冰期—間冰期尺度上的大氣CO2濃度變化淺析

陳雨露

摘 要：極地冰芯記錄，冰期-間冰期尺度上大氣CO2濃度變化與南極溫度、全球冰量的變化存在同步性，總體表現(xiàn)為冰期大氣CO2濃度較低；間冰期大氣CO2濃度較高。冰期-間冰期CO2變化與自然碳庫(kù)之間的碳循環(huán)息息相關(guān)，具體表現(xiàn)為冰期大氣CO2、陸地有機(jī)碳庫(kù)向深海碳庫(kù)傳輸，間冰期反之。

1 冰期-間冰期尺度上CO2的變化特征

1.1冰芯中的CO2記錄

在極地冰蓋和中高緯度高山冰川地區(qū)，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉(zhuǎn)化成冰，形成一個(gè)年層。在由雪轉(zhuǎn)化粒雪在轉(zhuǎn)化成冰的過(guò)程中包裹在冰中的氣泡里記錄著氣泡生成時(shí)的大氣成分，比如C02濃度。其中，1958年以前的大氣CO2濃度變化主要依賴于冰芯的記錄，而1958年后現(xiàn)代大氣CO2濃度變化主要參考夏威夷莫納羅亞山測(cè)得的數(shù)據(jù)，形成基林曲線。

1.2大氣CO2濃度變化特征

根據(jù)南極東方站Vostok冰芯和南極Law Dome冰芯記錄的40萬(wàn)年來(lái)C02濃度變化顯示：大氣CO2濃度的變化具有10萬(wàn)年的冰期-間冰期旋回；且大氣CO2濃度的變化形態(tài)呈“鋸齒狀”；在工業(yè)革命以前，大氣CO2濃度范圍為190-280ppm，工業(yè)革命后呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，現(xiàn)在上升到400+ppm。

將EPICA Dome C 和 Vostok冰芯記錄的80萬(wàn)年來(lái)的大氣CO2濃度變化，與南極冰（氚/氫的比率）記錄的80萬(wàn)年以來(lái)的大氣溫度對(duì)照，發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度變化與大氣溫度表現(xiàn)出相同的變化過(guò)程：溫度升高時(shí)大氣CO2濃度相應(yīng)較高，溫度下降時(shí)反之。

對(duì)照40萬(wàn)年以來(lái)的大氣CO2濃度變化和冰量變化，發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度變化與全球冰量表現(xiàn)出相同的變化過(guò)程。當(dāng)冰量增大時(shí)，大氣CO2濃度較低（180-190ppm）；當(dāng)冰量變小時(shí)，大氣CO2濃度較高（280-300ppm）.這種對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明二者存在一定的因果聯(lián)系。

以上現(xiàn)象表明南極溫度、全球冰量、大氣CO2濃度三者的變化具有同步性，可以總結(jié)得出：當(dāng)全球處于冰期時(shí)，大氣CO2濃度較低；當(dāng)全球處于間冰期時(shí)，大氣CO2濃度較高。這就是冰期-間冰期尺度上CO2的變化特征。

2 冰期-間冰期CO2變化的原因

2.1 冰期-間冰期尺度的碳循環(huán)

全球主要有三大自然碳庫(kù)：陸地有機(jī)碳庫(kù)；大氣無(wú)機(jī)碳庫(kù)；海洋有機(jī)無(wú)機(jī)碳庫(kù)。

當(dāng)冰期來(lái)臨時(shí)，陸地植被—土壤碳庫(kù)量減少。因陸地的植被量減少，碳儲(chǔ)量隨之減少。

大氣、海洋表層水的碳庫(kù)量減少。由冰芯記錄表明：在冰期，大氣中的CO2儲(chǔ)量會(huì)減少，而海洋表層和大氣層存在快速的碳交換，如果大氣中CO2減少30%的話，海洋表層的碳也會(huì)減少相當(dāng)?shù)牧浚虼撕Ｑ蟊韺铀奶紟?kù)量也隨之減少。深海碳庫(kù)量增大，在2萬(wàn)年前的盛冰期，大氣、陸地上的植被土壤、海洋表層水下降地碳儲(chǔ)量沉降在深海中。比如大氣中CO2濃度下降了90ppm，1/3的碳儲(chǔ)存在深海。因此，冰期大氣中減少的CO2主要轉(zhuǎn)移到了深海碳庫(kù)。

正常情況下，陸地植被的有機(jī)碳的δ13C值非常負(fù)偏，平均值為-25‰；深海無(wú)機(jī)碳庫(kù)的平均δ13C值為0‰。在冰期，δ13C負(fù)偏的有機(jī)碳從陸地傳輸?shù)缴詈＃俎D(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳，使得海洋無(wú)機(jī)碳δ13C負(fù)偏減小，這時(shí)深海δ13C負(fù)偏值對(duì)應(yīng)δ180的增大值。在間冰期，碳傳輸?shù)倪^(guò)程相反，這時(shí)深海δ13C正偏值對(duì)應(yīng)δ180的較小值。在兩百萬(wàn)年以來(lái)，太平洋底棲有孔蟲(chóng)δ13C在冰期整體負(fù)偏，而在冰期時(shí)又整體返回到陸地，這就是碳傳輸?shù)淖C據(jù)。

2.2 冰期陸地有機(jī)碳傳輸?shù)缴詈５臋C(jī)制

2.2.1海水中CO2溶解度增大

首先，是溫度因素，CO2更容易溶解在冷水中。在海水中，海溫每降低1℃，大氣中的CO2減少10ppm。在盛冰期，赤道地區(qū)海表溫度降低2-4℃，高緯地區(qū)溫度降低大約2-3℃。按照海底溫度降低2-3℃來(lái)計(jì)算的話，在冰期大氣CO2濃度會(huì)降低20-30ppm。其次，是鹽度因素，CO2更容易溶解在鹽度較小的海水中，在冰期，海水鹽度增大，不易于CO2的溶解，其中，海洋鹽度每增加1.1‰，這樣會(huì)導(dǎo)致冰期CO2增加11ppm。綜合來(lái)看，溫度因素和鹽度因素共同作用，導(dǎo)致冰期的CO2濃度平均會(huì)下降14ppm。

2.2.2 生物泵作用加強(qiáng)

海洋表層的浮游植物通過(guò)光合作用，把溶解的CO2合成有機(jī)物（CH2O），當(dāng)這些有機(jī)物死后，就會(huì)沉降到海底，這樣就完成了把海表（大氣）的CO2傳輸?shù)胶５椎倪^(guò)程。我們將這種過(guò)程稱之為生物泵。生物泵的強(qiáng)度可利用浮游和底棲有孔蟲(chóng)的δ13C差值去測(cè)量，差值越大，生物泵強(qiáng)度越大。研究表明，對(duì)于世界大多數(shù)海域來(lái)說(shuō)，鐵的不足是海洋生物生產(chǎn)率的一個(gè)重要限制因素，而落入海洋的風(fēng)塵則是海洋補(bǔ)充鐵的主要途徑。當(dāng)冰期來(lái)臨時(shí)，強(qiáng)風(fēng)把干旱-半干旱的物質(zhì)傳送到海岸和海洋中部，使得海洋中的鐵元素增加，海洋生物的生產(chǎn)率提高，生物泵作用加強(qiáng)，大氣中CO2濃度下降。

2.2.3 南極源深海環(huán)流增強(qiáng)

當(dāng)冰期來(lái)臨時(shí)，南極源的深部海水環(huán)流增強(qiáng)。一方面，可提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促使海洋表層浮游生物增多，生物泵增強(qiáng)，有更多的碳沉降在海底。另一方面，海表溶解的CO2濃度與CO3 2-濃度有關(guān)，CO3 2-源自海底溶解的CaCO3，當(dāng)CO3 2-由海洋環(huán)流帶到海表時(shí)，CO3 2-易于溶解的大氣CO2形成HCO3 -.冰期上涌的CO3 2-增多，結(jié)合的大氣CO2就增多，使大氣中CO2濃度下降。

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