是什么导致了冰河时代?微小的海洋化石提供了关键证据

在过去的百万年里，地球历史的特点是频繁的“冰川-间冰期循环”，即气候的巨大波动，与巨大的、横跨大陆的冰盖的增减有关。这些周期是由地球轨道和自转的微妙振荡触发的，但轨道振荡太过微妙，无法解释气候的巨大变化。

杜森伯里的地质和地球物理科学教授丹尼尔·西格曼(Daniel Sigman)说:“冰河时代的起因是地球科学中尚未解决的重大问题之一。”“解释这种占主导地位的气候现象将提高我们预测未来气候变化的能力。”

20世纪70年代，科学家们发现，在冰河时期，大气中温室气体二氧化碳(CO2)的浓度降低了大约30%。这引发了一种理论，即大气中二氧化碳含量的减少是冰川循环的一个关键因素，但二氧化碳变化的原因仍然未知。一些数据表明，在冰河时期，二氧化碳被困在深海中，但其原因仍存在争议。

现在，由普林斯顿大学和马克斯·普朗克化学研究所(“奥林匹克”)的科学家领导的一个国际合作小组发现了证据，表明在冰河时代，南极海洋表层水的变化使更多的二氧化碳储存在深海中。利用来自南冰洋的沉积物岩心，研究人员生成了硅藻化石中有机质化学成分的详细记录。硅藻是漂浮在水面上的藻类，生长后死亡并沉入海底。他们的测量结果提供了证据，证明了在冰河时期，南极海洋中由风驱动的上升流有系统地减少了。这项研究发表在最新一期的《科学》杂志上。

几十年来，研究人员已经知道，海洋藻类的生长和下沉将二氧化碳泵入海洋深处，这个过程通常被称为“生物泵”。这种生物泵主要是由热带、亚热带和温带海洋驱动的，在靠近两极的地方效率低下，因为在两极，深水快速暴露在海面上，二氧化碳会被排放回大气中。罪魁祸首是南冰洋:环绕南极大陆的强劲东风将富含二氧化碳的深水拉到表面，将二氧化碳“泄漏”到大气中。

几十年来，人们也认识到，风力推动的上升流的减少可能会使海洋中保留更多的二氧化碳，从而解释了冰河时代大气中二氧化碳的减少。然而，到目前为止，科学家们还缺乏一种明确检验这种变化的方法。

普林斯顿大学奥林匹克合作组织已经开发了这样一种方法，使用微小的硅藻。硅藻是漂浮在南极表面水域大量生长的藻类，它们的硅壳在深海沉积物中积累。硅藻外壳中的氮同位素随表层水中未使用氮的数量而变化。普林斯顿奥运小组测量了这些化石矿物壁上的微量有机质的氮同位素比率，揭示了过去15万年间，覆盖了两个冰期和两个温暖的间冰期的南极表层水中氮浓度的演变。

丹尼·西格曼教授和艾伦·Ai, 2019年。照片中还有马修·拉塞拉，他是西格曼实验室的另一名研究南极海洋的研究生。

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“对硅藻等化石中捕获的氮同位素的分析揭示了过去表面氮的浓度，”Ellen Ai说，她是该研究的第一作者，也是普林斯顿大学的一名研究生，与Sigman一起工作，与Alfredo Martinez-Garcia和Gerald Haug在奥林匹克一起工作。“深水富含藻类赖以生存的氮。在南极出现的上升流越多，表层水中的氮浓度就越高。所以我们的研究结果也让我们能够重建南极上升流的变化。”

一种测定南极沉积物年代的新方法使这些数据更加有力。重建了沉积物岩心的地表水温度变化，并与南极冰芯的气温记录进行了比较。

马丁内斯-加西亚说:“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一致性联系起来。”“特别是，我们现在能够确定上升流下降的时间，当气候开始变冷，以及把南极的上升流变化与冰河时代的快速气候振荡联系起来。”

这种更精确的时间安排让研究人员能够发现风是上升流变化的关键驱动因素。

新的发现也让研究人员解开了南极上升流和大气二氧化碳的变化是如何与冰川循环的轨道触发器联系起来的，这让科学家们向冰河时代起源的完整理论又迈进了一步。

西格曼说:“我们的发现表明，上升流驱动的大气二氧化碳变化是循环的核心，但并不总是像我们许多人假设的那样。”“例如，南极的上升流导致的二氧化碳变化延长了最温暖的气候，而不是加速了进入冰河时代的下降。”

他们的发现对预测海洋将如何应对全球变暖也有意义。关于极地风对气候变化的敏感性，计算机模型得出了模糊的结果。研究人员观察到，在过去温暖的时期，南极海洋中由风驱动的上升流主要增强，这表明上升流在全球变暖的情况下也会加强。更强的南极上升流可能会加速海洋吸收正在进行的全球变暖带来的热量，同时也会影响南极海洋和南极冰层的生物条件。

艾未未说:“新的发现表明，在下个世纪，南极洲周围的大气和海洋将发生巨大变化。”“然而，由于化石燃料燃烧产生的二氧化碳在当今时代是独一无二的，我们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二氧化碳的速度。”

“南太平洋上升流,地球的倾斜,glacial-interglacial大气中的二氧化碳变化”,陈戌源艾伦Ai,安雅s、丹尼尔·m·西格曼阿尔弗雷多Martinez-Garcia,弗朗索瓦•Fripiat莉娜m .忍耐,伊丽莎白米歇尔,茱莉亚Gottschalk以及劳拉·阿诺德·西蒙·莫雷蒂,Mareike施密特,谢尔盖•Oleynik塞缪尔•Jaccard和杰拉尔德·h·Haug出现在12月11日出版的《科学》杂志(DOI: 10.1126 / science.abd2115)。这项研究是由美国国家科学基金会支持(给予D.M.S. plr – 1401489),埃克森美孚通过Andlinger普林斯顿大学能源与环境中心,瑞士国家科学基金会(批准PBEZP2_145695 A.S.S.和赠款PP00P2_144811 PP00P2_172915 S.L.J.),德国研究基金会的全球研究奖学金(DFG格兰特去2294/2-1 j)和马克斯·普朗克的社会。普林斯顿的其他关系:安雅·斯图特和弗朗索瓦·弗里皮亚特都是西格曼实验室的博士后研究员，谢尔盖·奥利尼克是普林斯顿地球科学系的同位素实验室经理。