南极绕极流500万年大揭秘！南极“传送带”如何影响地球气候？

地球上最强大的洋流的演变

南极绕极流在全球翻转环流、海洋与大气之间的热量和二氧化碳交换以及南极冰盖的稳定性中发挥着重要作用。一个国际研究小组现在利用从南太平洋采集的沉积物重建了过去 530 万年的流速。他们的数据显示，在冰期，洋流减慢；在间冰期，洋流加速。因此，如果当前的全球变暖在未来加剧，这可能意味着南大洋储存的二氧化碳减少，更多的热量到达南极洲。

是什么推动了地球上所有河流水量的 100 倍，最宽处达 2,000 公里，并一直延伸到深海？那就是南极绕极流 (ACC)。在过去，这个地球上最强大的洋流系统受到很大自然波动的影响。上新世和随后的更新世的较冷阶段，ACC 减缓，与西南极冰盖的推进有关。在较暖的阶段，ACC 加速，同时冰盖消退。冰的消失可以归因于向南的热量输送增加。

ACC 对海洋中的热量分布和 CO ₂储存有重大影响。直到最近，人们仍不清楚 ACC 如何应对气候波动，以及 ACC 的变化是否会抵消或放大变暖的影响。因此，为了使用计算机模拟改进对未来气候和南极冰盖稳定性的预测，我们需要能够告诉我们地球历史上过去温暖阶段 ACC 强度的古数据。

为了收集这些数据，2019 年，由拉米和美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站地球化学家吉塞拉·温克勒教授率领的国际探险队乘坐钻井船 JOIDES Resolution前往中南太平洋。在那里的亚南极地区，研究小组提取了两个大型钻芯，深度为 3600 米。“钻探地点位于尼莫点附近，这是地球上距离任何陆地或岛屿最远的点，ACC 在这里流动，不受大陆的影响，”瓦尔内明德莱布尼茨波罗的海研究所的海洋地质学家、该研究的主要作者之一海尔格·阿兹教授解释说。“利用该地区的沉积物，我们可以重建其过去的平均流速。”

专家们利用岩芯中对应于不同时代的层，分析了沉积物颗粒的大小分布，这些颗粒根据水的流速在海底沉积不同。这使他们能够追踪自上新世早期（当时气候开始长期变冷）以来 ACC 的演变。之前极星号南太平洋航行中采集的沉积物岩芯为 ACC 的动态提供了更多线索。

研究结果表明，在距今三百万年前的上新世，随着地球逐渐冷却，ACC 首次加速。这是由于赤道和南极洲之间的温度梯度不断增大，产生了强大的西风，这是 ACC 的主要驱动力。尽管冷却时间延长，但 ACC 随后开始减缓。“这种转变发生在气候和大气及海洋环流经历重大变化的时候，”弗兰克·拉米说。“270 万年前，在上新世末期，北半球大片地区被冰雪覆盖，南极冰盖扩大。这是由于洋流变化、构造过程引发，以及海洋长期冷却和大气中二氧化碳水平下降。”在过去 80 万年中，大气中的二氧化碳水平从 170 到 300 ppm 不等。

研究人员能够确定 ACC 强度与冰川周期之间存在密切联系：在温暖时期，大气中的二氧化碳水平上升，流速与现在相比增加了 80%；在冰河时期，流速降低了 50%。与此同时，地球化学沉积物分析显示，在间冰期和冰期之间的过渡期间，ACC 的位置发生了变化，因此南大洋富含营养的深层海水也出现了上升。他们表明，硅藻（南大洋中最重要的浮游植物）的硅酸盐壳在冰河时期比在温暖时期沉积在更靠北的海底。研究得出结论，由于人类活动引起的气候变化，ACC 未来可能会变得更强。这可能会影响南大洋的 CO 2平衡，并导致南极冰层融化加速。

简而言之，《Nature》发表的这项研究文主要研究了南极绕极流在过去500万年的强度变化。 这是一项非常重要的研究，因为南极绕极流对全球气候系统有着深远的影响。论文作者通过分析海洋沉积物等地质记录，重建了南极绕极流在不同时期的强度变化，并探讨了这种变化与全球气候变化之间的关系。

参考文献：Frank Lamy, Gisela Winckler, Helge W. Arz, Jesse R. Farmer, Julia Gottschalk, Lester Lembke-Jene, Jennifer L. Middleton, Michèlle van der Does, Ralf Tiedemann, Carlos Alvarez Zarikian, Chandranath Basak, Anieke Brombacher, Levin Dumm, Oliver M. Esper, Lisa C. Herbert, Shinya Iwasaki, Gaston Kreps, Vera J. Lawson, Li Lo, Elisa Malinverno, Alfredo Martinez-Garcia, Elisabeth Michel, Simone Moretti, Christopher M. Moy, Ana Christina Ravelo, Christina R. Riesselman, Mariem Saavedra-Pellitero, Henrik Sadatzki, Inah Seo, Raj K. Singh, Rebecca A. Smith, Alexandre L. Souza, Joseph S. Stoner, Maria Toyos, Igor M. Venancio P. de Oliveira, Sui Wan, Shuzhuang Wu, Xiangyu Zhao. Five million years of Antarctic Circumpolar Current strength variability. Nature, 2024; 627 (8005): 789 DOI: 10.1038/s41586-024-07143-3

一、什么是南极绕极流？它为什么重要？

南极绕极流，也被称为西风漂流或南极环流，是一条围绕南极洲由西向东流动的洋流。它就像一条巨大的“传送带”，将大西洋、印度洋和太平洋连接起来，在全球海洋中扮演着非常重要的角色。

为什么南极绕极流如此重要？南极绕极流起到一个巨大的“隔离带”的作用，将温暖的海水阻挡在南极洲之外，使得南极洲能够保持其巨大的冰盖。如果南极绕极流减弱或改变方向，将会对全球气候产生深远影响，例如海平面上升、极端天气事件增多等。南极绕极流在全球海洋中输送大量的热量、盐分和营养物质，对海洋生态系统的健康发展起着至关重要的作用。南极绕极流与全球深海循环密切相关。深海循环是地球气候系统的重要组成部分，它通过输送热量和盐分，调节全球气候。

南极绕极流对全球气候有什么影响呢？南极绕极流的强度和位置变化会影响全球大气环流，从而改变全球降水分布和温度格局。南极绕极流将温暖的海水从低纬度地区带到高纬度地区，从而调节全球海洋的温度分布。南极绕极流的强度变化会影响海冰的形成和融化，进而影响全球气候系统。

简单来说，南极绕极流就像地球气候系统的一个“发动机”，它对全球气候的稳定起着至关重要的作用。

二、海洋沉积物如何记录气候变化？

海洋沉积物，就像一本厚厚的地球历史书，记录了地球气候变化的点点滴滴。

那么，这些沉积物是如何“记住”气候变化的呢？因为，海洋沉积物中颗粒的大小与当时的气候条件密切相关。例如，冰川融水携带的沉积物颗粒往往较细，而风力搬运的沙粒则相对较粗。通过分析沉积物中不同粒径的比例，可以推断出过去的沉积环境，进而了解气候变化。洋中生活着大量的浮游生物和底栖生物。它们的种类和数量会随着气候变化而发生变化。例如，温暖水域中的浮游生物种类和数量通常比寒冷水域多。通过分析沉积物中的生物遗骸，可以重建过去的海洋环境和气候。沉积物中包含的氧同位素、碳同位素等，可以反映当时的海水温度、盐度和冰量等气候信息。例如，氧同位素的比值可以反映海水的温度变化。沉积物中的化学成分，如钙、镁等元素的含量，也可以反映当时的气候条件。例如，钙的含量可以反映海洋生产力的高低。

为什么通过研究海洋沉积物来研究气候变化呢？那是因为海洋沉积物可以记录数百万年甚至更长的时间尺度上的气候变化。海洋沉积物中包含了丰富的古气候信息，可以多角度、多尺度地重建过去的气候变化。海洋沉积物分布广泛，可以提供全球范围内的气候变化信息。

如何从海洋沉积物中提取气候信息？科学家通过钻探的方式获取深海沉积物岩芯。对岩芯进行一系列的物理、化学和生物学分析，提取其中的气候信息。利用数学模型，将提取到的气候信息转化为可视化的气候变化记录。

海洋沉积物是研究古气候变化的重要载体。通过对海洋沉积物的分析，科学家们可以重建过去的气候变化过程，了解气候系统的变化规律，为我们预测未来气候变化提供重要的科学依据。

三、这项研究为什么重要？

这项研究通过分析南极绕极流在过去500万年的强度变化，为我们深入了解地球气候系统提供了宝贵的新见解。这项研究将研究的时间尺度扩展到了500万年，而以往的研究往往集中在较短的时间尺度上，如末次冰期或全新世。更长的时间尺度使得研究者能够更好地了解南极绕极流在长期气候变化中的作用，以及它与其他气候要素之间的关系。

这项研究揭示了南极绕极流强度变化与全球冰量、大气CO2浓度等之间的密切联系，为我们理解气候变化的驱动机制提供了新的线索。发现南极绕极流强度变化与南大洋配置的改变存在密切关系，这为我们深入理解南极绕极流的动力学机制提供了新的视角。首次在如此长的时间尺度上，系统地研究了南极绕极流强度变化与全球气候变化的关系，为我们预测未来气候变化提供了重要的科学依据。

总之，这项研究通过长时序、高分辨率的数据分析，以及多学科交叉的方法，对南极绕极流强度变化进行了深入的研究，填补了以往研究的空白，为我们理解地球气候系统提供了新的见解。它不仅丰富了我们对地球气候系统的认识，而且为我们应对未来气候变化提供了重要的科学基础。

四、思考

南极绕极流强度变化与全球气候变化之间的因果关系是什么？ 是南极绕极流的变化驱动了全球气候变化，还是全球气候变化驱动了南极绕极流的变化？或者两者之间存在相互作用？南大洋配置的变化如何影响南极绕极流的强度？ 南大洋不同海盆之间的热量交换和环流模式如何影响南极绕极流的强度？大气环流如何影响南极绕极流的强度？ 高纬度大气环流、低纬度大气环流以及南北半球之间的大气桥梁如何影响南极绕极流的强度？

南极绕极流强度变化对全球海洋环流和热量输送有何影响？ 南极绕极流强度变化如何影响大西洋翻转环流、印度洋环流和太平洋环流？这些环流的变化又如何影响全球气候？南极绕极流强度变化对全球碳循环有何影响？ 南极绕极流强度变化如何影响海洋碳的吸收和释放？这些变化又如何影响大气中的温室气体浓度？南极绕极流强度变化对极地气候和海冰变化有何影响？ 南极绕极流强度变化如何影响南极冰盖的稳定性和海冰的面积和厚度？这些变化又如何影响全球气候系统？

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