造成冰河世纪的原因是什么？微小的海洋化石提供了重要的证据

这种硅藻物种Fragilariopsis kerguelensis是一种浮藻，在南极海洋中丰富，是普林斯顿大学和马克斯·普朗克化学研究所收集的样本中的主要物种。这些微观生物生活在海面附近，然后死亡并沉入海床。壳中的氮同位素随地表水中未使用的氮量而变化。研究人员用它来追踪过去15万年来南极地表水中的氮浓度，涵盖了两个冰期和两个温暖的冰期之间。

海洋在过去的大气二氧化碳变化中的作用成为人们关注的焦点。

地球历史的最后一百万年的特点是频繁的“冰川-冰川间周期”，即气候的剧烈波动，这与横跨大陆的巨大冰原的生长和萎缩有关。这些周期是由地球轨道和自转的微小振荡触发的，但是轨道振荡太微妙了，无法解释气候的巨大变化。

“冰河时代的成因是地球科学中尚未解决的重大问题之一，”杜森伯里地质与地球物理科学教授丹尼尔·西格曼（Daniel Sigman）说。“解释这种主要的气候现象将提高我们预测未来气候变化的能力。”

1970年代，科学家发现，在冰河时期，大气温室气体二氧化碳（CO2）的浓度降低了约30％。这就提出了理论，即大气中二氧化碳水平的下降是冰川周期的关键因素，但是二氧化碳变化的原因仍然未知。一些数据表明，在冰河时期，二氧化碳被捕集在深海中，但是其原因尚有争议。

这种硅藻物种Fragilariopsis kerguelensis是一种浮藻，在南极海洋中丰富，是普林斯顿大学和马克斯·普朗克化学研究所收集的样本中的主要物种。这些微观生物生活在海面附近，然后死亡并沉入海床。壳中的氮同位素随地表水中未使用的氮量而变化。研究人员用它来追踪过去15万年来南极地表水中的氮浓度，涵盖了两个冰期和两个温暖的冰期之间。

现在，由普林斯顿大学和马克斯·普朗克化学研究所（MPIC）的科学家领导的国际合作发现了证据，表明在冰河时期，南极地表水的变化有助于在深海中存储更多的CO2。研究人员使用来自南极海洋的沉积物核，详细记录了硅藻化石中捕获的有机物的化学成分-浮藻生长在地表水中，然后死亡并沉入海床。他们的测量提供了证据，证明在冰河时期南极海洋的风流上升有系统地减少。Theresearch发表在最新一期的《科学》杂志上。

几十年来，研究人员已经知道，海藻的生长和下沉将二氧化碳排放到海洋深处，这一过程通常被称为“生物泵”。生物泵主要由热带，亚热带和温带海洋驱动，靠近两极时效率低下，两极通过深水迅速暴露于地表而将二氧化碳排放到大气中。最严重的犯罪者是南极海洋：环绕南极大陆的强东风将富含二氧化碳的深水拉到地表，将二氧化碳“泄漏”到大气中。

几十年来，人们也认识到减少风动力上升流的可能性，以将更多的二氧化碳保留在海洋中，从而解释冰河时期大气中二氧化碳的减少。但是，到目前为止，科学家还没有一种方法可以明确地测试这种变化。

自从发现过去的冰河时期中大气中的二氧化碳（CO2）浓度较低以来，其原因一直是个谜。现在，普林斯顿的地球科学家Danny Sigman和Ellen Ai（与Sigman Lab的其他研究生成员一起在2019年在这里见到）发现，南极洲周围海洋的南极海洋上升流减弱，使深层中的二氧化碳含量增加了在冰河时期的海洋。这使科学家们对冰河时期和今天这样的温暖时期之间的气候循环有了更完整的解释。这也表明，在人类驱动的全球变暖下，上升流将加剧，从而改变大气中二氧化碳，全球气候和海洋生态系统的浓度。

普林斯顿大学与MPIC的合作已经开发出了一种使用微小硅藻的方法。硅藻是漂浮的藻类，在南极地表水中大量生长，其二氧化硅壳堆积在深海沉积物中。硅藻壳中的氮同位素随地表水中未使用的氮量而变化。普林斯顿-MPIC小组测量了这些化石矿物壁中捕获的微量有机物的氮同位素比，揭示了过去15万年来南极地表水中氮浓度的变化，涵盖了两个冰期和两个温暖的冰期之间。

该研究的第一作者，普林斯顿大学研究生，西格玛（Sigman）以及阿尔弗雷多·马丁内斯·加尔西亚（AlfredoMartínez-García）和杰拉尔德·豪格（Gerald Haug）研究小组的研究人员，艾伦·艾（Ellen Ai）说：“对硅藻等化石中捕获的氮同位素的分析揭示了过去的表面氮浓度。”在MPIC。深水含有藻类所依赖的高浓度氮。在南极发生的上升流越多，地表水中的氮浓度越高。因此，我们的结果也使我们能够重建南极上升流变化。

通过一种新的对南极沉积物进行测年的方法，数据变得更加强大。重建了沉积岩芯中的地表水温度变化，并将其与南极冰芯的气温记录进行了比较。

Martínez-García说：“这使我们能够将硅藻氮记录中的许多特征与全球气候和海洋变化的同时发生联系起来。”“特别是，我们现在能够确定气候开始变凉时上升流下降的时间，并将南极上升流的变化与冰河时期的快速气候波动联系起来。”

这种更精确的时间安排使研究人员能够顺风顺水，成为上升流变化的主要驱动力。

这些新发现还使研究人员得以解开南极上升流和大气CO2的变化如何与冰川周期的轨道触发因素联系起来，使科学家们更接近于关于冰河世纪起源的完整理论。

Sigman说：“我们的发现表明，上升流驱动的大气CO2变化是周期的核心，但并不总是我们许多人所假设的那样。”“例如，南极上升流并没有加速下降到冰河时代，而是引起了二氧化碳变化，从而延长了最温暖的气候。”

他们的发现对于预测海洋将如何应对全球变暖也具有重要意义。计算机模型在极风对气候变化的敏感性方面产生了模棱两可的结果。研究人员观察到在过去的温暖时期，南极海洋风动力上升流的剧烈加剧表明，在全球变暖的情况下，上升流也将加剧。南极更强的上升流可能会加速海洋从持续的全球变暖中吸收热量，同时也影响南极生物条件和南极冰层。

艾未未表示：“新发现表明，在未来的世纪中，南极洲周围的大气和海洋将发生巨大变化。”“但是，由于化石燃料燃烧产生的二氧化碳是当今时代所特有的，因此需要做更多的工作来了解南极海洋的变化将如何影响海洋吸收这种二氧化碳的速度。”

参考：Xuyuan E. Ai，Anja S.Studer，Daniel M.Sigman，AlfredoMartínez-García，FrançoisFripiat，LenaM.Thöle，Elisabeth Michel，Julia Gottschalk撰写的“南洋上升流，地球倾角和冰间冰期大气二氧化碳变化” ，劳拉·阿诺德（Laura Arnold），西蒙妮·莫雷蒂（Simone Moretti），玛丽·史密特（Mareike Schmitt），谢尔盖·奥莱尼克（Sergey Oleynik），塞缪尔·L·杰卡德（Samuel L.Jaccard）和杰拉德·H·豪格（Gerald H.
10.1126 / science.abd2115

该研究得到了美国国家科学基金会（授予DMS的PLR-1401489），埃克森美孚公司，普林斯顿大学安德林格能源与环境中心，瑞士国家科学基金会的支持（授予PBEZP2_145695授予ASS，授予PP00P2_144144和PP00P2_172915授予SLJ） ，德国研究基金会的全球研究奖学金（DFG向JG授予GO 2294 / 2-1）和马克斯·普朗克学会。其他与普林斯顿大学的联系：Anja Studer和Francois Fripiat都是Sigman实验室的博士后研究员，而Sergey Oleynik是普林斯顿大学地球科学系的同位素实验室经理。