北極海洋如何在5600萬年前加劇全球變暖

近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所與國際合作團隊研究發(fā)現(xiàn)，在5600萬年前的極熱事件（古新世-始新世極熱事件，PETM）中，海水硫酸鹽濃度是控制甲烷氧化路徑的關(guān)鍵“化學(xué)開關(guān)”，進而影響全球氣候變暖和海水酸化，相關(guān)機制對認(rèn)識地質(zhì)歷史時期的碳循環(huán)突變及現(xiàn)代北極快速變暖、淡化背景下的潛在溫室氣體排放風(fēng)險具有重要預(yù)警意義。相關(guān)研究成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表。

 

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，而大量的甲烷以水合物“可燃冰”的形式儲藏在海底?，F(xiàn)代海洋中，約90%的甲烷會被沉積物中的微生物在無氧條件下利用，這個過程就像一個“慢燃發(fā)電廠”，以硫酸鹽作為“燃料”，高效轉(zhuǎn)化甲烷能源，同時產(chǎn)生堿性物質(zhì)，緩解海洋酸化。然而，在PETM時期，北極海水硫酸鹽濃度不到現(xiàn)代的三分之一。

 

項目負(fù)責(zé)人張一歌研究員解釋：“因為硫酸鹽嚴(yán)重不足，就像燃料短缺一樣，發(fā)電廠無法正常工作，甲烷只能進入海水。這時，另一類喜歡氧氣的細(xì)菌開始‘快速燃燒’甲烷，它們直接消耗氧氣，釋放二氧化碳，就像高溫燃燒釋放大量廢氣一樣。”

 

研究團隊成功“復(fù)原”了5600萬年前的甲烷氧化過程，并發(fā)現(xiàn)在PETM事件后期，進行“快速燃燒”的甲烷分解細(xì)菌活動顯著增強并達到高峰。“因為海水變淡、硫酸鹽減少，甲烷只能通過‘快速燃燒’的方式分解，直接制造了大量二氧化碳。”論文合作作者沈佳恒研究員表示，“這從根本上改變了北極在全球碳循環(huán)中的角色，變成溫室氣體排放源。”

 

研究進一步揭示，地質(zhì)活動，如地殼運動和巖石形成、大陸風(fēng)化、火山噴發(fā)等，會直接影響海洋硫酸鹽含量，進而決定了甲烷分解的方式。“這就像地球系統(tǒng)過程控制著海洋的‘燃料供應(yīng)系統(tǒng)’，進而影響甲烷能源的利用方式和整個氣候系統(tǒng)。”張一歌強調(diào)，該研究提醒人們：當(dāng)北極海水變淡、化學(xué)環(huán)境改變時，可能重演5600萬年前的故事——甲烷從高效利用轉(zhuǎn)向快速燃燒，需要密切關(guān)注這一區(qū)域的變化。