近日，中國科學院深海科學與工程研究所研究員吳淑壯團隊與國際合作者，研究揭示了南極繞極流強度在軌道時間尺度上呈現(xiàn)出顯著的緯向不對稱特征，并闡明了其背后的驅(qū)動機制。這一重要發(fā)現(xiàn)，將重塑人們對南極繞極流演變與南極冰蓋動態(tài)變化、全球大洋環(huán)流及碳循環(huán)相互作用的傳統(tǒng)認知。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-地球科學》。
南極繞極流作為地球上規(guī)模最大的洋流系統(tǒng)，在全球海洋物理、化學和生物特性的跨洋盆交換中發(fā)揮著核心作用。它不僅對全球大洋環(huán)流和氣候起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，還與南極冰蓋的演變緊密相連。然而，在過去漫長的歷史時期中，南極繞極流的時空演化情況一直未能得到清晰、準確的闡釋。傳統(tǒng)研究大多基于一個假設，即南極繞極流在南大洋跨洋盆間的變化是一致的。但現(xiàn)有的沉積記錄卻呈現(xiàn)出復雜多樣的演化過程——部分站點的沉積記錄顯示，冰期時洋流速度更強；而另一些站點的沉積記錄則表明，冰期時洋流速度更弱或變化甚微。
研究團隊首先選取南印度洋六根海洋沉積巖芯（這些巖芯橫跨所有主要南大洋鋒面）作為研究對象，利用其中可分選粉砂組分平均粒徑作為近底流速的指標，成功重建了南極繞極流強度的時空演變情況。研究結(jié)果顯示，在南大洋印度洋扇區(qū)，跨亞南極區(qū)、極鋒區(qū)與南極區(qū)的南極繞極流在軌道尺度上的變化具有一致性：冰期時其流速顯著增強，而間冰期時流速則較弱。
在此基礎上，研究團隊進一步整合了南大洋印度洋、大西洋和太平洋扇區(qū)已有的古洋流重建數(shù)據(jù)。通過深入分析，他們揭示了過去一百萬年來南極繞極流的演變存在軌道尺度上的反相位變化特征：在冰期和地軸傾角較小時期，印度洋扇區(qū)的南極繞極流增強，而南太平洋扇區(qū)則減弱；在間冰期和地軸傾角較大時期，二者的變化趨勢完全相反。結(jié)合沉積記錄與氣候模型模擬分析，研究團隊深入解析了這一緯向不對稱變化的驅(qū)動機制。他們發(fā)現(xiàn)，南極繞極流的時空演變可能受到南半球西風帶的強度與位置、南大洋海冰覆蓋范圍、經(jīng)向密度梯度及洋流輻合等多因素的協(xié)同調(diào)控。
該研究成果具有深遠的科學價值和重要的現(xiàn)實意義。在南極冰蓋穩(wěn)定性研究方面，間冰期印度洋和大西洋扇區(qū)的南極繞極流減弱，會減少暖性繞極深層水向東南極的南向輸送，有利于東南極冰蓋的穩(wěn)定發(fā)育；而同期南太平洋扇區(qū)的南極繞極流增強，則可能增加向西南極的熱輸送，促使繞極深層水侵入羅斯海和阿蒙森海，進而可能導致西南極冰蓋退縮甚至崩解。
在碳循環(huán)研究方面，冰期太平洋扇區(qū)的南極繞極流減弱，跨洋盆交換受限，抑制了水團的混合和上升流強度，促進了海洋內(nèi)部對二氧化碳的封存；間冰期時該扇區(qū)洋流增強，跨洋盆交換加劇，則有利于封存的碳釋放到大氣中，導致大氣二氧化碳濃度升高。這一機制也為未來氣候預測提供了重要的科學依據(jù)：盡管現(xiàn)代氣候的邊界條件與更新世存在差異，但未來南極繞極流的增強可能會提高跨洋盆交換效率，進而降低南大洋對人為排放二氧化碳的碳匯效率。
《自然-地球科學》編輯James Super與英國南極調(diào)查局高級研究員張旭對該研究給予高度評價：該研究揭示了地球現(xiàn)存規(guī)模最大的洋流系統(tǒng)對氣候變化的復雜響應機制。研究闡明海冰覆蓋范圍和大氣環(huán)流模式等當下正發(fā)生快速變化的因素，其相互作用如何影響南極繞極流的位置與強度，為該領(lǐng)域開辟了重要的研究方向。
上述研究得到德國科學基金會、瑞士自然科學基金、國家自然科學基金等項目的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-025-01901-2