The residence time of Southern Ocean surface waters and the 100,000-year ice age cycle (Science, 8 March, 2019, vol 363, issue 6431)

    在本期《科学》杂志中，瑞士苏黎世理工大学的Adam P. Hasenfratz教授联合多个科研机构，报道了过去1.5 Ma以来冰期时南大洋深海钻孔有孔虫的氧同位素记录，并分析提取出南大洋表层水滞留时间增加与盐跃层强化等信息，从而抑制了南极区域表层海水对由轨道参数驱动的海水对CO₂的释放，这可能对中更新世冰期进一步加强、旋回周期变长有所贡献(即旋回周期由4万年为主转变为以10万年为主)。作者认为，在假定其他气候要素基本稳定的前提下，南大洋深层海水向表层水流动量的增加会导致海水滞留时间的变短，从而利于南大洋对大气CO₂的释放，这些过程将对应着表层海水的氧同位素值升高(变重)。反之，如深层注入表层的水量减少会导致表层海水滞留时间的增加，这时将能够观测到表层水与深层水之间氧同位素组成的差异化，因此作者建立起底—表海水氧同位素差异与滞留间 (底—表流动性或盐跃层的强度)之间的逻辑关系。

    研究区域位于南大洋靠近南极洲的海域，钻孔岩芯取自大洋钻探计划(Ocean Drilling Project) 1094号钻孔 (53.2°S, 05.1°E, 2807 m水深)。研究人员分析了底栖与浮游有孔虫(benthic and planktonic foraminiferal) 的方解石氧同位素组成(δ¹⁸O_C) 与Mg/Ca的元素含量比值(图1)。图1A中，深海与浮游有孔虫氧同位素均有清晰的周期变化，对应于多个冰期/间冰期旋回，并且两者呈现出高度步调一致的现象，作者认为这是由于不论浮游或底栖有孔虫，其氧同位素都主要来源于海水的氧同位素组成，因此虽经过多个冰期/间冰期的变化，但两者基本步调一致。由于Mg/Ca比值可以反演古海洋的温度，而氧同位素则受到温度、盐度、全球冰量、水源(降水、冰水与海水)等多个作用影响，因此作者首先利用Mg/Ca比值重建了过去1.5 Ma以来研究区域的海水温度(图1B)，可见表层海水温度有一个逐步下降的长期趋势，与南极冰芯记录的最近的多个旋回基本吻合，但600 ka之前，两者差异显著，即表层海水温度由2 °C降至冰点附近(红色线)，但南极冰芯重建的气温基本稳定(蓝色线)。随后作者利用Mg/Ca重建的海水温度值将方解石氧同位素组成(δ¹⁸O_C) 中受到温度影响的部分予以计算扣除，进而获得了重建的古海水氧同位素组成(δ¹⁸O_w) (图1D)。