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【前沿报道】Science Advances:海-气交换不平衡增加冰期海洋碳存储
2019-09-02 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  南极冰芯记录显示,冰期大气CO2浓度比间冰期平均低~90ppm(相当于~200Pg C),且CO2的变化与温度变化具有很好的一致性(Lüthi et al., 2008)(图1)。冰期消失的大气CO2去向何处?受哪些机制控制?这些问题一直是古气候学界亟需解决的重大UU快三科学问题。海洋碳库储量约为38000 Pg C3.8×1019g C),相当于大气碳库的60多倍,通过海气交换,海洋生物量的变化以及海洋物理/化学状态的变化,是调控冰期-间冰期大气CO2变化的主要碳库。海洋无机碳库(DIC)的变化主要涉及到两个方面的碳循环过程:溶解泵和生物泵。温度决定CO2在海水中的溶解度,温度越低,CO2溶解度越大。当表层洋流将热带地区海水输送到高纬度地区时,海表水冷却,通过海气交换吸收大气中CO2,导致表层海水较高的即时溶解无机碳浓度(Cpref),并在高纬地区注入到深海,这一过程即为溶解泵(图2A)。生物泵(Creg)则指海洋浮游生物通过光合作用固定大气CO2,以颗粒有机物(软组织泵:Csoft)和无机碳(无机碳泵:CCaCO3)的形式下沉并矿化分解向深海输送溶解无机碳的过程(图2A)。 

1  冰期-间冰期大气CO浓度和温度记录(Lüthi et al., 2008

  基于碳泵的变化,许多假说被提出来解释冰期大气CO2浓度的降低。这些假说大体上可分为两类。其一是冰期温度降低增强溶解泵。理论计算表明冰期全球平均海表温度降低~2.5将导致大气CO2浓度降低25ppm,只能解释大约1/4冰期CO2变化量(Williams and Follows, 2011)。其二是增加冰期生物泵效率。可通过三种方式来实现:(1)海洋环流重组,大约能解释~40ppm冰期CO2变化(Brovkin et al., 2007);(2)海冰范围扩张,大约能解释~67ppm冰期CO2变化;(3Fe施肥,仅能解释~5-28ppmCO2变化量(Martin, 1990)。这些假说均隐含一个前提,即海-气交换平衡。然而,海水碳酸盐系统由溶解CO2、碳酸根和碳酸氢根组成,对海水CO2分压变化具有较强的缓冲效应,导致海表水同大气的平衡交换非常慢(~1年)。因此,大部分表层海水同大气并未达到交换平衡。比如,在高纬地区,海水变冷吸收大气CO2,由于平衡交换时间较慢,使得这些水体在下沉时实际含有的CO2量比理论上能够从大气中吸收的要少的多。而在上升流区域,洋流将生物矿化产生的CO2带到表层,由于缓慢的气体交换过程,海水脱气并不完全,使得这些水体下沉时实际含有的CO2量比理论上能够从大气中吸收的要多。类似的不平衡过程使得准确定量海洋DIC分布、评估各种过程对冰期CO2的贡献变得异常困难。  

2  海洋碳组分分解示意图(Khatiwala et al., 2019

  近期,英国牛津大学Khatiwala教授及合作者在Science Advances,巧妙地将溶解泵(Cpref)分解为溶解平衡组分Csat)、物理过程不平衡组分(Cdis,phy)和生物过程不平衡组分(Cdis,bio)(图2B),试图定量海-气交换不平衡对冰期CO2变化的贡献。Khatiwala教授等将这一分解应用到海洋生物地球化学模型,模拟了冰期海洋各组分碳的变化情况,发现热带海洋和南大洋表层海水表现为正的海-气交换不平衡(Cdis>0),即为过饱和水体,当这些水体输送到深海,将增加海洋的碳储存;在副热带、北大西洋绕极区和北冰洋表层海水表现为负的海气交换不平衡(Cdis<0),即为不饱和水体,当这些水体输送到深海,将减少海洋的碳储存(图3)。模拟的各组分碳储库结果显示(图3A),同工业革命相比,冰期溶解平衡组分(Csat)和生物软组织(Csoft)碳库分别减小~800Pg C和~200Pg C;而海-气交换不平衡组分(Cdis)增加了~800Pg C。这些结果说明海-气交换不平衡会显著影响深海溶解无机碳储库,而以往的研究均为考虑这一效应。 

3 末次冰盛期(LGM)平衡模拟海洋碳组分。(A)溶解平衡组分(Csat)碳库(左纵坐标)及其他组分碳库(右纵坐标);(B-OLGM及工业革命前(PI)表层海洋、大西洋和太平洋各组分碳组成(Khatiwala et al., 2019, supplementary materials

  为了弄清海洋各组分碳储库变化和冰期CO2变化的原因,Khatiwala等开展了一系列敏感性实验(图4)。结果表明:(1)由于海-气不平衡效应,冰期海洋环流的重组(即相对浅、弱的大西洋经向环流)和海冰范围的增加均导致大气CO2浓度增加,与解释冰期大气CO2降低背道而驰。该结果说明目前流行的解释冰期CO2变化的 “环流重组”和“海冰”假说尚待商榷。(2)海-气交换不平衡显著提高了冰期降温和Fe施肥对CO2降低的贡献,大致能解释~3/4以上冰期CO2变化量。冰期海表温度变化的空间不均一性减弱了海表水不饱和状态,通过增加物理过程不平衡组分(Cdis,phy),导致更多的碳被输送到深海,该过程大致能解释冰期大气CO2变化的一半。这些结果与冰芯记录的大气CO2与温度的紧密耦合是一致的。 

  该研究通过引入海气交换不平衡的概率到海洋生物地球化学模型中,发现不平衡过程在解释冰期-间冰期大气CO2浓度变化中起关键作用,这为今后进一步探讨冰期海洋碳循环过程提供了新的视野和约束。 

4  工业革命前海洋碳循环对末次冰盛期扰动的敏感性实验结果。SI-CO2T-CO2)和SI-bioT-bio)指海冰(温度)仅影响海气CO2交换或生物过程的敏感性实验(Khatiwala et al., 2019    

 

  主要参考文献 

  Brovkin V, Ganopolski A, Archer D, et al. Lowering of glacial atmospheric CO2 in response to changes in oceanic circulation and marine biogeochemistry[J]. Paleoceanography, 2007, 22(4). 

  Khatiwala S, Schmittner A, Muglia J. Air-sea disequilibrium enhances ocean carbon storage during glacial periods[J]. Science Advances, 2019, 5(6): eaaw4981. 

  Lüthi D, Le Floch M, Bereiter B, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present[J]. Nature, 2008, 453(7193): 379-382. 

  Martin J H. Glacial-interglacial CO2 change: The iron hypothesis[J]. Paleoceanography, 1990, 5(1): 1–13. 

  Stephens B B, Keeling R F. The influence of Antarctic sea ice on glacial-interglacial CO2 variations[J]. Nature, 2000, 404:171-174. 

  Williams R G, Follows M J. Ocean Dynamics and the Carbon Cycle: Principles and Mechanisms[M]. Cambridge University Press, 2011.     

  (撰稿:/新生代室)

 
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