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150 萬年前大氣二氧化碳含量遠遜預期 疑與冰期周期變每 10 萬年出現有關

2019/10/31 — 12:26

經過兩年時間,古氣候學家終於完成分析迄今最古老、有 270 萬年歷史的南極冰芯樣本。在刊於《自然》的報告中,團隊指冰芯有意外發現: 150 萬年前的氣泡二氧化碳 (CO2) 含量遠低於預期水平,可能是冰期出現變化的線索。過去,學界曾發現地球冰期周期在此年代後突然翻倍。

無參與研究的德州農工大學古氣候學家張一歌指,報告顯示的 CO2 低得驚人,而這亦是首度有團隊直接測量該神秘時期的大氣 CO2 含量。

約 260 萬年前,地球進入更新世 (Pleistocene) ,令地球固定地每 4 萬年間進入冰期或從中消退。不過,到約 100 萬年前的中更新世過渡期 (Mid-Pleistocene transition) ,冰期的周期卻從每 4 萬年增至 10 萬年。科學家一直知道冰期出現與否,是由地球軌道微小變化造成的米蘭科維奇循環 (Milankovitch cycles) 影響。然而, 100 萬年前地球軌道模式無任何變化觸發到這氣候轉變。

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有些學者曾懷疑,「4 萬年冰期周期」的時代大氣整體有較高的 CO2 ,但隨時間變少並令地球冷化,最終地球過渡至每 10 萬年進入冰期的時代。要驗證假說,其中一個方法是採集過渡期前後的大氣樣本,但在鑽探到該南極冰芯前,學者只能從冰的氣泡中找到 80 萬年前的 CO2

為了找尋更古老的樣本,有團隊就從南極山阿倫山 (Allan Hills) 尋找稱為「藍冰」的古老冰樣本。當地古老冰層會從下方被推動,風會將雪和較年輕的冰帶走。緬因大學冰川學家 Paul Mayewski 懷疑這些冰都可能歷史久遠,因此聯同其他學者開發方法,直接從冰芯的氬和鉀含量鑑定其年份。在 2015 年,普林斯頓大學地球化學家 John Higgins 領導的團隊挖掘了該個迄今最古老的南極冰芯樣本。

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領導是次研究的普林斯頓大學地球化學家顏余真指,起初樣本似乎含有驚人的 CO2 ,是現今天大氣含量 407ppm 的幾倍。然而,進一步分析顯示,冰芯氣泡被滲透進冰內的 CO2 所污染,這些 CO2 很可能由冰下存活的微生物釋放出,因此團隊不得不從樣本中篩檢雜訊。

當團隊研究 150 萬年前的 CO2 水平時,他們發現水平與冰期周期轉變後的世界非常相似,大氣 CO2 含量在 204–289ppm 之間波動,視乎是否已進入冰期。顏余真對發現表示意外,因為廣泛證據表明在更新世早期,即冰期周期變長前,全球正在暖化;不少人有根據地推測當時大氣 CO2 含量增加,但我們看到的並非這樣。

另一無參與研究的俄勒岡州立大學科冰川學家 Peter Clark 指,除了 CO2 以外的其他因素也可能導致全球冷化,其中一個原因可能是北半球累積的冰,這些冰會將陽光反射回太空冷卻大氣。

現時亦有其他原因解釋情況,例如當地球過渡至每 10 萬年出現一次冰期時,與以前類似事件相比,當時大氣 CO2 下跌平均少 24ppm ,顯示地球對 CO2 非常敏感,並且可能由於微少破壞而引發變化,這些破壞可能與海洋碳匯有關

鑑於冰芯量少的局限性,現時未能平息冰期過渡期的爭拗,但其數據幫助校准其他古 CO2 的間接測量方法,例如從單細胞有孔蟲門化石同位素變化推斷大氣 CO2 含量。

團隊亦無停止尋找藍冰。下個月,由 Higgins 領導的團隊將抵達南極洲搜索更多樣本。

來源:
Science, World’s oldest ice core could solve mystery of ‘flipped’ ice age cycles, 30 October 2019

報告:
Yan, Y., Bender, M.L., Brook, E.J. & et al. (2019). Two-million-year-old snapshots of atmospheric gases from Antarctic ice. Nature 574, 663–666 (2019). doi:10.1038/s41586-019-1692-3

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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