大约12000年前，末次冰期结束，全球气温上升，全新世早期开始，人类社会在此期间逐渐定居下来。今天发表在《自然地球科学》杂志上的一项新研究表明，环绕南极洲的南大洋在这一转变过程中发挥了重要作用。

由青岛崂山实验室的黄煌博士领导，并有GEOMAR地球化学家Marcus Gutjahr博士参与，该团队重建了过去32000年南大洋中南极底层水（AABW）的空间范围。

“我们想了解南极底层水（全球海洋中最冷、密度最大的水团）的影响在上次冰期消退期间发生了怎样的变化，以及它在全球碳循环中发挥了什么作用，”黄说。他于 2019 年在上海地球科学研究院海洋与大气科学学院 (GEOMAR) 获得博士学位，目前在中国青岛担任科学家。

沉积物岩芯揭示了深水团的起源

为了实现这一目标，研究人员分析了来自南大洋大西洋和印度洋海域的九个沉积物岩芯。这些岩芯取自2200米至5000米深的海域，且采集地点分布广泛。通过分析沉积物中微量金属钕的同位素组成（钕来源于周围海水），研究人员得以重建数万年来南极底层水的范围。

“海水中溶解的钕及其同位素特征是深层水团起源的绝佳指标，”马库斯·古特贾尔博士解释道。“在早期的研究中，我们注意到南大西洋深处的钕特征直到大约12000年前才达到如今的组成。然而，末次冰期沉积物中的钕含量却与当今南大洋的钕含量截然不同。起初，我们认为可能是方法有缺陷，或者沉积物岩芯有问题。但真正的问题是：是什么因素产生了这种信号？这种特殊的同位素特征只有在深层水长时间保持几乎静止状态时才会形成。在这种情况下，底栖通量——来自海底的化学物质输入——主导了海洋沉积物的同位素特征。”

扩张的两个阶段及其在释放二氧化碳中的作用

在上一次冰河时期，如今环绕南极洲形成的极冷、高密度深层海水大幅退缩。取而代之的是，南大洋深层的大部分区域被源自太平洋的富含碳的水团所填充——这是如今环极深层水（CDW）的冰河时期前身。研究中将环极深层水描述为富含碳，是因为它在深海中长期循环，且通风条件有限。因此，更多的溶解碳储存在海洋中，从而维持了大气中二氧化碳浓度的低位。

大约在18000至10000年前，随着地球变暖和冰盖融化，南极底层水的体积经历了两个截然不同的膨胀阶段。这两个阶段与已知的南极变暖事件相吻合。随着南大洋垂直混合的增强，储存在深海中的碳得以返回大气层。

“南极底层水的扩张与多种过程有关，”古特贾尔解释说。“南极洲周围的气候变暖导致海冰覆盖面积减少，使得更多融水流入南大洋。在这一气候过渡时期形成的南极底层水由于盐度降低，密度也较低。这种晚冰期形成的南极底层水得以进一步扩散到南大洋，破坏了现有的水团结构，并增强了深层水和表层水之间的交换。”

此前，许多研究都认为北大西洋的变化，包括北大西洋深层水（NADW）的形成，是南大西洋深层水环流转变的主要驱动因素。然而，新的数据表明，北方的影响比之前认为的要有限。相反，新形成的南极底层水取代了富含碳的冰川深层水团，这被认为在末次冰期末期大气二氧化碳浓度的上升中发挥了核心作用。

南大洋热量储存和南极冰盖损失

“与过去进行比较总是不完美的，”古特贾尔说，“但归根结底，这取决于系统中有多少能量。如果我们了解海洋过去是如何应对变暖的，我们就能更好地理解如今南极冰架持续融化的情况。”

仅凭其庞大的体积，南大洋就对地球气候的调节起着至关重要的作用。过去五十年间，南极洲周围约1000米以下的深海区域升温速度明显快于全球其他大部分海洋区域。为了解这些变化如何影响海洋吸收和释放二氧化碳的能力，必须对物理和生物地球化学过程进行长期监测，并将其纳入气候模型。

“我想真正了解现代海洋，以便解读来自过去的信号，”古特贾尔说。“如果我们能够追踪南极底层水在过去几千年里的变化，我们就能更准确地评估南极冰盖未来可能继续消融的速度。”

从沉积物岩芯中获得的古气候数据对于此至关重要，它提供了对过去比现在更温暖的气候的深入了解，并有助于改进对未来气候变化的预测。