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200万年前南极冰层的大气气体快照

自然体积574，页面663 - 666 (2019）引用本文

主题

摘要

在过去的80万年里，冰期-间冰期旋回以10万年为周期振荡(“10万年世界”)。1)．冰芯和海洋沉积物数据表明，大气二氧化碳、南极温度、深海温度和全球冰体积在10万年的世界中相互密切相关2，3.，4，5，6．大约在280万至120万年前，冰川周期的规模较小，持续时间较短(“40k world”)。7)．来自深海沉积物的代理数据表明，40k世界大气中二氧化碳的变异性也低于100k世界8，9，10，但我们没有直接观测到这一时期的大气温室气体。在这里，我们报告从南极洲东部的艾伦山蓝冰区恢复了超过200万年的地层不连续冰。在200万年以上的冰芯样本中，二氧化碳和甲烷的浓度已经被呼吸作用改变了，但一些较年轻的样本是原始的。回收的冰芯扩展了对大气二氧化碳、甲烷和南极温度的直接观测(基于氘/氢同位素比值δD)冰(代表地区温度)进入40k世界。80万年前的所有气候特征都属于连续的南极深层冰芯观测的范围，这些冰芯是10万年前世界的特征。然而，在40k世界中测量到的最低二氧化碳和甲烷浓度以及南极温度远高于过去80万年的冰川值。我们的研究结果证实，在40k世界，大气温室气体和南极气候的冰期间冰期变化幅度有所降低，并且从40k世界到100k世界的转变伴随着冰川极大期最低二氧化碳浓度的下降。

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图1:艾伦山冰芯的年龄深度剖面。
图2:冰芯和底栖有孔虫记录中记录的过去2.9亿年的气候特征。
图3:蓝冰CO对比2记录和硼基CO2在MPT期间和之前的重建。
图4:气候特性之间的相互相关性。

数据可用性

支持这项研究结果的Allan Hills稳定水同位素和气体数据可在美国南极计划数据中心(http://www.usap-dc.org/)，具有以下标识符:DOI: 10.15784/601129 (ALHIC1502稳定水同位素);DOI: 10.15784/601128 (ALHIC1503稳定水同位素);DOI: 10.15784/601201(重惰性气体);Doi: 10.15784/601202 (co2浓度和δ13C-CO2）;Doi: 10.15784/601203 (ch4浓度);(元素和同位素组成的O2N2和Ar)。

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下载参考

确认

我们感谢美国Ice Drilling Design and Operations (IDDO)、司钻M. Waszkiewicz和Ken Borek Air在现场工作中的协助。M. Kalk协助指挥官2测量。我们感谢A. Menking和A. Buffen对δ的帮助13C-CO2测量。这项工作获得了国家科学基金会资助ANT-1443306(缅因大学)，ANT-1443276(俄勒冈州立大学)，NSF-0538630和ANT-0944343(斯克里普斯海洋研究所)，ANT-1443263(普林斯顿大学)。Y.Y.通过沃布里奇基金向普林斯顿大学普林斯顿环境研究所致谢，该基金会支持了本材料部分基于的工作。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 普林斯顿大学地球科学系，美国新泽西州普林斯顿

    严玉珍，迈克尔·l·本德，普雷斯顿·c·凯梅尼，约翰·a·希金斯

  2. 上海交通大学海洋学院，中国上海

    迈克尔·l·本德

  3. 美国俄勒冈州立大学地球、海洋和大气科学学院，科瓦利斯

    爱德华·j·布鲁克

  4. 美国缅因州奥罗诺缅因州大学气候变化研究所

    希瑟·m·克利福德，安德烈·v·库尔巴托夫，保罗·a·马耶夫斯基

  5. 加州理工学院地质与行星科学部，美国加州帕萨迪纳

    普雷斯顿·c·凯梅尼

  6. 波士顿大学地球与环境系，波士顿，马萨诸塞州，美国

    肖恩·麦凯

  7. 加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所，美国加州拉霍亚

    Jessica Ng & Jeffrey P. Severinghaus

作者
  1. 房玉燕
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  2. 迈克尔·l·本德
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  3. 爱德华·j·布鲁克
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  4. 希瑟·m·克利福德
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  5. 普雷斯顿·c·凯梅尼
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  6. 安德烈·v·库尔巴托夫
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  7. 肖恩·麦凯
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  8. 保罗·a·马耶夫斯基
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  9. 杰西卡·Ng
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  10. Jeffrey P. Severinghaus
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  11. 约翰·a·希金斯
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贡献

M.L.B J.A.H。,P.A.M A.V.K E.J.B.和J.P.S.设计研究。j.a.h.， y.y.， P.C.K.和S.M.采集了冰芯样本。Y.Y.和J.N.表演了40基于“增大化现实”技术自动取款机Xe/Kr实验。Y.Y.分析了O2/ N2/ Ar成分。H.M.C.测量了稳定的水同位素。sm收集并解释了探地雷达数据。Y.Y, J.A.H.和M.L.B.写了论文。所有作者在投稿前都对稿件进行了修改。

相应的作者

对应到房玉燕．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展资料图1亚伦山研究区卫星图像。

右图，WorldView03彩色泛锐化图像(版权所有2011年，DigitalGlobe, Inc.)，主要冰原，艾伦山蓝冰区(真彩模式)。插图，南极洲与山阴影(来源:澳大利亚南极数据中心，地图13469;根据创作共用署名3.0未移植许可协议授权)，我们的研究区域用黑色方块标记。主图中黑色的露头是艾伦山冰原。红色箭头标志着当地的冰流。左图是来自同一源文件的钻井现场的放大图像。图像经过增强(在ArcGIS 10上进行了伽玛调整)，以突出蓝色冰内的颜色对比，由于颜色再现，现在蓝色冰具有绿色色调。冰中的棕色线条是暴露的尘埃带，提供了表面冰地层的一级示踪剂。在这项工作中报告的核心位置(见正文)用红圈标记。扩展数据图中探地雷达剖面的位置。2显示为黄色虚线。

扩展数据图2探地雷达廓线从西南向东北，穿过ALHIC1502和ALHIC1503(小于5米)。

准确的样条位置显示在扩展数据图中。1．图中显示了ALHIC1502和ALHIC1503钻孔的位置和深度(红色条)，以及先前钻过的BIT58(灰色条)冰。剖面用80 mhz MLF天线采集，步长为25 cm，叠加率为64次扫描，步长为25 cm。采用标准后处理步骤，包括时间零位校正、距离归一化、50/110 mhz有限脉冲响应滤波器、背景去除、增益调整。通过双向旅行时间(TWTT)和偏移来估算深度，雷达旅行速度为0.165米/秒−1．一个，非偏移雷达图显示倾斜层平行冰川地层和强烈的倾斜基岩表观反射。蓝色虚线表示模拟的基岩实际位置，如图所示b．b，移位的雷达图显示基岩的“真实”位置。由于基岩隆起的陡坡，迁移质量较差。对比一个而且b表明正确的基岩反射面位置是向下平移的，并且比未偏移的数据倾斜得更陡。ALHIC1502和ALHIC1503钻孔深度分别验证了这一解释。

图3气体损失对氧、氮同位素的影响最小。

δ对差18O自动取款机(Δδ18O自动取款机；红色)和δ15N(Δδ15N;蓝色)对应ΔδO2/ N2ALHIC1502和ALHIC1503样品中。两个重复样品之间的差异是由于气体损失。Δδ的非常弱的依赖性18O自动取款机和Δδ15N在ΔδO2/ N2表明气体同位素对艾伦山冰中的气体损失分馏相对不敏感。

扩展数据图4 CO的年龄分配2和CH4样本。

使用本文中讨论的两个年龄模型-保守方法(左上和右下)和接近方法(右上和右下)- co2和CH4与δD冰．两种年龄模型都显示MPT和MPT前冰的范围减小。然而，我们注意到，最高的CO2和CH4在最严格的年龄模型中，数值属于未分配的类别。

扩展数据图5 CO分数的评定2由37个离散样本捕获范围。

一个，冰芯CO2记录0 - 800 ka与LR04底栖有孔虫δ18O堆栈同步到AICC2012时间刻度60，61．线性回归的结果显示，并用于计算合成CO2记录在1.2 - 2.0 Ma之间。b，合成CO2从LR04 δ中重建1.2 ~ 2.0 Ma的记录18中计算的回归参数一个．CO的范围2在这个合成时间序列中是213-269 ppm。c- - - - - -h，回收CO的比例2合成CO的可变性(观测范围/真实范围)2时间序列(见扩展数据图。5 b)，随机选择37个样本，给予间冰期冰不同的优先保存。这里的术语“间冰期”在操作上被定义为任何CO含量超过250 ppm的样品2．不同的乘数表示“间冰期”冰的多次出现，以模拟不同程度的冰保存偏差。这一分析表明，当间冰期冰的存在不超过冰川冰的8倍时(c- - - - - -f)，我们可以期望37个随机样本可能捕获66-98%(95%置信区间)的CO2在冰上的范围。

扩展数据图6 δ的分数评估18O自动取款机离散样品的δXe/Kr范围。

一个，b——艾伦·希尔18O自动取款机（一个)和δXe/Kr (b)与δD相对抗冰同样的深度，颜色按照年龄单位编码。垂直虚线表示δD的范围冰在40k世界冰中观察到(−284至−316‰)。值得注意的是，δD冰与来自40k世界的9个δXe/Kr值相关，仅占整个δD的40%左右冰40k冰样品的范围(- 288‰至- 300‰);δ低维冰δXe/Kr值(小于- 300‰)缺失。因此，我们并不期望9个Xe/Kr样本能够完全捕捉40k世界冰中Xe/Kr比值的范围。另一方面，co-depth δD冰δ值18O自动取款机样品占总范围的97%，表明29 δ18O自动取款机样本可能覆盖了40k世界冰中保存的70%的变异性，阻止了δ的任何扩散平滑18O自动取款机记录。

图7 ALHIC1503中123 ~ 143 m区间内气体和冰的性质。

一个,δ15N;bδO2/ N2；c,δ18O自动取款机；d,δD冰．与气体性质相关的误差条表示合并的标准偏差(1σ)的所有测量值:δ 0.010‰15N， δO为3.063‰2/ N2δ为0.026‰18O自动取款机．注意δ的范围18O自动取款机小于0.2‰。相比之下，冰期-间冰期δ18O自动取款机100年气候周期的变异性约为1.5‰21．

扩展数据图8评估扩散混合对冰和气体性质的影响。

一个，分区函数Z(气相气体分子数与冰相气体分子数之比2(蓝色)和N2(红色)是温度的函数。b，冰中水分子自扩散的特征时间尺度(黑色)，O2在冰中的渗透(蓝色)，和N2冰中的渗透(红色)，作为温度的函数。注意，对于水分子，扩散的长度尺度(l)为0.1 m，而N .2和O2l= 0.5 m，反映它们各自的采样分辨率。

扩展数据图9评估Allan Hills冰芯中流动诱导混合的可能性。

一个，等高线图显示相关系数(R2) δD之间冰而且d作为计算中包含的相邻稳定水同位素数据点数量的函数，从5到85，步长为10。采样分辨率约为10厘米。132 ~ 142 m之间的高相关系数(>0.7)使人怀疑在这一区间发生了混合。然而，CO不支持混合的可能性2和CH4．b- - - - - -d， δD交叉图冰有限公司2（bD),δ冰ch4（c)及CO2ch4（d)在ALHIC1503的132至140米之间。黑色实线为135.30 m和139.76 m处基于两个端件的混合线，其中CO最小值和CO最大值分别为135.30 m和139.76 m2分别测量值。大多数点没有落在混合线上，这意味着单靠两端元混合不能解释δD之间的高相关性冰而且d．

扩展数据图10基底冰中δ13一氧化碳碳2在ALHIC1503和ALHIC1502中。

一个ALHIC1503;b, ALHIC1502。δD冰(上),有限公司2(中)和δ13一氧化碳碳2艾伦山的冰芯(下)与深度对应。δD冰和有限公司2(两者都在较小的样本中独立测量，用红色标出，并与δ一起测量13C(蓝色)也被显示出来作比较。注意CO的显著尺度差异2和δ13C在ALHIC1503和ALHIC1502之间。

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严，杨，本德，m.l.，布鲁克，E.J.et al。200万年前南极冰层的大气气体快照。自然574， 663-666(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1692-3

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