我们的星球给科学家们提出了一个令人费解的谜题――这个谜题与既定的气候理论相矛盾，并对未来产生巨大的影响。
在冰河期之间，地球每 10 万年升温降温一次。[i]间冰期是冰河期之间冰川退缩和海平面上升的温暖时期，持续约 1 万至 2 万年。
Antarctic temperatures for the past 800,000 years, Courtesy of Matthew Harris [ii]
我们目前生活在一个被称为全新世的间冰期，地球从上一个冰河期进入当前的温暖时期，几千年来温度和海平面一直在攀升。这一转变持续了大约 5000 到 6000 年。
然而，在这段变暖的时期，随着大量冰盖消退，海平面上升到目前的水平，科学家们发现了一个奇怪的现象。从南极洲发掘的以往温度记录显示，在大约 14000 年前，这种变暖有一个 2000 年的停滞期，仅限于高纬度的南半球。研究人员认为，这一令人费解的现象背后的原因可能有助于我们理解地球对快速气候变化的自然反应，或许有一天能指导我们缓解当前全球气温前所未有的上升。
Matthew Harris Courtesy of Matthew Harris
地球在变化。自 20 世纪初以来，地球的温度上升了 2 华氏度（1 摄氏度）。[iii]尽管变暖和变冷趋势是随着数万年来地球相对于太阳的位置而自然发生的，但科学家们认为，最近的升温由人类影响导致，超出了自然变化。[iv]
这种变化可能会产生重大影响，包括更严重的干旱和频繁的野火、更猛烈的热带风暴、供水减少、农业减产、城市中与热相关的健康影响以及沿海地区的洪水和侵蚀。[v]
现在，澳大利亚研究人员 Matthew Harris 正试图以另一种方式理解气候变化的机制――通过观察南极洲古代冰芯中的微生物，重建过去气候变化自然发生时的情况。
Harris 是一名古生物气象学家。他通过研究过去的气候变化，以此加深我们对当前和未来气候变化的理解。他的研究重点是南大洋和南极地区。
“地球正在变暖，”他说。“这一点已经非常明确。为了理解背后的原因，以及如何潜在地缓解这种变暖现象，我们需要寻找地球在过去对变暖以及对大气中大量碳的反应方式。”
毕竟，来自人类工业的大气二氧化碳水平的增加通过温室效应吸收了地球的热量，并提高了温度。我们排放到大气中的碳越多，地球将太阳辐射转化为热量的能力就越强，从而使大气变暖。了解大气和海洋共同调节全球热量和碳的方式，对于理解这一过程将如何导致地球气候变化至关重要。
科学家用一系列方法重建了地球海洋过去的变化。最重要的方法之一是使用替代物――通过化学和地球内部的微生物来指示过去条件的变化。这些替代物可以在很多地方找到，包括海底的沉积层。
Harris 童年时在澳大利亚东南部浮潜并了解海洋生物，他最感兴趣的是利用南极洲的古老冰层来研究远古时期从海洋中吹入的生物体。
为什么是南极洲？南大洋占据了地球表面的 14%，在全球碳循环和气候中起着核心作用。[vi]
这种停滞背后的原因尚不清楚。一种理论是，此时格陵兰冰盖的很大一部分坍塌，大量融化的冰或淡水被注入北大西洋，引发了北半球的快速变暖。奇怪的是，这一时期正好与 ACR 相吻合，这是另一个半球部分地区明显变冷的时期。这两个事件之间的联系是科学界激烈争论的主题。
因此，当北半球气温上升，格陵兰冰盖坍塌，海平面在几百年的时间上升 10 米时，南大洋和南极洲却在变冷。
“这意味着在气候和海洋系统中存在某种机制，随着温度升高，某种东西开始阻止大气中碳水平和温度的上升，”Harris 说。
这一发现为科学突破提供了机会。
“科学界迫切希望找到利用地球的自然机制降低大气中碳含量，并减缓气候变暖进程的方法，”他说。“我们也渴望找到过去地球以混乱和快速的方式应对气候变暖和碳排放增加的实例，因为这些事件可能表明我们作为一个物种正在发生潜在的快速气候变化事件。”
Harris 认为，这意味着我们可以通过地球工程利用自然系统中的任何一种机制来减缓气候变化。然而，他强调，干预地球气候系统充满了挑战，不应掉以轻心，有时候正是无意中这样做才导致了整个气候变暖问题。即尽管其他地区变暖，但地球似乎在部分变冷，这些过去发生的“奇怪”气候变化表明地球系统中存在未知的动力学，其反应不可预测。
“这也是一个很大的问题，因为这可能意味着气候变化可能加速或停止，”他说。“而我们目前还没有意识到这一点。”
在长达 2000 年的温度停滞期，海洋生物在南大洋繁盛起来。浮游生物是生活在近地表海洋中的微小绿色生物，在光合作用方面效率远比树木和植物高。
为了产生能量，浮游生物吸收二氧化碳，利用叶绿素和阳光将其转化为氧气和能量。这些微小的树状生物在海洋中大量存在，产生了 50% 到 80% 的植物氧气[x].。这一过程导致二氧化碳从大气中被去除，并在浮游生物被吃掉时输送到食物链中，或在浮游生物死亡时输送到海底。通过这种方式，浮游生物起到了“碳汇”的作用，从大气中去除二氧化碳。
从历史角度看，浮游生物在调节大气二氧化碳水平方面发挥了至关重要的作用，它们比陆地上的树木和灌丛更重要。
这成为 Harris 团队研究的重点：了解这种保存在冰芯中的海洋植物生命，以及它们在调节大气二氧化碳中的作用，是否可以打开理解 14000 年前南极温度停滞机制的大门。
Aqualog 同步吸收-三维荧光光谱仪
Harris 说，英国斯塔福德郡的基尔冰实验室通过使用荧光光谱法分析南极冰芯中保存的荧光化合物，记录了南大洋的海洋生产力和海冰过去的变化。
“海洋生物富含色氨酸和酪氨酸，均为必需氨基酸，”他说，“因此，所有微生物体内都有这种物质。冰中没有多少微生物。这是一个非常不受欢迎的微生物群落。研究表明，当微生物数量增加时，它们通常来自海洋。在温度停止上升的这段时期，我们冰芯中的微生物数量急剧增加。”
Harris 在澳大利亚新南威尔士大学和英国基尔大学冰实验室使用HORIBA Aqualog®荧光光谱仪来测量古代南极洲冰盖中荧光化合物的强度和类型的变化。Aqualog 可在采集激发发射矩阵（EEM）的同时快速进行吸光度和透射率测量。这种专有的 Aqualog A-TEEM 技术还可以自动校正 EEM 的内滤效应。
“（Aqualog）非常稳定，”他说，“信噪比很高，而且易用性非常好。所以学生使用它非常简单。它具有宽光谱范围，测量范围从紫外光谱一直到可见光范围。这是我们能找到的最简单、最可靠的荧光光谱仪。”
“我们的研究结果表明，冰中的主要荧光物质通常是氨基酸类物质，它们与微生物体内的蛋白质结合在一起，”他说，“这种生命主要来自南大洋，在风暴和天气活动中被吹到冰面上。通过测量冰的荧光，我们获得了一种测量冰样品中“存在”这些微生物“的方法。”
他的研究小组迄今为止最重要的发现是，在地球走出上一个冰河期的数千年时间里，这种氨基酸荧光显著增加。这表明，尽管 14000 年前出现了气候变暖的停滞，但微小的海洋生物在 ACR 期间仍繁衍兴盛。
“我们从这一时期采集的冰样本显示，与冰芯记录中的其他时间相比，富含氨基酸的微生物以异常巨大的数量沉积在冰面上，”他说。“与海洋相关的荧光有机化合物的持续千年信号在此期间达到峰值。”
这一发现加深了人们对南极变暖停滞的认知。
“我们认为这一停滞期可能是由海洋环流的变化驱动的，但也可能是由南大洋达到一个平衡点而引发，在这一变暖阶段，生命蓬勃发展，这是很久都没有过的。”
“因此，微生物吸收了大量的碳，并在 2000 年左右的时间里阻止了大气二氧化碳水平的上升。”
科学家通常直接钻入冰层，收集冰芯样本。随着取样深度加大，时间越来越久远，这些冰层被压缩得越来越厉害。
“科学家们已经挖掘出 80 万年前的冰样，目前正在进行的项目是挖掘 150 万年前的冰样，”Harris 说。
这种方法的一个缺点是，一旦挖到这些古老的冰层，能处理的冰层只有一个钻头的宽度。对于这些难以置信的古老冰层，你能做的真的只有这么多，因此，有人不愿意尝试新的分析技术是可以理解的。
Harris 的小组采取了不同的取样方法。
南极冰盖本质上是一条巨大的冰冻河流，由于重力的作用，它正缓慢地流向海洋。Harris 的研究小组寻找冰层已向其一侧移动的山脉。冰不是垂直分层，而是水平放置，因为它被迫靠在山谷的一侧。
这种方法使得测定冰层的年代变得更加困难，但它允许研究人员沿着冰层的表面行走，并获得几乎无限量的古代冰样。
“我们通过这种非传统的钻探方法来研究大约 14 万年前的冰样，”他说。
A cross-section of the Blue Ice Areas, showing the direction of ice flow as surface material is stripped away by katabatic (downslope or gravity) wind that blows down a slope because of gravity. Inexact scale. Courtesy of Matthew Harris
在全球其他地区变暖的时候，南极冷逆转则一反常态出现温度下降。在这一时期，南极大气中碳含量的上升也出现了停顿，这可能是靠近南极的南大洋生物大量繁殖造成的。
简言之，Harris 的研究小组将此解释为海洋微生物在这次气候变暖的停滞期异常活跃，并充当了主要的碳耗者，它们从大气中吸收大量的碳，阻止其上升，从而抑制了温度上升。
在他的小组进行这项研究前，尚无一致的理论来解释为什么南大洋的碳和温度都稳定了约 2000 年。而且由于碳对当前的气候变化至关重要，Harris 的团队真正感兴趣的是这个项目的碳方面。
Harris 说“像这样奇怪的气候动力学意味着地球系统中存在阻止或启动大气变暖的自然机制。”
随着全球大气二氧化碳水平仍在快速上升，越来越多的人呼吁采取快速和严厉的行动来减缓气温上升。例如，Harris 的研究工作表明，向南大洋“施肥”铁等营养物质，可以使浮游生物过度生长，并通过吸收和储存碳来减少大量的碳释放。这种所谓的“铁施肥假说”实际上可能会引发类似于 14000 年前发生在南极洲的温度逆转。但就像任何对自然过程的干预一样，可能会产生意想不到的后果。
“那会有哪些次级影响？”他说，“地球工程是一个非常敏感的课题。它的出现合情合理，因为我们是通过研究地球的气候系统才使自己陷入当前的境地。但是在同样的程度上，如果我们不了解这些事情，那么根本就没得选择。未来我们将会非常绝望，所以这项研究也许能提供一种干预手段。谁知道呢，在未来一百年左右的时间里，我们可能会找到一种方法，利用这种知识来影响气候系统。”
[i] Glacial-Interglacial Cycles, National Centers for Environmental Information, National Oceanic and Atmospheric Administration, 2020
[ii] - Jouzel, J., Masson-Delmotte, V., Cattani, O., Dreyfus, G., Falourd, S., Hoffmann, G., … Wolff, E. W. (2007). Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science, 317(5839), 793 LP – 796.
[iii] Lindsey, Rebecca and Dahlman, LuAnn, Climate Change: Global Temperature, National Oceanic and Atmospheric Administration, August 14, 2020
[iv] Karl, Thomas R and Trenberth, Kevin E. Modern Global Climate Change –Science, Dec. 2003
[v] The Effects of Climate Change, NASA, 2020
[vi] Fogwill, C. J; Turney, C. S. M, Cooper, A, et al. Southern Ocean carbon sink enhanced by sea-ice feedbacks at the Antarctic Cold Reversal Nature Geoscience, June 2020
[vii] Harris, Matthew, Southern Ocean carbon dynamics: New insights from ancient ice, Nature Research, June 22, 2020
[viii] Ibid
[ix] - Jouzel, J., Masson-Delmotte, V., Cattani, O., Dreyfus, G., Falourd, S., Hoffmann, G., … Wolff, E. W. (2007). Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science, 317(5839), 793 LP – 796.
[x] How much oxygen comes from the ocean? National Ocean Service, National Oceanic and Atmospheric Administration, June 6, 2020
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