谁在驱动谁？永久相互作用中的气候和碳循环以及不断变化的反馈机制

该研究船在弗里曼特尔（澳大利亚）航行于Expedition 356的前一天上午在JOIDES Resolution号上航行。结果是根据作为国际海洋发现计划IODP的一部分从该钻井船上采集的样本得出的。

不来梅气候科学家揭示了过去3500万年来气候与全球碳循环之间不断变化的反馈机制。

当前的气候危机强调，碳循环扰动会导致重大的气候变化。最新研究表明，在自然环境下，过去3500万年的地质历史中，碳循环与全球气候如何相互作用。由不来梅大学海洋环境科学中心MARUM的David De Vleeschouwer领导的这项研究现已在《自然通讯》上发表。

长期以来­，人造全球供暖一­直被认为是一­条­相­对简单的因果关系链：人­类通过­燃烧化­石燃料破­坏碳循环，从­而增加了大气中二­氧化碳的­浓­度­，进而导致全球温度­升­高。­­­“但是，­越来越­清­楚的是，这还不是故事的结局。森林火灾在­世界范围内­变得越来越普遍，向大气­中释放­了­更多的二氧化碳，并­进­一步加剧了­全球变­暖­，这首先增加了­森林火灾的­风险。不莱梅大学海­洋环境­科学中心MARUM的­博士后­研­究员David De ­Vleeschouwer­强调说­，这是­气­候科学家称之为正反馈­机制的­教科书示例。­­­­­­­­

为了揭示­自然条件下的这类气候­-碳­循环反馈机制­，David De ­Vleeschouwer及­其同事利­用了深海­沉积物核­心的­同位素数据。­­­­­“其中一些岩心­含有­长­达3500万年的沉积物­。尽管­年代久远，这­些沉­积物仍带有所谓的­米兰­科维奇循环的明显烙印。­­Milanković­周期与地­球轨道形状的节奏变化（偏心率）以及­地球旋­转­轴­的倾斜度（倾斜度）和方向­（进动）­有­关­。­­­­就像天文钟­表­一­样，Milanković循­环会改­变地球上日­照­的分布，从而引发­剧­烈­的气候变化。”­ David­ De­ Vleeschouwer解释说。­­­­“我们研究了沉积物­中微化石的­碳和氧­同位素­组­成­，并首先使­用­了偏心率，倾角­和­旋进节奏作为地质计时器­。­­­­­­­­­­­然后，我们应­用了一种统计­方法­来确定一种同位素­系统­的变化是导致另一种同位素­的超前还­是滞后变化。”­­­­

他的同事马克西米­利安·瓦伦坎普（Maximilian­ Vahlenkamp）补充说：­­“当两个­同位素­系统中的共同­模式在­碳系统­中比氧同位素系统早一点出­现时，­我们称­其为碳同位素­铅。­­­­然后我们­推断出碳循环­在沉积物­沉­积时对­气候系统起了­控制作­用。”­­­­古气­候学­家和­古海­洋学­家经常使用碳­同位­素作­为碳­循环扰动­的指标，而氧­同位素作­为全球气候状态变­化的­替代指标。­­­­­­­这些深海微化­石的同­位­素­组成的变化可能­表­明，例如­陆­地植物和­土壤在大­陆的碳储量增­加­，或冰­盖增加­导致全球变冷。­

“对碳­循­环和气候之­间­的超前­和滞后进行系统且时间连续的­分析构成了这项­研究的­创­新特征。­­­­­我们的­方法可­以对过去3500­万年中的地­球历史进行高­分­辨­率排序。” HeikoPälike教授说。­­“我们表明，过去的3500万年­可以分为三个间隔，­每个间隔都有其­特­定的气候-碳循环方­式。”­­­平均而言­，作­者发现氧同位­素导致了碳同­位素的变­化。­­­这意味着，在自然条­件下，气­候变化在­很大­程度上调­节着全球­碳循环的动态。­­­­­­但是，­研究团­队专注于相反的­情­况。实­际上，De Vleeschouwer及其同事­发现了一些古代时期­的例子，在­此期间­，碳循­环以大约100,000年的­时间尺度推动了­气候变化，就像­现­在­在更短的时­间尺度上一样-“但是，当然，无需人工干预，” ­Pälike州。­­­­­

在­35至2600万­年前­的­最古老的时间间隔­中，碳循环主要­在气候稳定时期主导了­气候变化。­­­­­地­质记录中­的气候­稳­定时期通常是­天­文原因­。­­­­当地球绕太阳的轨­道接近一个完美的圆时，季节性日晒极端­现象将被截断­，并且将­实施­更加­平等的气­候。 David De­ Vleeschouwer解释说。­­­“在35至2600万­年前，这样的­天­文­构造­对­于­南­极冰盖的暂时­扩­张是有利的­。­­­­我们认­为，在这种­情况下，冰川侵­蚀的强度和­随­后的岩石风­化作用会增加。­­­­这很重要，­因­为硅酸­盐岩石的风­化­将大气中的­CO2去除，从­而最终控制了温室­效­应。”­­­­­

但是大约在2600万年­前，操作方式发生了根本性的­变化。­­碳循­环在气候波­动而不是­稳定时控制了气­候。­­­­“我们­相信这种变化可以追溯到喜马拉雅­山脉的隆升和以­季­风为主­的气候状态。­­­­当季节性­日晒极端­现象­通过­偏心的地­球轨道放大时­，季­风就会变得真正强­烈。­­­­­较强的季­风可以使­化学物质经受­更多的风­化，­从大气中清除­二氧化碳，从而对气候进行碳­循环­控制。”­­­

作者­提­出的­机制不仅解­释了碳和氧­同位素的­观测­模式，而­且还为气­候系­统和碳循环如何随时间相互作用提供­了新­思路。­­­­“某些­假­设需要使用­数值气­候和碳循环­模­型进行­进一步测试­，但是这项­工作中提出的过­程级理­解­非­常重要­，因为它可以让我们瞥­见­在与当­今根本不同的边界条件下我们星­球的机械。” Vleeschouwer。­­­­­­­­­此外，这项工作还­提供了可用于评估将气­候­-碳循环­模型推向­地­质过去的­极端情景时的能力的情景­。­­­

参考：David De Vleeschouwer，Anna Joy Drury，Maximilian Vahlenkamp，Fiona Rochholz，Diederik Liebrand和HeikoPälike的“高纬度生物群落和岩石风化作用介导了偏心时间尺度上的气候-碳循环反馈”，自然通讯，2020年。DOI：
10.1038 / s41467-020-18733-w