蘭州大學學者參與研究發現南大洋水文循環對AMOC冰期空間形態的形成有重要作用

日期: 2021-01-15 閲讀: 來源: 關鍵詞:

大西洋徑向翻轉環流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)是南北半球物質與能量的主要傳送帶。理論上,AMOC可大體分為上支流和下支流:上支流將熱帶大西洋以及南半球的熱量輸送到北大西洋北部及北歐海,暖水失熱下沉形成北大西洋底層水(North Atlantic Deep Water,NADW)後,沿西邊界流回南大洋,並在南極繞急流附近上湧至海表。這部分水團一部分向北輸送,回到AMOC的上支流;而另一部分向南輸運,在南極冰架附近冷卻下沉,形成富含無機碳的南極底層水(Antarctic Bottom Water,AABW)後,向北輸送至大西洋(及其他洋盆)底部,形成AMOC的下支流。150萬年以來的更新世,地球系統反覆經歷了劇烈的氣候變化,即冰期-間冰期旋迴。大量記錄指出,在温暖的間冰期,NADW主導的AMOC上支流可佔據大西洋3500米左右以上的水體;但在寒冷的盛冰期,NADW僅能下沉至2500米左右,而其下部水體則由富含無機碳的AABW控制。AMOC這種冰期-間冰期空間形態的變化,之前認為主要是受北大西洋NADW的強度變化所致,但近幾年發現,南大西洋東南側的厄加勒斯洋流對大西洋的温鹽平衡也起到至關重要的作用;同時南極繞急流附近表層海水温鹽變化和西風帶強度變化對NADW和AABW的形成也具有重要影響。但目前為止,這些南半球的過程如何影響AMOC冰期間冰期的形態變化尚不明確。厄加勒斯海底高原(水深在2500-3000米)位於南大西洋的東南部(非洲好望角南部),可以很好地記錄冰期-間冰期海底水團性質以及AMOC空間形態的變化—— 資料顯示在現代該地水團主要受控於NADW,而在冰期主要受AABW的影響。

為嘗試解答上述問題,由英國、中國、德國、美國等國的科學家組成的科研團隊,通過利用“國際海洋發現計劃(IODP)” 361航次從厄加勒斯海底高原採集的海洋沉積物,重建了160多萬年以來南大西洋的底層水團性質和南極冰攜碎屑量(反映冰山可漂流至此的可能性)的變化。值得注意的是,這兩類重建指標因來自同一根海洋岩心,具有一致的年齡框架,為分析不同週期上水團性質和冰攜碎屑變化的相位關係提供了十分難得的機會。該研究發現,過去160萬年以來,無論是在冰期-間冰期旋迴週期上(即地球傾角4萬年和偏心率10萬年週期),還是在地球歲差(2萬年)週期上,厄加勒斯海底高原出現南極冰攜碎屑的時間都明顯早於水團性質的變化,這説明南大洋水文循環對AMOC冰期空間形態的形成有重要作用。

該研究結合數值模擬進一步指出:當地球進入一個合適的軌道背景(例如偏低的地球傾角),將有利於更多的南極冰山向北輸送至南大西洋東南部的厄加勒斯洋流區域,使得融化在南大洋的冰山數量減少,而在南大西洋的數量增多。這一方面淡化了迴流至北大西洋的表層海水的鹽度,引起NADW形成速率的降低;另一方面,鹽化了南大洋表層海水,加快AABW的生成速率,兩者的協同作用促進了AMOC從間冰期向冰期空間形態的轉變。此外,在向冰期環流態轉變的過程中,隨着AABW水體體積的增大,會導致更多的大氣二氧化碳封存在海洋底部,導致全球氣温的下降,這將進一步促進海洋對二氧化碳的吸收(低温海水可溶解更多的CO2)以及北半球大陸冰蓋的形成。

南大洋“冰山逃逸”機制示意圖

該研究結果以“Antarctic Icebergs Reorganize Ocean Circulation during Pleistocene Glacials”為題於北京時間2021年1月14日凌晨發表在Nature雜誌上,在國際古氣候學界引起了極大的反響(英文報道)。該研究由英國卡迪夫大學的Ian Hall教授和博士生Aidan Starr牽頭,蘭州大學西部環境教育部重點實驗室/泛第三極生態環境與氣候變化前沿科學中心張旭教授是該研究團隊的參與者之一,主要負責數值模擬和動力解釋,為該研究提供了關鍵的數值模擬支撐和動力解釋。

“這一新發現讓我們對冰期發育的動力過程有了進一步的認識”,張旭教授説,“地球軌道引起的微小的太陽輻射變化,可通過南極冰凍圈激發地球系統內部各圈層間(即海洋大氣圈-冰凍圈-碳循環)的正反饋過程,有利於地球氣候進入冰河期。未來我們需要利用可模擬多圈層耦合過程的地球系統模型重現冰期旋迴的演變特徵,評估各圈層過程對其的貢獻,到時我們將會對這一歷史難題有更深入地理解。”

作者簡介:張旭教授,從事大洋環流,全球氣候變化和海氣冰多圈層相互作用等動力機理方面的數模研究,主要側重千年氣候事件、冰期-間冰期旋迴等百年-軌道尺度氣候變率等相關課題。現已在《Nature》、《Science》及其子刊發表文章10篇,其中第一/通訊作者的《Nature》文章2篇,《Nature Geoscience》文章1篇。

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編輯:許文豔
責任編輯:許文豔

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