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變化與自然碳庫之間的碳循環息息相關，具體表現為冰期大氣CO2、陸地有機碳庫向深海碳庫傳輸，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，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉化成冰，形成一個年層。在由雪轉化粒雪在轉化成冰的過程中包裹在冰中的氣泡里記錄著氣泡生成時的大氣成分，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年后現代大氣CO2濃度變化主要參考夏威夷莫納羅亞山測得的數據，形成基林曲線。

1.2大氣CO2濃度變化特征

根據南極東方站Vostok冰芯和南極Law Dome冰芯記錄的40萬年來C02濃度變化顯示：大氣CO2濃度的變化具有10萬年的冰期-間冰期旋回；且大氣CO2濃度的變化形態呈“鋸齒狀”；在工業革命以前，大氣CO2濃度范圍為190-280ppm，工業革命后呈現逐漸增加的趨勢，現在上升到400+ppm。

將EPICA Dome C 和 Vostok冰芯記錄的80萬年來的大氣CO2濃度變化，與南極冰（氚/氫的比率）記錄的80萬年以來的大氣溫度對照，發現大氣CO2濃度變化與大氣溫度表現出相同的變化過程：溫度升高時大氣CO2濃度相應較高，溫度下降時反之。

對照40萬年以來的大氣CO2濃度變化和冰量變化，發現大氣CO2濃度變化與全球冰量表現出相同的變化過程。當冰量增大時，大氣CO2濃度較低（180-190ppm）；當冰量變小時，大氣CO2濃度較高（280-300ppm）.這種對應關系說明二者存在一定的因果聯系。

以上現象表明南極溫度、全球冰量、大氣CO2濃度三者的變化具有同步性，可以總結得出：當全球處于冰期時，大氣CO2濃度較低；當全球處于間冰期時，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

全球主要有三大自然碳庫：陸地有機碳庫；大氣無機碳庫；海洋有機無機碳庫。

當冰期來臨時，陸地植被—土壤碳庫量減少。因陸地的植被量減少，碳儲量隨之減少。

大氣、海洋表層水的碳庫量減少。由冰芯記錄表明：在冰期，大氣中的CO2儲量會減少，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，海洋表層的碳也會減少相當的量，因此海洋表層水的碳庫量也隨之減少。深海碳庫量增大，在2萬年前的盛冰期，大氣、陸地上的植被土壤、海洋表層水下降地碳儲量沉降在深海中。比如大氣中CO2濃度下降了90ppm，1/3的碳儲存在深海。因此，冰期大氣中減少的CO2主要轉移到了深海碳庫。

正常情況下，陸地植被的有機碳的δ13C值非常負偏，平均值為-25‰；深海無機碳庫的平均δ13C值為0‰。在冰期，δ13C負偏的有機碳從陸地傳輸到深海，再轉化為無機碳，使得海洋無機碳δ13C負偏減小，這時深海δ13C負偏值對應δ180的增大值。在間冰期，碳傳輸的過程相反，這時深海δ13C正偏值對應δ180的較小值。在兩百萬年以來，太平洋底棲有孔蟲δ13C在冰期整體負偏，而在冰期時又整體返回到陸地，這就是碳傳輸的證據。

2.2 冰期陸地有機碳傳輸到深海的機制

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，赤道地區海表溫度降低2-4℃，高緯地區溫度降低大約2-3℃。按照海底溫度降低2-3℃來計算的話，在冰期大氣CO2濃度會降低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‰，這樣會導致冰期CO2增加11ppm。綜合來看，溫度因素和鹽度因素共同作用，導致冰期的CO2濃度平均會下降14ppm。

2.2.2 生物泵作用加強

海洋表層的浮游植物通過光合作用，把溶解的CO2合成有機物（CH2O），當這些有機物死后，就會沉降到海底，這樣就完成了把海表（大氣）的CO2傳輸到海底的過程。我們將這種過程稱之為生物泵。生物泵的強度可利用浮游和底棲有孔蟲的δ13C差值去測量，差值越大，生物泵強度越大。研究表明，對于世界大多數海域來說，鐵的不足是海洋生物生產率的一個重要限制因素，而落入海洋的風塵則是海洋補充鐵的主要途徑。當冰期來臨時，強風把干旱-半干旱的物質傳送到海岸和海洋中部，使得海洋中的鐵元素增加，海洋生物的生產率提高，生物泵作用加強，大氣中CO2濃度下降。

2.2.3 南極源深海環流增強

當冰期來臨時，南極源的深部海水環流增強。一方面，可提供更多的營養物質，促使海洋表層浮游生物增多，生物泵增強，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，CO3 2-源自海底溶解的CaCO3，當CO3 2-由海洋環流帶到海表時，CO3 2-易于溶解的大氣CO2形成HCO3 -.冰期上涌的CO3 2-增多，結合的大氣CO2就增多，使大氣中CO2濃度下降。

參考文獻

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