南极水域深处储存的碳促使上一个冰期结束
众所周知，大气中的碳正在导致全球变暖。至少在科学界之外，人们较少了解的是海洋在其中发挥的作用。海洋所含的碳是大气的60倍，而且释放速度足够快时，足以引发气候的剧烈变化。事实上，正如我们在发表于 《自然》的研究中所述，海洋释放的二氧化碳促成了上一个冰期的结束。
曾有超过5000万立方公里的冰覆盖北美和斯堪的纳维亚半岛。约在19,000至10,000年前，这些冰融化消退，释放的水量足以使海平面上升约130米。此前，二氧化碳浓度在上一个冰期至当前间冰期之间上升了约50%，从百万分之180升至百万分之280。要解释如此显著的上升，我们必须把目光投向海洋。
长期以来，科学家一直认为，大西洋、印度洋和太平洋的南部海域——这一地区称为南大洋——可能是解释大气二氧化碳浓度上升的关键。
这一地区有大量富含碳的深层海水涌至海面。然而，表层水中某些营养物质（例如铁）的浓度较低，限制了浮游生物的代谢，使它们无法充分消耗被带到海洋表层的全部碳，结果二氧化碳便“逸散”到大气中。
我们想评估在上一个退冰期，海洋是否促成了大气二氧化碳浓度上升，因此，考察当今海洋与大气之间碳交换的重要区域是合理的：南大洋的大西洋区，以及东赤道太平洋——另一个深冷海水涌升至海面的区域。
但我们如何回溯过去，确认这些区域是否曾是大气二氧化碳的来源？答案埋藏在海面下数千米处。
诸如 “乔伊德斯·决心号” 这样的科考船能够钻探海床，提取长段沉积物岩芯，其中记录着海洋的历史。沉积物中包含各种物质，其中包括曾生活在海洋上层、名为有孔虫的微小生物化石。这些生物会形成白垩质外壳，它们所生活的水域会影响外壳的化学组成。
死亡后，这些外壳沉至海底并在那里累积。我们分析了沉积物岩芯，查找在特定关注时期生活过的有孔虫外壳中硼元素的同位素组成。硼能告诉我们水体的酸碱度（pH），进而反映碳含量：水中的二氧化碳浓度越高，水体酸性越强（pH越低），反之亦然。
我们发现了关联。上一个冰期的冰川正在融化、大气二氧化碳浓度不断上升时，南大洋和东赤道太平洋的表层水也更为酸性。这表明二氧化碳浓度上升，且远高于大气中的浓度。
这是我们研究的关键发现：在上一个退冰期的若干关键阶段，海洋是大气二氧化碳的来源，这解释了二氧化碳浓度的大幅上升。
这些碳来自哪里？
这是接下来显而易见的问题。此前的 研究 发现，与今天相比，上一个冰期海洋与大气之间的碳交换少得多，主要是因为当时南大洋存在强烈的分层，深层海水很少到达海面。由于海洋表层产生的有机物质衰变并被输送至深海，营养物质和二氧化碳在南大洋深处不断积聚。
退冰期间，深层海洋与上层海洋之间有效的交流得以恢复，这一碳“储库”中的碳随之泄漏到大气中。
自工业革命开始以来，海洋估计已吸收1550亿吨碳，约占人类排放总量的30%。目前大气中的二氧化碳浓度约为百万分之400；自上新世（约 300万年前）以来，地球上从未出现过如此高的浓度，而且在此后冰川反复进退的时期中，浓度上升的速度也前所未有。
人类正在地球上开展一项大规模实验，其后果已显现为大气和海洋温度升高、海平面上升以及海洋酸化等。未来海洋将如何吸收二氧化碳仍不得而知，但像我们这样的研究有助于加深对海洋如何在数千年尺度上储存和释放碳的认识，而这些时间尺度远超仪器观测记录所能覆盖的范围。
本文由我们与 The Conversation合作发表。本文发表并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Miguel Martinez-Boti 是南安普敦大学国家海洋学中心的访问研究员。Gianluca Marino 是澳大利亚国立大学海洋与气候变化研究员。
图片：南半球冬季期间，阿根廷南部圣克鲁斯省巴塔哥尼亚地区埃尔卡拉法特市附近，佩里托莫雷诺冰川一侧的冰块在一次意外断裂过程中剥落。路透社/Andres Forza
