PNAS：冰芯揭露过去6万年CO₂变化

末次冰期（约11.7万至1.2万年前）是地球历史上最近的一次冰河时期。在这漫长的时期里，地球气候经历了反复的冷暖交替，其中一些剧烈的冷事件被称为Heinrich事件。Heinrich事件指的是北大西洋冰盖崩塌，导致大量冰架碎裂成冰山，漂浮至北大西洋，并最终融化。这些事件对全球气候产生了深远的影响，引发了海洋环流变化以及全球各地气候模式的剧烈波动。

图1 Paleoclimate records of polar climate, greenhouse gas variability, and East Asian monsoon intensity reflecting meridional displacement of the Intertropical Convergence Zone.

科学家们在冰芯中发现，Heinrich事件与大气中CO ₂ 浓度快速上升的现象密切相关。然而，CO ₂ 快速上升的具体原因和来源一直是科学界争论的焦点。

图2 Centennial-scale CO ₂ and CH ₄ variability during Heinrich Stadials 1 to 5.

为了更好地了解CO ₂ 跳跃的成因，研究团队利用南极冰芯的高分辨率数据进行分析。他们对位于南极洲西部冰盖的冰芯进行了深入研究，获得了过去6万年的CO ₂ 浓度变化数据，其分辨率达到了年代际尺度，比以往的记录分辨率更高。

图3 Atmospheric δ ¹³ C–CO ₂ , CO ₂ , and Southern Ocean marine sediment proxies during HS-4 and HS-1.

利用南极冰芯，科研人员解析了在末次冰期期间发生的四次多年代际尺度的大气CO ₂ 快速上升事件。其中，在距今约3.95万年的第四次Heinrich事件，CO ₂ 浓度在短短55年内上升了14 ppm。

研究人员还发现，CO ₂ 浓度快速上升与大气甲烷（CH ₄ ）浓度快速上升以及南极冰芯中水同位素组成的突然变化相一致。这些同步发生的剧烈变化表明，南极海洋在Heinrich事件期间发生了快速变暖，南大洋中相对温暖、富含碳的水体发生了风力驱动的上升流，这可能与南半球西风带的极地加强相关。

为了进一步验证南极海洋在CO ₂ 浓度快速上升中的作用，研究团队利用一个包含同位素信息的全球大气环流模型 (iCAM5) 进行模拟。结果表明，模型能够成功地再现南极冰芯中观测到的δ ¹⁸ O和氘过量的变化，这与南极海洋快速变暖相一致。

这项研究揭示了南极海洋在快速气候变化中所扮演的关键角色，表明南半球西风带的变化可能导致南极海洋快速变暖，进而释放大量的CO ₂ 到大气中。随着人类活动持续导致全球变暖，南半球西风带预计将进一步加强，这可能导致南极海洋对CO ₂ 的吸收能力减弱，进而加剧气候变化。因此，理解南极海洋对CO ₂ 变化的响应，对于准确预测未来气候变化至关重要。

这项研究为我们提供了宝贵的经验教训，即地球气候系统是一个复杂的整体，任何一个区域的变化都可能对全球气候产生深远的影响。同时，它也提醒我们，人类活动正在加速改变地球气候，我们需要采取更加积极的行动来应对气候变化带来的挑战。