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科研动态
科研进展
海洋试点国家实验室于际民团队在碳循环研究取得重要进展
    2022-03-18 16:01:02
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作为巨大的碳储库,海洋对不同时间尺度的大气二氧化碳(CO2)变化起着至关重要的作用。尽管冰芯记录揭示了过去大气CO2多时间尺度波动,但是这些波动具体是受哪些海洋过程调控呢?这一问题至今尚未解决。2022年3月17日Nature Geoscience杂志以Article的形式在线发表了青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山人才卓越科学家于际民研究员团队的最新研究成果“Millennial andcentennial CO2 release from the Southern Ocean during the lastdeglaciation”(Yu et al., 2022,Nature Geoscience, DOI: 10.1038/s41561-022-00910-9), 该研究成果为回答这一前沿科学问题提供了重要线索。

由于海-气CO2交换发生在海洋表层,传统上大多数科学家利用生长在表层海洋的生物载体(如浮游有孔虫的钙质壳体和硅藻的蛋白石骨骼)来开发不同的指标用以研究碳循环。然而,依据这些指标所获得的数据信号存在诸多时、空差异,影响推测碳循环机制。例如,大多数有孔虫类和硅藻主要生长在春、夏两季,即便基于它们的研究表明某海域向大气释放CO2,也不能断言该海域是大气的一个碳源,因为在春、夏两季释放的CO2可能会在其它季节被海洋重新吸收。
与表层海洋相比,海洋内部水体(深海)可综合全年的海-气CO2交换信号,基本不受季节变化的影响。因此,在一定程度上,海洋内部水体可更好地反映大范围海域对大气CO2的影响。不过,海洋内部碳循环也受多个过程调节,并非所有过程都可直接反映海-气CO2交换信号。譬如,生物降解作用会增加深海中的碳含量,但是仅有一部分碳含量的增加与海-气CO2交换直接相关(即,碳从大气封存到了深海),而其它部分的碳含量增加则是碳在海洋内部的空间转移(比如,碳从浅海被转移到深海);显然,若为探索大气CO2变化机制,海-气交换部分的CO2是我们期望获得的信息。那么,如何从海洋内部海水数据提取有效的海-气CO2交换信号呢?这是碳循环研究中一个关键而极具挑战性的问题。
针对这一前沿科学问题,于际民研究员领衔的研究团队开发了一种全新的、可有效反映海-气CO2交换的示踪指标—DICas (详见Yu et al., 2019, Nature Communications)。利用这一新型示踪指标,并结合数值模拟,该研究团队详细揭示了末次冰消期海洋内部与大气之间的CO2交换过程。结果发现,在末次冰消期早期,海洋内部水体通过南大洋向大气释放了CO2。更有意义的是,该研究提出了一种新的机制来解释大约1.46万年前Bølling时期所呈现的百年尺度CO2快速上升:南极中层水的骤然扩张。与其它水体相比,南极中层水对大气CO2的封存效率较低,因此该水体的扩张会降低海洋对大气CO2的封存能力,从而导致大气CO2上升。这表明,海洋内部水体的大气CO2封存能力与洋流循环密切相关。
海洋碳循环是一个复杂、重要的研究课题。为更准确的预测未来大气CO2变化,我们亟需深入理解全球碳循环、营养物质循环及其与温盐环流的耦合机制,而研究地球的气候历史是提升对碳循环-气候体系机制性理解的一个重要渠道。

上述这项工作得到了国家自然科学基金委和澳大利亚研究理事会的经费支持,由来自青岛海洋科学与技术试点国家实验室、澳大利亚国立大学、伍兹霍尔研究所、中国科学院、新南威尔士大学、康涅狄格大学等单位的科学家组成的国际团队合作完成。



碳循环示踪计DICas揭示冰消期大气CO2变化机制

a, 由指标参数获得的DICas异常值。误差:2δ。b,由LOVECLIM气候模型获得的DICas异常值(即,HS1与LGM的差值)。

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