新型示蹤計揭示末次冰消期海洋內部與二氧化碳交換過程

作為一個巨大的碳儲庫，海洋對不同時間尺度大氣二氧化碳變化起著至關重要的作用，從而影響全球氣候。然而，海洋與大氣之間二氧化碳是如何轉移傳輸的?二氧化碳波動具體是受哪些海洋過程調控的呢?這些問題至今尚未解決。

近日，青島海洋科學與技術試點國家實驗室研究員于際民團隊開發了一種全新的、可有效反映海—氣二氧化碳交換的示蹤計—DICas。利用這一新型示蹤計，并結合數值模擬，該團隊詳細揭示了末次冰消期海洋內部與大氣之間的二氧化碳交換過程。相關研究成果發表于《自然—地球科學》雜志。

于際民表示，由于海—氣二氧化碳交換發生在海洋表層，因此大多科學家利用生長在表層海洋的生物載體，如浮游有孔蟲的鈣質殼體和硅藻的蛋白石骨骼，來開發不同的指標用以研究碳循環。

然而，依據這些指標所獲得的數據信號存在諸多時空差異，影響推測碳循環機制。例如，大多數有孔蟲類和硅藻主要生長在春、夏兩季，即便基于它們的測試表明某海域向大氣釋放二氧化碳，也不能斷言該海域是大氣的一個碳源，因為在春、夏兩季釋放的二氧化碳可能會在其它季節又被海洋吸回去，而年均凈釋放量可能甚小。

與表層海洋對比，海洋內部水體可綜合全年的海—氣二氧化碳交換信號，基本不受季節變化的影響。因此，在一定程度上，海洋內部水體可更好地反映大范圍海域對大氣二氧化碳的影響。

“不過，海洋內部碳循環也受多個過程調節，并非所有過程都可直接反映海—氣二氧化碳交換信息。”于際民說，“比如，生物降解是海洋內部普遍存在的過程，降解作用增強可增加深海中的碳含量，但是僅有一部分碳含量增加與海—氣二氧化碳交換直接相關，也就是說碳從大氣被封存到了深海，而其它部分的碳含量增加則是碳在海洋內部的轉移，比如，碳從淺海被轉移到深海。”

探索大氣二氧化碳變化機制，海—氣交換部分的二氧化碳是科學家期望獲得的信息。然而，如何從海洋內部海水數據提取有價值的海—氣二氧化碳交換信號，這是碳循環研究中一個關鍵而極具挑戰性的任務。

通過多年努力，于際民團隊開發了二氧化碳交換的示蹤計DICas。與傳統指標相比，該示蹤計綜合了海洋內部海水碳含量、營養鹽和堿度等各類參數的變化，消除了生物降解作用的干擾，可更精準反映海洋表面的海-氣二氧化碳交換信號，為碳循環研究提供一種“由內而外”的新技術。

利用該新型示蹤計及數值模擬，研究團隊發現，在末次冰消期早期，海洋內部水體通過南大洋向大氣釋放了二氧化碳。更重要的是，該研究提出了一種新的機制(即南極中層水的驟然擴張)來解釋大約1.47萬年前末次冰消期迅速變暖的一個重要時段——“波林時期”所呈現的百年尺度二氧化碳快速上升。

與其它水體相比，南極中層水對大氣二氧化碳的封存效率要低。因此，該水體的擴張會降低海洋對大氣二氧化碳的封存能力，從而導致大氣二氧化碳上升。這表明，海洋內部水體的大氣二氧化碳封存能力與洋流循環密切相關。

于際民表示，海洋碳循環是一個復雜、重要的研究課題。為更準確的預測未來大氣二氧化碳變化，我們亟需深入理解全球碳循環、營養物質循環及其與溫鹽環流的耦合機制，而研究地球的氣候歷史是提升對碳循環-氣候體系機制性理解的一個重要渠道。(作者：韓揚眉)

標簽： 新型示蹤計 末次冰消期 海洋內部 二氧化碳