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《Nature 吉优science》:草石蚕所参加推断冰川时期

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《Nature 吉优science》:草石蚕所参加推断冰川时期

2018年3月7日至8日,中科院地球环境研究所金章东研究员与澳大利亚国立大学于际民副教授应邀到中山大学海洋科学学院进行访问交流。

大气CO2含量在最近150年内,从~300 ppm增加到~400 ppm。这些增加的大气CO2是否为全球变暖的元凶,还存在着诸多争论。过去海-陆-气之间的碳收支是认识大气CO2在气候变化中所起作用的一把钥匙。约7万年前,即深海氧同位素阶段4和5的过渡期,是地球气候进入冰期的一个重要转折。在约一万年的过渡期间,海平面下降了60多米,大气CO2降低了约30 ppm,相当于有~60 Gt(1Gt = 1*109吨)从大气中丢失了。那么,该过渡期大气中的碳到底去了哪里,至今仍旧是一个谜。

记者张潇实习生邹敏勾达书

7日,首先到珠海校区进行参观,下午于际民副教授主讲题为“Greater North Atlantic CO₂absorption during the Last Glacial Maximum”学术讲座,金章东研究员主讲题为“海水Sr同位素-构造隆升-地表风化-碳循环:进展与挑战”的学术讲座,邹世春教授主持,我院20多名师生参加了讲座。

由澳大利亚国立大学于际民博士领导的、包括地球环境研究所金章东研究员、蔡演军研究员和张飞博士在内的国际研究团队,通过对多个钻孔中底栖有孔虫B/Ca比值重建的深层海水碳酸根离子含量的变化,定量估算了MIS 4-5过渡期大西洋深部碳的储量。

肉眼下细沙子般大小的颗粒,居然是一种叫作有孔虫的海洋动物;显微镜下,有着规律的美丽色彩和花纹。5月12日,在西安雁翔路的中科院地球环境研究所样本观察室内,记者看到了神奇的有孔虫化石样本。

于际民副教授以全球碳循环为背景,研究次末冰期大气二氧化碳减少,大气中的二氧化碳进入深海的方式途径。报告介绍了次末冰期的碳循环路径及提出了北大西洋作为碳沉降主要海域却出现碳量低的问题。随后他介绍了自己的研究模型及方法,即通过对比非生物过程,生物过程不加海气交换过程,生物过程加海气交换过程的大气海洋碳输送模型,从而突出了生物过程及海气交换过程的作用;另外,他还介绍了利用底栖有孔虫的硼钙比重构碳酸根离子浓度推测大西洋深处的碳库存转变过程,结合简化例子讲解了推算过程。最后得出了在次末冰期大西洋深处碳酸根浓度减少的量,这个估算在该领域具有先进性及重要意义。期间我院师生与于教授讨论了海洋碳缓冲及海水PH的本质等问题。

结果表明,在MIS 4-5过渡期,深层海水[CO32-]降低了~25 mol/kg,表明在一万年时间内大西洋深部海水形成了一个巨大的碳库,其碳储量增加了至少~50 Gt,其量级与同期大气丢失的~60 Gt碳基本相当。结合模拟结果,该研究进一步发现这些增加的碳与大西洋经向反转环流变浅作用密切相关。该研究对于我们理解冰期-间冰期尺度碳循环机制及其对气候变化的影响具有重要意义,也有助于深入认识全球变暖情形下大气和海洋之间复杂的相互作用。

“你知道吗?这样的小生物忠实地记录着海水里的碳含量变化,就是通过研究有孔虫化石,我们发现了七万年前大气中那些消失的二氧化碳究竟去了哪里。”西安中科院地环所金章东研究员介绍说。

金章东教授以海水锶同位素的演化规律及青藏高原隆升为背景,研究了晚新生代以来,青藏高原隆升地震构造地表侵蚀风化暴雨冲刷河流搬运等过程。报告介绍选择汶川作为区域的意义及研究区域的基本情况,随后介绍了自己研究设想,即利用锶同位素演化规律,解释地震构造产生的锶同位素变化;并以汶川地震前后沉积物变化为例子,阐述当前的研究。最后分享了实验样品的来之不易及做科学研究的挑战和乐趣。

该研究成果于2016年2月8日以Article的形式在线发表在Nature Geoscience上(Yu J M, Menviel L, Jin Z D, Thornalley D J R, Barker S, Marino G, Rohling E J, Cai Y J, Zhang F, Wang X, Dai Y, Chen P, Broecker W S. Sequestration of carbon in the deep Atlantic during the last glaciation. Nature Geoscience, 2016, doi: 10.1038/ngeo2657)。

地球进入冰期,原来是一些二氧化碳被海洋存起来了

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在地球的漫长演化历史上,冰期与间冰期交替发生。冰期为地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期称为冰川时期;两次冰期之间为一相对温暖时期,为间冰期。大气中的二氧化碳含量与气候息息相关。七万年前,正是由于空气中大量的二氧化碳的消失,使得当时气候转入了冰期。那么多大气中的二氧化碳去了哪里?如何存在?这一直是科学界的一大谜题。

参观海洋科学学院楼建设地

深海氧同位素阶段4和5过渡期海洋-大气碳收支(Yu et al., 2016, Nature Geoscience)。当气候进入冰期,埋藏在深海的碳降低了海水的pH值,也导致海底碳酸盐是溶解。有孔虫等微壳体的B/Ca比值可用来定量估算深海碳埋藏通量。

近日,澳大利亚国立大学于际民博士领导,包括金章东研究员、蔡演军研究员和张飞博士在内的国际研究团队发现:在从一个间冰期过渡到地球上最后一次冰期时的一万年间,大西洋深部海水形成了一个巨大的碳库,吸收了大气中的二氧化碳。这一研究成果解释了这个巨大的谜题。

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地球温度的变化十分缓慢,却也有一定的规律,备受关注的全球气温是会持续升高还是趋于稳定或是受到自然调节而降下来?这需要通过研究历史来预测趋势。而研究清楚海洋-陆地-大气之间的碳循环,无疑将人类对大自然的认知度推进了一大步。

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七万年前的海洋二氧化碳值如何测量

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该国际研究团队发现,当地球处于温暖期时,大洋表面由于适宜的温度环境,使得许多浮游动物和藻类植物大量繁殖,通过光合作用吸收二氧化碳;它们死亡后沉入海底,所携带的碳元素也就被固定起来,不再回到大气中,使大洋深处形成一个巨大的“碳库”。大气中二氧化碳的减少,也使得温室效应得到缓解、气温得到调节。

参观学院

那么,七万年前的海洋二氧化碳值又是如何测量出来的?

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这时,小小的有孔虫化石出场了。有孔虫是广泛生活在海洋里的微型生物,其壳体成分全为碳酸钙,存活时吸收二氧化碳,死亡后沉到海底。金章东所在的研究团队,确定了大西洋5个不同纬度的点位,然后申请这些地点已钻取的海底沉积物样本做研究,挑选其中的有孔虫化石,测量有孔虫化石中硼元素和钙元素的比值,结合他们自己创立的、已得到国际同行认同的最新研究方法,推算出深层海水碳酸根离子含量的变化,定量估算了mis5-4过渡期碳的储量。

于际民副教授报告现场

世界上有四大洋,这次的研究为何选择大西洋?这是因为大西洋的海水是大洋环流的重要环节,可以说是大洋环流的发动机。“在不同的纬度,同一时间这几个点测出的碳含量并不一样。这个差别和当时大气里面二氧化碳减少的量紧密联系。最重要的是,海洋里增加的碳量和大气中减少的二氧化碳数量级是一致的,都在500亿-600亿吨左右。”研究结果表明,mis5-4过渡期,大西洋深部海水碳储量增加了至少~500亿吨,其量级与同期大气丢失的~600亿吨碳基本相当。结合模拟结果,该研究进一步发现这些增加的碳与大西洋经向反转环流变浅作用密切相关。这对于理解冰期-间冰期尺度碳循环机制及其对气候变化的影响具有重要意义,也有助于深入认识全球变暖情形下大气和海洋之间复杂的相互作用。

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目前的温室效应“停滞期”成为关注焦点

金章东研究员报告现场

自1950年开始,全球气温一直在升高,与此同时全球化石燃料的二氧化碳排放量也在升高,两者趋势十分接近。然而,在如今人类排放的二氧化碳的升高趋势持续的情况下,近些年全球气温却趋于平缓。这便是近些年来科学家高度关注的“停滞期”。目前全球变暖的趋势会不会得到持续?还是会逐步转入下一个冰期?仍是一个未知数。

“七万年前的暖期与现在我们正在经历的暖期,有比较类似的状况。暖期发展到一定阶段,可能会出现大洋存储大气二氧化碳的现象。”金章东表示,虽然地球的气候变化十分复杂,但是它本身有自己的调节机制。他希望此项研究成果能对未来全球大气二氧化碳的去向和气温变化作出了新的预测和解释。

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