., 2007);(2)海冰範圍擴張,大約能解釋~67ppm冰期CO2變化;(3Fe施肥,僅能解釋~5-28ppmCO2變化量(Martin, 1990)。這些假說均隱含一個前提,即海-氣交換平衡。然而,海水碳酸鹽系統由溶解CO2、碳酸根和碳酸氫根組成,對海水CO2分壓變化具有較強的緩沖效應,導致海表水同大氣的平衡交換非常慢(~1年)。因此,大部分表層海水同大氣並未達到交換平衡。比如,在高緯地區,海水變冷吸收大氣CO2,由于平衡交換時間較慢,使得這些水體在下沈時實際含有的CO2量比理論上能夠從大氣中吸收的要少的多。而在上升流區域,洋流將生物礦化産生的CO2帶到表層,由于緩慢的氣體交換過程,海水脫氣並不完全,使得這些水體下沈時實際含有的CO2量比理論上能夠從大氣中吸收的要多。類似的不平衡過程使得准確定量海洋DIC分布、評估各種過程對冰期CO2的貢獻變得異常困難。  

2  海洋碳组分分解示意圖(Khatiwala et al., 2019

  近期,英國牛津大學Khatiwala教授及合作者在Science Advances發表文章,巧妙地將溶解泵(Cpref)分解爲溶解平衡組分Csat)、物理過程不平衡組分(Cdis,phy)和生物過程不平衡組分(Cdis,bio)(圖2B),试圖定量海-氣交換不平衡對冰期CO2變化的貢獻。Khatiwala教授等將這一分解應用到海洋生物地球化學模型,模擬了冰期海洋各組分碳的變化情況,發現熱帶海洋和南大洋表層海水表現爲正的海-氣交換不平衡(Cdis>0),即爲過飽和水體,當這些水體輸送到深海,將增加海洋的碳儲存;在副热带、北大西洋绕极区和北冰洋表层海水表现为负的海氣交換不平衡(Cdis<0),即为不饱和水体,当这些水体输送到深海,将减少海洋的碳储存(圖3)。模拟的各组分碳储库结果显示(圖3A),同工业革命相比,冰期溶解平衡組分(Csat)和生物軟組織(Csoft)碳庫分別減小~800Pg C和~200Pg C;而海-氣交換不平衡組分(Cdis)增加了~800Pg C。這些結果說明海-氣交換不平衡會顯著影響深海溶解無機碳儲庫,而以往的研究均爲考慮這一效應。 

3 末次冰盛期(LGM)平衡模擬海洋碳組分。(A)溶解平衡組分(Csat)碳庫(左縱坐標)及其他組分碳庫(右縱坐標);(B-OLGM及工業革命前(PI)表層海洋、大西洋和太平洋各組分碳組成(Khatiwala et al., 2019, supplementary materials

  爲了弄清海洋各組分碳儲庫變化和冰期CO2變化的原因,Khatiwala等开展了一系列敏感性实验(圖4)。結果表明:(1)由于海-氣不平衡效應,冰期海洋環流的重組(即相對淺、弱的大西洋經向環流)和海冰範圍的增加均導致大氣CO2濃度增加,與解釋冰期大氣CO2降低背道而馳。該結果說明目前流行的解釋冰期CO2变化的 “环流重组”和“海冰”假说尚待商榷。(2)海-氣交換不平衡顯著提高了冰期降溫和Fe施肥對CO2降低的貢獻,大致能解釋~3/4以上冰期CO2变化量。冰期海表温度变化的空间不均一性减弱了海表水不饱和状态,通过增加物理過程不平衡組分(Cdis,phy),導致更多的碳被輸送到深海,該過程大致能解釋冰期大氣CO2變化的一半。這些結果與冰芯記錄的大氣CO2與溫度的緊密耦合是一致的。 

  該研究通過引入海氣交換不平衡的概率到海洋生物地球化學模型中,發現不平衡過程在解釋冰期-間冰期大氣CO2濃度變化中起關鍵作用,這爲今後進一步探討冰期海洋碳循環過程提供了新的視野和約束。 

4  工業革命前海洋碳循環對末次冰盛期擾動的敏感性實驗結果。SI-CO2T-CO2)和SI-bioT-bio)指海冰(溫度)僅影響海氣CO2交換或生物過程的敏感性實驗(Khatiwala et al., 2019    

 

  主要參考文獻 

  Brovkin V, Ganopolski A, Archer D, et al. Lowering of glacial atmospheric CO2 in response to changes in oceanic circulation and marine biogeochemistry[J]. Paleoceanography, 2007, 22(4).原文鏈接 

  Khatiwala S, Schmittner A, Muglia J. Air-sea disequilibrium enhances ocean carbon storage during glacial periods[J]. Science Advances, 2019, 5(6): eaaw4981.原文鏈接 

  Lüthi D, Le Floch M, Bereiter B, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present[J]. Nature, 2008, 453(7193): 379-382.原文鏈接 

  Martin J H. Glacial-interglacial CO2 change: The iron hypothesis[J]. Paleoceanography, 1990, 5(1): 1–13.原文鏈接 

  Stephens B B, Keeling R F. The influence of Antarctic sea ice on glacial-interglacial CO2 variations[J]. Nature, 2000, 404:171-174.原文鏈接 

  Williams R G, Follows M J. Ocean Dynamics and the Carbon Cycle: Principles and Mechanisms[M]. Cambridge University Press, 2011.     

  (撰稿:陳祚伶/新生代室)

 
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