冰期—间冰期尺度上的大气CO2浓度变化浅析

陈雨露

摘 要：极地冰芯记录，冰期-间冰期尺度上大气CO2浓度变化与南极温度、全球冰量的变化存在同步性，总体表现为冰期大气CO2浓度较低；间冰期大气CO2浓度较高。冰期-间冰期CO2变化与自然碳库之间的碳循环息息相关，具体表现为冰期大气CO2、陆地有机碳库向深海碳库传输，间冰期反之。

1 冰期-间冰期尺度上CO2的变化特征

1.1冰芯中的CO2记录

在极地冰盖和中高纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终转化成冰，形成一个年层。在由雪转化粒雪在转化成冰的过程中包裹在冰中的气泡里记录着气泡生成时的大气成分，比如C02浓度。其中，1958年以前的大气CO2浓度变化主要依赖于冰芯的记录，而1958年后现代大气CO2浓度变化主要参考夏威夷莫纳罗亚山测得的数据，形成基林曲线。

1.2大气CO2浓度变化特征

根据南极东方站Vostok冰芯和南极Law Dome冰芯记录的40万年来C02浓度变化显示：大气CO2浓度的变化具有10万年的冰期-间冰期旋回；且大气CO2浓度的变化形态呈“锯齿状”；在工业革命以前，大气CO2浓度范围为190-280ppm，工业革命后呈现逐渐增加的趋势，现在上升到400+ppm。

将EPICA Dome C 和 Vostok冰芯记录的80万年来的大气CO2浓度变化，与南极冰（氚/氢的比率）记录的80万年以来的大气温度对照，发现大气CO2浓度变化与大气温度表现出相同的变化过程：温度升高时大气CO2浓度相应较高，温度下降时反之。

对照40万年以来的大气CO2浓度变化和冰量变化，发现大气CO2浓度变化与全球冰量表现出相同的变化过程。当冰量增大时，大气CO2浓度较低（180-190ppm）；当冰量变小时，大气CO2浓度较高（280-300ppm）.这种对应关系说明二者存在一定的因果联系。

以上现象表明南极温度、全球冰量、大气CO2浓度三者的变化具有同步性，可以总结得出：当全球处于冰期时，大气CO2浓度较低；当全球处于间冰期时，大气CO2浓度较高。这就是冰期-间冰期尺度上CO2的变化特征。

2 冰期-间冰期CO2变化的原因

2.1 冰期-间冰期尺度的碳循环

全球主要有三大自然碳库：陆地有机碳库；大气无机碳库；海洋有机无机碳库。

当冰期来临时，陆地植被—土壤碳库量减少。因陆地的植被量减少，碳储量随之减少。

大气、海洋表層水的碳库量减少。由冰芯记录表明：在冰期，大气中的CO2储量会减少，而海洋表层和大气层存在快速的碳交换，如果大气中CO2减少30%的话，海洋表层的碳也会减少相当的量，因此海洋表层水的碳库量也随之减少。深海碳库量增大，在2万年前的盛冰期，大气、陆地上的植被土壤、海洋表层水下降地碳储量沉降在深海中。比如大气中CO2浓度下降了90ppm，1/3的碳储存在深海。因此，冰期大气中减少的CO2主要转移到了深海碳库。

正常情况下，陆地植被的有机碳的δ13C值非常负偏，平均值为-25‰；深海无机碳库的平均δ13C值为0‰。在冰期，δ13C负偏的有机碳从陆地传输到深海，再转化为无机碳，使得海洋无机碳δ13C负偏减小，这时深海δ13C负偏值对应δ180的增大值。在间冰期，碳传输的过程相反，这时深海δ13C正偏值对应δ180的较小值。在两百万年以来，太平洋底栖有孔虫δ13C在冰期整体负偏，而在冰期时又整体返回到陆地，这就是碳传输的证据。

2.2 冰期陆地有机碳传输到深海的机制

2.2.1海水中CO2溶解度增大

首先，是温度因素，CO2更容易溶解在冷水中。在海水中，海温每降低1℃，大气中的CO2减少10ppm。在盛冰期，赤道地区海表温度降低2-4℃，高纬地区温度降低大约2-3℃。按照海底温度降低2-3℃来计算的话，在冰期大气CO2浓度会降低20-30ppm。其次，是盐度因素，CO2更容易溶解在盐度较小的海水中，在冰期，海水盐度增大，不易于CO2的溶解，其中，海洋盐度每增加1.1‰，这样会导致冰期CO2增加11ppm。综合来看，温度因素和盐度因素共同作用，导致冰期的CO2浓度平均会下降14ppm。

2.2.2 生物泵作用加强

海洋表层的浮游植物通过光合作用，把溶解的CO2合成有机物（CH2O），当这些有机物死后，就会沉降到海底，这样就完成了把海表（大气）的CO2传输到海底的过程。我们将这种过程称之为生物泵。生物泵的强度可利用浮游和底栖有孔虫的δ13C差值去测量，差值越大，生物泵强度越大。研究表明，对于世界大多数海域来说，铁的不足是海洋生物生产率的一个重要限制因素，而落入海洋的风尘则是海洋补充铁的主要途径。当冰期来临时，强风把干旱-半干旱的物质传送到海岸和海洋中部，使得海洋中的铁元素增加，海洋生物的生产率提高，生物泵作用加强，大气中CO2浓度下降。

2.2.3 南极源深海环流增强

当冰期来临时，南极源的深部海水环流增强。一方面，可提供更多的营养物质，促使海洋表层浮游生物增多，生物泵增强，有更多的碳沉降在海底。另一方面，海表溶解的CO2浓度与CO3 2-浓度有关，CO3 2-源自海底溶解的CaCO3，当CO3 2-由海洋环流带到海表时，CO3 2-易于溶解的大气CO2形成HCO3 -.冰期上涌的CO3 2-增多，结合的大气CO2就增多，使大气中CO2浓度下降。

参考文献

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