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【导读】近期发表在《自然-地球科学》杂志上的一项研究表明，地球轨道的变化，特别是地球自转轴倾斜度的变化，对过去五十万年中大气二氧化碳浓度的百年尺度波动起着至关重要的作用。研究人员通过分析南极冰芯记录，并结合地球系统模型模拟，揭示了这一重要联系，为理解自然气候变化机制提供了新的见解。地球气候系统一直在经历着各种时间尺度的变化，其中包括持续数十年到数百年的百年尺度波动。理解这些波动背后的驱动机制，对于预测未来气候变化趋势至关重要。大气CO2浓度是影响地球气候的关键因素之一。过去的研究表明，在过去百万年中，地球经历了多次冰期-间冰期循环，期间大气CO2浓度呈现出显著的波动。其中，在冰消期、冰期和间冰期都观测到了大气CO2浓度的百年尺度快速上升现象，被称为“二氧化碳跃迁”。以往的研究已经确定了一些“二氧化碳跃迁”事件，并将其与北半球的Heinrich事件（Heinrich events, HE）和Dansgaard-Oeschger事件（Dansgaard-Oeschger events, DO）等气候突变联系起来。Heinrich事件是指北大西洋冰盖的周期性崩塌，导致大量冰山漂浮到北大西洋，进而影响全球气候。Dansgaard-Oeschger事件则是指格陵兰冰芯记录中发现的一种快速气候波动，表现为气温的突然升高。然而，由于已识别的“二氧化碳跃迁”事件数量有限，科学家们一直难以深入研究轨道尺度因素对全球碳循环不同组成部分的影响，以及这些因素如何导致大气CO2的快速释放。为了进一步探究百年尺度碳循环变化的机制，本研究团队分析了南极EPICA Dome C冰芯（EPICA Dome C ice core, EDC）记录，并重建了过去26万年至19万年中大气CO2浓度的变化历史。冰芯是记录地球气候历史的天然档案。随着时间的推移，降雪会逐渐堆积并压缩成冰，并将当时大气中的气体和微粒封存其中。通过分析冰芯中不同深度的气体和微粒，科学家们可以重建过去大气成分和气候条件的变化。图1 冰芯大气CO2记录的时间分辨率在过去500 ka内有所提高本研究团队使用了一种称为“干提取-气相色谱法”（dry-extraction gas chromatography）的技术，对EDC冰芯样品进行了高精度的大气CO2浓度测量。除了冰芯分析，研究人员还利用一个名为LOVECLIM的地球系统模型，模拟了过去4.9万年中不同轨道条件下，北大西洋淡水注入事件对大气CO2浓度的影响。图2 与高分辨率冰芯二氧化碳记录相关的三个时期大气二氧化碳百年释放的气候和地球倾角状态
地球系统模型是模拟地球气候系统各个组成部分（如大气、海洋、冰雪圈、生物圈等）之间相互作用的计算机程序。通过改变模型中的不同参数，科学家们可以模拟不同情景下地球气候系统的演变。在本研究中，研究人员模拟了两种不同的轨道条件：高倾斜度和低倾斜度。模拟结果显示，在高倾斜度条件下，北大西洋淡水注入事件会导致大气CO2浓度出现更大幅度的上升。通过分析更新后的EDC冰芯记录和其他已发表的高分辨率大气CO2记录，研究人员确定了过去50万年中发生了22次“二氧化碳跃迁”事件，其中18次发生在地球自转轴倾斜度较高的时候。统计分析结果表明，“二氧化碳跃迁”事件的发生与地球自转轴倾斜度之间存在显著的关联性，而与其他轨道参数（如岁差和偏心率）以及全球冰量没有显著关联。图4 淡水强迫和倾角状态对气候条件和陆地碳储量的模拟影响模型模拟结果进一步表明，在高倾斜度时期，由于北半球高纬度地区夏季太阳辐射增强，陆地生物圈的碳储量增加。当发生类似HE事件的气候突变，导致北大西洋经向翻转环流减弱或关闭时，北半球的气温会下降，降水也会减少，进而导致陆地生态系统释放CO2到大气中，从而引发“二氧化碳跃迁”事件。研究结果表明，地球轨道的变化，特别是地球自转轴倾斜度的变化，可以通过影响陆地生物圈的碳储量，进而调节百年尺度碳循环对北半球气候突变的响应。在未来几百年到几千年内，如果北大西洋经向翻转环流因为人为气候变化的影响而减弱，那么当前较高的地球自转轴倾斜度可能会加剧陆地生态系统向大气中释放CO2，从而进一步加剧全球变暖。该研究揭示了地球轨道变化对百年尺度碳循环的显著影响，为理解自然气候变化机制提供了新的见解，对于评估未来气候变化风险和制定相应的减缓和适应策略具有重要意义。参考文献：Legrain, E., Capron, E., Menviel, L. et al. Centennial-scale variations in the carbon cycle enhanced by high obliquity. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01556-5
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