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丹麦地球系统科学中心2002-2007年研究计划


摘要:丹麦地球系统科学中心(DCESS)在2002-2007年延续实施第二个五年计划,并扩大其研究活动。DCESS的任务是探索海洋、大气和生命之间的内在关系,其时间尺度范围从远古地质时期的过去到现在和未来。这种跨学科的任务依赖于我们在气候模拟、物理和化学海洋学、微生物生态学和地质学方面所形成的坚实基础。今后的研究将指望于国际认可的成果(见我们的自我评估报告)和新的创新。
2002-2007年的研究计划主要包括以下4个方面:①气候系统的稳定性和敏感性;②大洋环流和生物地球化学循环;③现今和过去的气候变化;④地球系统的演变。这项研究计划将依靠数值模拟、观测、分析数据和实验等方法,强调海洋在地球系统中的中心作用。这项研究计划中的极大部分工作都由DCESS与丹麦国内的研究人员和国际上的研究人员通过开展合作来完成。此外,我们将继续在DCESS挂靠的大学内参与高水平的教学和研究培训,并向国内外科学家同行和一般公众高度透明地展示我们的研究成果。如同第一阶段(1997-2001)一样,DCESS仍然由哥本哈根大学的“Niels Bohr天文学、物理学与地球物理研究所”(NBIfAFG)和南丹麦大学的“生物科学研究所”(IBS)作为主要支撑机构组成,由Gary Shaffer教授担任该中心主任,Don Canfield教授和 J.Ray Bates担任副主任。

1  简介
DCESS于1997年12月成立,丹麦国家研究基金会(Danmarks Grundforskningsfond)提供基本经费支持。这个中心是丹麦唯一的一个协调的地球系统科学中心,在国际上,它也是为数不多的地球系统科学中心之一。因此,DCESS是一个独特的研究所,支持高水平的跨学科研究,为丹麦国内外学生和同行提供动力,对了解人类生存的星球是如何运行的提供关键科学信息。基于这个背景以及下面提出的研究计划,我们希望进一步延续DCESS的下一阶段的五年计划。研究资金从第一阶段的每年1000万丹麦克郎增加到第二阶段的每年1500万丹麦克郎(大约120-180万美元)。这些研究资金能增强我们的科研能力,能提供12-13个研究岗位(高级研究人员和博士后)、5-6个博士生岗位、4个工程或技术助理岗位。此外,这些资金还将用来开展更大规模野外考察、增添仪器与计算资源,开展专题研讨会,差旅开销,接待访问科学家以及日常管理开支等。
2  研究计划
地球系统科学的范围很广,涵盖了所有时间尺度的大气、海洋、岩石圈上层、生物圈、低温圈之间的内在联系。最初的DCESS计划分为3大部分:①气候系统的稳定性;②海洋在气候系统中的作用;③大气和海洋的化学与生物演化。现在,认识到扩展更多交叉研究目标的需要,最好分成以下4个研究领域:
(1)气候系统的稳定性与敏感性;
(2)大洋环流和生物地球化学循环;
(3)现今与过去的气候变化;
(4)地球系统的演化。
这些研究领域都是密切相关并相互交叉的。3个研究小组中至少有2个小组将对每个研究领域起到主力军的作用,这说明我们研究小组之间存在着更紧密的合作关系。这些领域包括了人类感兴趣和关心的许多问题,例如,人类引起的大气成分的变化对气候的稳定性和敏感性的可能影响。对现今和过去的气候变率的观测和模拟研究为评估未来的气候变化提供了相关的资料。在所有的时间尺度上,地球系统都处于稳定或者缓慢地变化状态,间或偶尔地有剧烈地变化。工作的主要动力是要了解稳定状况是如何维持的以及导致剧烈变化的原因与机制。
下面对上述提出的4个研究领域及研究的题目予以详细分析。如同前几年一样,今后DCESS的研究成果以及国际研究进展都将提出新的、需要探索的研究领域。在所提出的基本研究框架内灵活追求新的思想已经是、将来也继续是成功的关键。
2.1  气候系统的稳定性和敏感性
气候决定于地球系统的组成部分之间的相互作用以及地球与太阳和空间之间的外部能量交换。气候研究中的一个基本问题是,气候(如用全球海面温度(SST)来表达)是如何保持稳定的(虽然也变化,见2.3)。的确,一些关于SST均衡的众所周知的反馈正在变得不稳定,例如,水汽/红外辐射反馈、冰-反照率反馈。云的反馈仍是一个极不确定的领域,尽管Lindzen等(2001)发现证据表明,在热带地区从多云到晴天的地区的面积比率作为一种负反馈能够反映SST的扰动。这表明,除了角动量(AM)/蒸发过程(Bates,1999;Alexeev & Bates,1999)外,这也是全球SST的一个稳定器。在很长的时间尺度上,硅酸盐的风化通过大气CO2浓度的调节提供了一种负的反馈(Walker et al., 1981)。从以前的物理学观点来看,似乎很显然,对自由扰动的稳定性和对强迫扰动的敏感性之间密切相联。因此,应对它们之间的关系进行研究,如与增强的温室效应的联系。
增强的温室效应的机理。由人类活动排放的更多温室气体导致的增强的温室效应的机理,通常是从大气层顶(TOA)的角度来看的,在这种观点中注意力集中在大气层顶(TOA)或对流层顶的、由温室气体增加导致的“初始辐射不平衡”(initial radiative imbalance)。那么,直到较高排放水平下的温度上升到向外长波辐射与太阳辐射达到再次平衡时,大气层被认为变暖了。地面温度的增量被认为是由温度直减率(被认为是常量)和排放层高度增量的乘积决定的。Bates在一个简单模型的研究结果的基础上,提出了另外一种关于日益严重的温室效应机理的观点(Bates,1999)。他认为温室气体的增加形成一个地面辐射??迫,这种强迫与系统的自然稳定机理相反。当达到新的平衡时,变暖的程度与稳定程度呈反比,这种稳定程度被认为是对流层低层水汽吸收体(不稳定的)不透明的挟带效应的剩余和这些吸收体通过蒸发(稳定的)释放潜热引起短循环的程度。这种模拟把大气层顶辐射不平衡的整个时间作为系统稳定程度的参数。基于上述观点,进一步研究温室效应增强的机理,将由大气环流模式(GCM)来实现。将对大气角动量输送变化、地面风速和蒸发速率随CO2加倍变化的研究给予特别的关注。热带和热带外地区蒸发率的变化将被分成风和湿度两个组成部分,目的是检验简单模式研究提出的有关热带外地区对变暖的扩大机理的认识。
低层相对湿度和海-气温差的测定。地表的潜热流和感热流是风速、海气的湿度差(Δq)和海气温差(Δ T)作用的结果。湿度差本身是温差ΔT和低层相对湿度r的函数。但对如何确定Δq、ΔT和r的过程却知之甚少 (Hartmann,1994)。这些值受到大陆构型和大气辐射、边界层湍流、中尺度对流与大尺度流动过程的影响。我们将用已定的海面温度开展大气环流模式的试验,目的在于按照Δq、r和ΔT的重要性来确定其过程,将试验海洋上空的云的过程和边界层参数化对这些值有多大影响来展开我们的工作。
地面风、大洋环流与气候。地面风是气候系统的一个重要组成成分,因为他们控制着大气与海洋之间的热量和能量的交换。因此,地面风通过风驱动大洋环流,直接和间接地影响海洋表面的温度。反过来,海面温度的分布也影响气压, 从而进行能量的水平传输,形成了地面风(Bates,1999)。这种海-气耦合可能在许多环境中起作用。如,Gu 和 Filander(1997)基于除去非热带地区地表水带有当前大气状况特征的温跃层,提出热带海洋十年际的变化机理。这些水经过一个十年后移到赤道附近,从而影响了大气,并通过迟后的振荡机理导致了海面温度的振荡。另一个感兴趣的问题是,Poulsen等(2001)的发现:被风驱动环流的向极地海洋的热量传输是阻止了冰线前移与“雪球世界”一个主要因素。对于这一问题与及其相关的问题,将发展一个海-气耦合系统的中等复杂模型,这个模型基于我们原先的海-气耦拟和简单的耦合模型,包括一个以热量和动量的涡动通量为参数的纬圈平均大气和一个粗分辨率的三维海洋模型。这个模型十分简单,可以开展广泛的参数敏感性研究。
陆性率(continentality)和气候。大陆山地形态学和海-陆之间的热量差异强烈地影响着行星驻波,并对在大气环流中发挥重要作用的大气作出响应。要了解当前和过去气候中驻波的作用,就要详细研究这些驻波、瞬变波和哈德利环流之间的相互作用。近来的研究已表明,没有陆性率,可能会有75%瞬变波受到哈德利环流的影响(Kim & Lee,2001)。我们将在不同的气候状态下研究不同的驻波和瞬变波是如何影响哈德利环流的(如当前和冰期的山地形态学、不同的海面温度分布),同时,与陆性率有关的另一个研究是如何区分海洋和陆地上表面能量收支的不同成分(潜在的、实际的和辐射的)。这种区分与不同地区的气候敏感性密切相关。这些研究中,大气环流模式将被简单化和完全物理化。
两年的研究计划。在头两年,将大气环流模式与混合层海洋模型相耦合,以研究CO2倍增导致温室效应增加的机理,其重点将放在平衡响应中动力学的作用。在运用大气环流模式确定当前气候低层相对湿度和海-气温差时,将完成研究云与边界层的作用。我们将与Riso国家实验室合作,完成这项调查研究工作。将在大气角动量输送和随之发生的的纬向平均表面风对由风驱动的大洋环流作用方面取得进展,也将研究过去气候的动力学,包括提出的“雪球世界”,重点放在陆性率的影响上。
2.2  大洋环流和生物地球化学循环
大洋环流和生物地球化学循环强烈影响着区域和全球尺度上的环境和气候变化。海洋环流的变化导致了热量和淡水的再分配,这种物理过程和生物循环导致C、O、N、P、Si、S、Fe和Mn等元素的复杂循环。例如,元素的垂直交替变化和养分的存在(主要是N和P,有时也有Fe)以及生态相互作用决定海洋初级生产的水平。目前,海洋对以人类为中心的CO2变化的影响主要表现在洋流循环和物质交换引起的大洋表层和深层CO2的转化和迁移等方面。然而,海洋生物地球化学循环对大气中pCO2含量(以及其他与气候相关的气体等)和pCO2变化有着极大地影响,例如,冰河时代的海洋生物地球化学循环(Shaffer,1993)。为了进一步研究洋流对大气变化的影响,我们将就南太平洋东部的环流、混合以及水的物质形态进行观测和模型研究,同时还将就C、N、P和Fe循环进行全球选点观测和试验,以及对全球碳循环进行模型研究。
模态水(Mode Waters)的形成与输出。沿赤道方向的平流和近赤道的上升流使得中高纬度表层海水消减,从而被持久的海洋温跃层流通所替代。这种流通的海洋温跃层一方面成为海洋表层温度和大气CO2变化的缓冲带,另一方面,则是热带和非热带之间的十年尺度连接? S捎诘?水和水体中水溶性气体所含热量的变化引起水密度的变化,这就使处于中高纬度的海水流向热带,在那里洋流会获得热量而导致大量水溶性气体散逸到大气中去(见2.1节中相应的部分)。沿赤道的海洋温跃层主要发生在南太平洋区(见2.3)。已有数据和模型研究表明,温跃层水的最大和最密分布来自南太平洋的东部,称作亚南极模态水(SAMW)/南极中间水(AAIM)(McCartney, 1977; Karstensen & Quadfasel 2001)。SAMW/AAIW一般发生在太平洋的10oN 区域内,也会通过德瑞克海峡(Drake Passage)进入南大西洋。通过对表面浮标通量的时间系列分析研究以及与不同时间段收集的内部数据进行比较,结果表明,近几十年来,SAMW/AAIW呈现变暖和流通增加的趋势(Shaffer et al.,000;Karstensen & Quadfasel,2001)。
对模态水(Mode Waters)形成中的作用过程。向海洋温跃层的转变以及与大气强迫的关联,目前只有从理论角度的推断,但迄今还没有进行直接观测。可以从SAMW/AAIW的形成和运移层面研究入手,在南美洲南端西边(55 ºS,90 ºW)附近设立四个锚系,进行1-2年定点监测,其中三个布设成一个三角形,第四个设在三角形的中心位置。采用这些布点,我们将监测对流和模态水形成相关联的混合层深度,并参照绝对流量测量和底部压力计的地转计算,来估算通过三角形每边的绝对输送。在外围的三个锚系固定安装深度测定仪,中心锚系安装无线电多周期自动廓线仪(TRAMP),这是我们自己的数据收集系统。该系统将会自动记录从西部流来的模态水流,同时还会记录流向德瑞克海峡和从北流向亚热带旋回的情况。我们的研究队伍还有Scripps海洋研究所的Lynn Talley、智利Concepcion大学物理海洋学和气候学(PROFC)研究项目的Osvaldo Ulloa 和 Oscar Pizarro。他们将参与部分水文学的调查研究、用拉格郎日廓线ARGO浮标和生物地球化学观测。
南太平洋的环流与碳循环。长期定点监测对认识厄尔尼诺事件和东南太平洋地区的洋流以及生物地球化学循环之间的相互作用至关重要 (Shaffer et al.,1999)。通过与PROFC等组织合作,希望对东南太平洋的海洋学及其对区域和全球气候变化的影响进行研究。我们将继续用1991年就有的两个海流计锚系进行观测,他们处于距智利30oS海岸带大约12km和150km的区域。同时我们又新布设了两个锚系来研究秘鲁-智利洋流系统的结构。结合其他遥感和研究数据,通过南美洲西海岸来的罗斯比波西向辐射和海岸捕获运动,锚系观测可以用来研究南太平洋热带与亚热带区域之间的关系,特别有意义的是发现半年和年际的周期(见2.3)。设在21oS(距海岸带30km)的锚系还将扩大规模,安装气象传感器、生物光学/生物地球化学传感器。结合智利海域联合航次监测到的数据,包括TRAMP工作和自动pCO2系统,这些数据将有助于分析秘鲁-智利洋流的生物地球化学循环和CO2海-气交换。近期的研究表明,这些过程强烈地受太平洋赤道方向的洋流遥控(Hormazabal et al., 2001)。同时,我们将把观测结果和普林斯顿海洋模型结合起来,来研究我们的假设,那就是位于约36oS的中部智利海域高生物生产现象——大约有4%的世界渔业捕捞发生在这个1度平方区域?D?D是由于远处推动的海岸带洋流与粗糙的区域地形相互作用增加垂直交换而引起的。
厌氧氨的氧化过程。近期研究表明,厌氧氨的氧化过程意味着海洋环流中N的减少(氨化过程)(Thamdrup & Dalsgaard, 2001)。通过影响海洋中固定N,氨化过程会影响海洋的初级生产力,进一步会影响全球碳循环。为进一步研究氨化过程在全球N循环中的量化作用及其后果,我们将从三个方面开展氨化过程的研究: ① 氨化速率及其制约因子研究。 通过对不同沉积物的积累过程的观测来研究地理学分布状况,开展试验来确定主要氨化制约因子,并量化氨化过程的动力学。我们将首先监测水体在低氧和缺氧条件下氨化过程以及确定这种系统对氧的敏感性(如Mariager Fjord, Golfo Dulce在智利海域与PROFC的合作)。② 微生物学研究。我们将对氨化过程起主要作用的微生物有机体进行富集与隔离试验研究。微生物的纯化研究有助于理解氨化的生理学过程和系统发生学分析,这些分析可能会为阐明生物进化过程提供踪迹。③ 同位素跟踪研究。海洋沉积物的N同位素分析有助于了解冰期和间冰期海洋中导致大气CO2波动的N素沉积变化(Ganeshram et al., 1995)。但是,这些解释为反硝化作用,是与大量N同位素放射之上的,是唯一主要固定N的库。我们将开展与天然细菌群落有关的氨化过程的动力学研究,必要时进行细菌的纯化培养,来研究地质学N同位素。DCESS决定了氨化过程的研究方法框架,将与国家环境研究所 Tage Dalsgaard 开展合作研究。
热液沉积物中的磷成岩作用。大洋范围的铁氧化物在热液成岩沉积过程中吸收海水中的P,具体数量根据富余P元素而定,从而使大洋中的33%P素被成岩过程所固定(Whcat et al., 1996)。因此,这种P的吸收对全球P循环有很大的影响。P汇的大小取决于受热液成岩过程中吸收的P的走向,一大部分P在沉积过程中吸收和减少(Shaller et al.,2000)。目前,热液对减少或保持P含量的控制过程尚不清楚。因此,我们希望研究东太平洋隆起的热液沉积中Fe和P的早期变化机理,其中Fe含量大约平均在20 %(质量分数)。我们将使用多芯采样机从一批选点中采集更多沉积物样品,并在实验室里进行多芯沉积物熟化实验,确定P、O2 和 CO2交换通量。结合多芯研究的观测数据和利用微电极获得P、O2以及Fe的毛孔水剖面,我们就可以量化P交换率和有机质成岩的作用。我们将提取多芯中化学物质并加以研究,还要采集更深层的芯样品,对P和Fe加以化学定位以及研究Fe的氧化状态。同时还将利用摩斯波尔光谱仪、SEM以及离子微探针等进行Fe、P等的位相分析。这些研究有助于理解P汇的特性,有助于研究富铁沉积物中P/Fe比率变化,探索远古海洋中P的富集。我们将与西雅图NOAA的Joseph Resing太平洋环境实验室合作开展这项工作。
有机物颗粒的再矿化过程的模型研究。 大洋内部的有机物颗粒(POM)的沉积和再矿化过程是全球碳循环和大气CO2含量的主要方面(Shaffer, Bendtsen & Ulloa, 1999),但对有机物颗粒的分布和再矿化速率的研究较少。近年来对北太平洋深层细菌富集现象研究表明,POM含量与天然细菌的微生物生物量有较好吻合(Nagata et al., 2000),研究表明,洋底内部由温度控制的微生物再矿化链受益于溶解有机物(DOM),而这些溶解有机物由沉积颗粒衍生而来(Bendtsen et al., 2001)。通过在洋底沉积物上直接培养细菌或通过间接刺激沉积物颗粒对DOM的酶水解过程,进而研究细菌在调节POM融解中所发挥的作用(Smith et al., 1992)。为此,我们将采用简单的POM和DOM细菌吸收的生物能量模型,这些模型有助于理解海洋表层的生物过程(Vallino et al., 1996)。同时这些附属模型还被嵌套入全球碳循环的3维模型,进而用来描述颗粒物质的再矿化过程。在极端低温和极端高温下还将进行海洋再矿化过程敏感性试验,这些海洋敏感性试验将有助于分析地球系统进化中不同气候条件引起的再矿化速率变化和全球碳循环过程变化。该项工作将联合芝加哥大学的David Archer、哥本哈根大学的Mathias Middelboe 以及NERI的Claus Lundsgaard一同来开展。
两年的计划。 前两年内,我们将购买并安装供研究模态水试验需要的监测仪器,这些仪器将主要安装在55ºS的试验区。另外,还将在30ºS建立两台附加海流计锚系和在21ºS建立多学科锚系。我们也将完成智利海域高生物生产力的长距离作用的研究工作,以及该区域海洋地理学和生物地球化学循环过程联合研究。希望通过广泛地数据集成来研究氨化过程在自然环境中的作用,进而确定氨化有机质的培养方法。有关氨化微生物的研究已正在相关研究单位进行(如代夫特技术大学等),我们的研究方法将随一些项目成果的进展情况而有所调整。希望启动热液口沉积物中的P和Fe成岩作用研究,将建立再矿化过程的生物能量模型,并将这些模型应用到全球碳循环模型中,启动不同气候条件下碳循环研究(见2.3)。
2.3   现今和过去的气候变异
大尺度的气候变异反映了地球系统内在的动力学,也反映了对外强迫所作出的反应。年际到十年际的气候变异可能来自大气、风驱动的大洋环流和准地转海浪之间的相互作用。百年到千年的气候变异可能是大气与海洋的垂直交换和热盐环流相互作用的结果(但是,也有火山活动和太阳的调节作用(Crowley,2000)。万年到几十万年期间的气候变异,可能是轨道的驱动,海洋的生物地球化学循环和冰盖的演变也同时起作用。像火流星撞击或大量释放甲烷水合物等极端破坏现象可能会强烈地、迅速地改变几年到千年的大气气溶胶和温室气体的浓度,并有可能通过大气和海洋的循环、海洋生物地球化学循环和海上浮冰来调节其他的反应。像涉及到气候变异和极端气候变化这样的问题时,提倡观测和建模相结合,并进一步分析观测与模型结果。将应用一系列的模型,如HILDA这样的简单箱式模型、如CLIMBER这样的二维耦合模型到如国家大气研究中心的完全耦合的三维模型——气候系统模型(CSM)。这种模型的综合应用是DCESS的里程碑式研究。
南太平洋年际和十年际的气候变异。近来的研究已揭示了太平洋热带和非热带地区年际间和十年时间尺度范围内的耦合。一种耦合就是在2.1部分中提到的厄尔尼诺的十年变异,另一种就是中纬度的厄尔尼诺从以东边界蔓延到了罗斯比波引起的后期影响(Jacobs et al., 1994)。人们提出北太平洋中有这两种耦合,但认为,在南太平洋可能同样强烈,甚至有可能比北太平洋更强烈一些。从热带太平洋地区,穿越南太平洋中纬地区到高纬地区,显著的年际和十年际气候变异的大气遥相关模型已经被确定了下来(Garreau & Battisti, 1999)。南极洲附近的强烈而能观察到的年际变率可能是这种遥相关引起的,并通过海洋、大气和海上浮冰的局部耦合而起作用(Venegas et al., 2001)。将对已获得的长达一个世纪的观测记录和来自气候系统模型的大量结果进行统计分析,并且把焦点集中在南太平洋年际和十年际的变异以及在这种变异之后的机理识别上。为了调查十年际热带太平洋环境在水的构成和性质方面可能调整的状况,我们将进行综合的数据分析和摸拟。其中一部分工作将通过与南昆士兰大学的Joachim Ribbe和PROFC的Oscar Pizarro合作完成。
全新世和间冰期百年和千年的气候变异。对各种现有“替代物(proxy)”数据的分析揭示了近千年内显著的百年气候变异(Mann et al., 1999)。极地冰芯数据已表明,上次冰期发生了强烈的千年气候变异(Dansgaard et al., 1993),而海洋沉积物的数据也记录了这个阶段内有显著的千年变异,并延续到了全新世 (Bond et al., 1997)。虽然冰川融水的热盐环流和气候的调整很好地解释了千年的气候变异性,但在全新世,这样的变异事件并不支持这种机理。相反地,这些结果指明了耦合的海-气系统的内在变异性,如在二维和三维的大洋环流模型中曾发现的“深退耦(deep-decoupling)”振动(Winton & Sarachik, 1993)。由于近来工作扩展的需要(Shaffer & Olsen,2001),目前我们正在研究一种新的简单的耦合模型,它由北大西洋和南极洲附近深水形成模型、跨越德雷克海峡纬度的埃克曼输运模型和与稳定度有关的垂直交换、氧与碳的同位素模型(为了与沉淀物资料作比较)所组成。间冰期和冰期的初步结果(没有冰融成水影响)揭示了这种变异的非常关键因素——百年和千年的气候振荡。我们将广泛开展敏感性研究,并用这个简单的模型进行数据比较。随后,在二维和三维的耦合模型中,计划采用深层水构成和垂直变换的更实用的参数化方法,并研究其百年到千年时间尺度的行为。
冰期循环尺度上的CO2和气候变化。俄罗斯南极洲东方站的冰数据表明,在最近43万年中,气候与大气中的CO2含量明显有关,以不对称为特征,pCO2在10万年的循环中有80 ppm,并迅速地变暖,在冰期终止时pCO2增加了(Petit et al., 1999)。这个结果与其后的深海沉积物数据分析一起表明,10万年的气候循环不是起因于冰盖动力学,而是起源于全球的碳循环。在10多年以前,我们中的一个人提出过一个相似的假设,即这些循环被看作是轨道强迫与海洋氮循环相互作用的结果(Shaffer,1990)。在这个模型中,海洋中增加的无机氮的量,主要是硝酸盐,来自于陆地(包括暴露的大陆架)和固氮细菌,并由于脱氮作用而减少。浮游植物的生长与无机氮有关,这就调节初级生产力、大气CO2(可能也有DMS)含量和气候,因而迅速终止与外海脱氮事件相一致。在新的冰芯结果的鼓舞下,将运用更实用的、耦合了各种复杂的模型来重新检验这一假设。这些模型将包括海洋的碳循环,并考虑水柱和沉淀物中的低价氧化物和缺氧再矿化处理,这些模型也包括稳定的氮同位素,其目的是更好地比较冰芯和沉淀物数据的结果。这项研究的挑战之一就是模拟观测到的冰期-间冰期pCO2变异的振幅,同时仍然满足气候循环中的“替代物”数据设立的现有限制条件。
气候对极端扰动的响应。地球系统的极端扰动有可能引起生物演化方面的显著的改变,或随后会造成生物的大量灭亡,或因为新环境状态的改变,而引起生物的某些生活型的进化。然而,人们对这些扰动和随之而来的系统响应的本质展开许多争论。我们将利用气候耦合模型,包括应用地质记录比较碳和氧的同位素,探索大的火流星撞击/火山活动增加以及甲烷的大量释放。
火流星撞击或火山喷发引起大气和海洋迅速的变冷(年到十年的时间尺度),因为大气烟雾遮住了太阳,冰的反照率反馈加重了最初的寒冷。耦合模型的模拟已说明了他们是如何引起全球的冰川作用的(雪球地球),后来,因为火流星撞击或火山喷发事件减少,再加上慢慢的太阳光增强,或两者兼而有之,在百年到千年的时间尺度内,大气和海洋开始变热(Bendtsen & Bjerrum 2001)。我们将把这项工作延伸到包括生物地球化学循环的耦合模型研究中。这种扰动中太阳光高度、大洋环流和海洋上层成层的变化将对生物产量、大气中CO2的含量和同位素分布造成了很大的影响。这项工作将为理解古生代绝灭事件和新元古代期( 5.4-10亿年前)的同位素记录提供新的见解。而且,我们将用CSM模型研究以这种事件为特征的海洋快速去层理-重新成层(rapid destratification-gradual restratification)的循环。
高分辨率的海洋和陆地记录说明了晚古新世温度峰值(LPTM,5500万年前)是迅速的长达20万年的气候事件,以深海突然变暖,两极(~6°C)较缓慢,随后两极变冷为特征(Zachos et al., 2001)。13C的同位素记录和深海的碳酸盐溶解表明,从海底沉积的甲烷水合物释放了大约2000 Gt 的温室气体甲烷,随后碳被耗尽,这就能解释LPTM事件(Dickens et al., 1997)。LPTM事件的完整的、正确的记录也许会给我们提供最好的地质记录,以便了解地球系统是怎样响应大量而迅速的温室气体输入的,正如目前人类活动所引起的温室气体排放一样。在侏罗纪和白垩纪已注意到了十分相似的同位素事件。我们将用简单模型和包括海洋沉积物化学的中等复杂模型,实现LPTM和侏罗纪期间发生的气候和生物地球化学变化的模拟试验。进一步,将利用由完全耦合所驱动的生物地球化学模型研究这个变化。以前,我们已用CSM的模型完成了早第三纪的模拟(Huber & Sloan,2001)。通过碳循环和沉积物过程的研究,我们期待能改善对气体释放事件的大小和后果的估算。
两年的计划。计划的头两年,我们将分析南太平洋的长期数据库和CSM模型的结果,指导年际和到十年时间尺度内变异的模型研究。将用千年气候变异的简单模型来完成这项工作,包括与沉积物中的稳定同位素比较研究。随后,在先前成果的指导下,将利用更复杂的模型就这个问题开展工作。我们将以相关的工作为基础,开发出一种新颖而简单的生物地球化学-气候模型,包括低价氧化物和缺氧再矿化过程,并进一步探索氮和碳循环在冰期-间冰期气候循环中的作用。得出的模型结果将会再次与冰芯和沉积物记录相比较,发展更先进的模型。我们将利用二维海洋模型与生物地球化学循环相耦合的模型来扩展气候系统扰动研究,模型试验结果将与K/T和二叠纪-三叠纪范围的稳定同位素相比较。晚古新世温度峰值(LPTM)研究中,最初关注的重点是对在该事件过程中甲烷快速除气作用和碳的缓慢吸收过程的简单模拟。
2.4  地球系统的演变
整个地质时期保存的沉积岩的化学物质表明,地球已从过去的化学还原的星球演化到了今天的以化学氧化为主的星球(Holland, 1994),而且,很有可能这是地球表面的化学发展和生物演化显著地相互作用的结果。因此,这就意味着直到蓝藻细菌进化后,大量O2才能积聚到地球上,O2的存在进一步地刺激了利用O2新陈代谢的演化,就像异养生物呼吸O2、硝化作用和methanotrophy(Canfield & Raiswell, 1999)。氧气也使许多象C、Fe、Mn、N、S一样的敏感元素的氧化还原作用的循环发生了变化,并更进一步地影响了生物进化的进程。通过对现代微生物的研究、地质记录的观察和模拟,进一步目的是了解地球表面环境的化学发展、了解控制这种发展的过程以及了解这些发展如何影响生物演化的进程。我们的主要研究目标如下:
硫循环的演变。由于微生物新陈代谢硫的化合物,所以在沉积物中积聚的硫化矿物质同位素(主要是黄铁矿、FeS2)由微生物进行同位素分馏。因为象硫酸盐浓度和O2这样的环境参数将会影响分馏的程度(Canfield & Teske,1996),沉积硫化物的同位素记录可能给不同的利用硫的有机体和地球表面环境的化学演化提供线索。我们不完全了解在不同的微生物代谢期间,是什么控制分馏的数量,因而我们解释这些记录的能力受到了限制。硫酸盐还原有机体把有机化合物和氢的氧化作用与硫酸盐的还原作用结合起来,这对同位素分馏来说,可能是最重要的有机体。可是,对控制分馏精确度的参数仍然知之甚少。为了让各种海洋和淡水中的硫酸盐还原菌在80℃生长,我们将继续在硫酸盐还原作用中探索控制同位素分馏的要素。我们将确定有机电子体的类型和浓度是如何影响分馏的,并将特别关注H2(硫酸盐还原剂来的一种重要酶),但是其在低环境分压下的分馏还没有研究过。
保存在2.5Ga前的沉积硫化物中的少量分馏暗示着硫酸盐的还原作用在低浓度硫酸盐的海水中继续进行,但不能确定浓度(Canfield et al., 2000)。通过详细研究海洋和淡水中的硫酸盐还原时期硫酸盐浓度和同位素分馏之间的关系,我们将校准同位素的纪录,并对早期海洋硫酸盐浓度加上重要限制条件。同位素记录也证明了存在于2.4Ga沉积物中的微量同位素33S和36S有大量的独立分馏,这表明可能硫的大气循环量大,大气中O2的浓度低(Farquhar et al., 2000)。我们将与马里兰大学James Farquhar合作,探索2.4 Ga前微量的硫同位素的另一种解释,细菌硫化过程中大量独立微量同位素分馏。
沉积硫化物的同位素记录仍然存在重大认识差距。我们将继续努力了解新元古代硫的循环、“雪球世界”的时代、大气中O2的增加可能性以及动物的演化。我们将与哈佛大学的Andy Knoll合作,研究她收集的年代地层学的丰富藏品。我们也将通过与Western Ontario大学的Grant Young的合作,指导加拿大Mackenzie山脉的现场工作,收集“雪球世界”斯图尔特冰川作用之前、之中、之后沉淀的0.7 Ga新样品。我们希望收集加拿大苏必略省1.9 Ga的冈弗林铁建造页岩样品,这些页岩是在硫循环大型重构时沉淀的,包括到深海硫的跃迁(Canfield, 1998)。追溯过去,我们希望从3.8Ga Isua复合体中,在深水沉积物中能找到细菌硫循环的最早期踪迹,以及海洋和大气化学的线索。 关于这项工作,Roger Buick(华盛顿大学)和Minik Rosing(哥本哈根大学地质博物馆)将开展合作。我们将研究所有地质样品,看看变化程度,也将分析硫同位素成分的最小变化。我们还将测定铁的物种形成和铁、硫及有机碳的浓度,确定沉积物沉淀处的洋底水氧化状态(Canfield & Raiswell,1999)。
条带状铁沉积(BIF)中的磷。太古代和早原生代条带状铁沉积中的磷的含量(用磷在热成岩铁氧化物中的吸附系数校准)表明了当时海水溶解的磷的浓度不到现代海洋平均数的5倍(Bjerrum & Canfield,2001)。正如地质记录所表示的那样,在带状铁沉积活动沉淀期间,海洋中磷的低浓度将限制初级生产量和大气O2增长量(Holland, 1994;Bjerrum & Canfield, 2001)。有关带状铁矿磷含量数据相当有限,我们希望获得更多这方面数据。由于我们有大量保护良好的带状铁矿样品(自己的、同事的和采矿公司收集的)和新的野外样品,所以我们将用手掌大小的样品和单个的微条带,研究磷和铁之间的关系。将从不同的沉积环境、水体深度中选择条带状铁矿,从水体深度中加以限制后可能得到。我们将特别关注条带状铁矿中的铁的氧化程度和被保存的磷的矿物学。其目标就是绘制一个条带状铁矿的磷含量时间系列表,经与现代热液沉积物的研究,使我们在古海洋磷浓度的研究上可以附加更有力的限制条件。
低pO2下氧的新陈代谢。有氧呼吸对于目前氧来说是最重要的源,并且引起争论,说明了在碳循环积极参与光合作用生成氧的情况下,氧呼吸的过程在保持低氧浓度方面肯定在太古代已起到了相似的作用(Towe,1990)。因此,在含氧量低的时候,氧呼吸的调节特性可能会大量的限制前寒武纪的大气成分。相反地,习惯在这种低pO2中进行新陈代谢的有机体之间的系统发育关系,很可能为利用氧气进行新陈代谢的时间选择提供了线索。由于还很缺乏有关氧呼吸动力学的详细调查,所以我们将会运用亚数量级浓度的氧来研究微生物的能力。通过广泛选择自然生长的微生物种群和纯粹培养、与环境状况相关和有机体的生理机能及发展史,氧消耗动力学将被量化。因此,个别的有机体将被挑出来以表示生物演化谱系图解的不同部分、新陈代谢的不同种、不同细胞的尺寸和不同时的氧浓度。我们将研究氧呼吸动力学与选出的有机体的生长条件和自然环境条件的依赖关系。将在永久寒冷的北极沉积物中(与NERI的Søren Rysgaard合作完成)、黄石国家公园热液系统中、光合自养的微生物包内、缺氧盆地含氧量低的地带找到一些极值。通过模拟氧分布,用极谱分析测量低氧浓度,并以分批和连续培养方式进行动力学分析。
硫同位素的成岩作用模拟。动态同位素效应与细菌硫酸盐还原作用以及其他可能发生的生物转化之间相关联,该过程同时和硫化物通过如分子扩散和粒子混合等物理方式发生的重新分配相互作用,从而造成了生物源硫化物同位素沉降在古代和现代沉积物中这一现象(Jorgensen,1979;Habicht & Canfield,2001)。由于硫酸盐还原作用被硫酸盐的供应限制了,因此,在硫酸盐浓度很低时,有关同位素标记迁移的影响就变得愈加重要。因此,只能通过成岩作用的反应传送(反应-传送器)模拟来正确预测沉积物中细菌界留下来的同位素。为了把正在扩大的由细菌引起的同位素分馏数据库与在沉积铁矿硫化物中测量到的同位素成分在计量上相联系起来,我们希望开发一个沉积物中硫和铁循环的综合性数值模型。这个计划用到的模型将估计缺氧的前寒武纪海洋中的硫酸盐浓度,分析硫化物同位素成分中氧化的硫的影响。这个模型的开发将与弗吉尼亚大学Peter Berg合作完成,并与详细分析现代海洋沉积物和淡水沉积物中的硫化物同位素的成分进行校准。
两年计划。头两年将更进一步地了解硫酸盐浓度和H2浓度在同位素分馏中的作用,这种作用是由硫酸盐还原菌引起的,也将了解硫新陈代谢期间的微量硫同位素分馏。还将在Mackenzie山脉和冈弗林(Gunflint)铁形成过程中收集古沉积物样品。还应该研究条带状铁沉积(BIFs)中的磷含量。头两年,打算研制测定氧呼吸动力学的实验设备,并通过培养环境和自然环境调查评价这种氧呼吸动力学的一般变率。将建立和采用缺氧海洋沉积物中硫循环的成岩作用模型,并将增加模型的复杂性,包括具有现代沉积物特征的氧化过程。
3  组织结构、人员、资源与科学合作
Gray Shaffer教授将继续担任DCESS的主任,他的研究兴趣很广,如观测和模拟海洋循环、生物地球化学循环以及气候变化,范围从现代到地质年代,从区域到全球。Don Canfield教授继续担任副主任,领导欧登塞研究小组,他的研究兴趣也很广,横跨地质学、地球化学、微生物生态学等,在用硫化物同位素研究地球演变方面无人能比。J. Ray Bates教授将继续担任副主任,并负责有关气候系统稳定性和敏感性等的基础研究。其他DCESS成员,如 Detlef Quadfasel 教授和 Bo Thamdrup教授等也将参加研究,Detlef Quadfasel教授是一位有经验的观测海洋学家,将主要领导水形成试验; Bo Thamdrup教授是一位海洋地球化学家,主要领导开展有关沉积物形成过程的试验研究。
一批年轻科学家将继续与我们合作,并参加DCESS第二阶段的研究工作。这些年轻科学家主要有:Vladimir Alexeev (主要从事大气与气候模型研究), Jørgen Bendtsen (主要从事海洋与气候模型研究), Christian Bjerrum (主要从事海洋与地球生物化学模型研究), Kirsten Habicht (主要从事微生物过程研究),Silvia Venegas (主要从事海洋与大气数据分析)。同时实验室工作和野外工作以及计算机数据分析工作还将得到Jannis Bouchikas、 Henning Hundahl、 Lillian Salling、Peter Søholt和Per Ingvar Sehlstedt 等的大力支持与帮助。我们将在DCESS的Jens Olaf Pepke Pedersen副教授、Susanne Knappe秘书(负责哥本哈根事务)和Mette Andersen (负责欧登塞方面的工作)管理下开展研究工作。每周将在哥本哈根和欧登塞进行各研究组工作进展汇报会议,定期举办信息与科技研讨班。下一步计划是在任何时候保持8-9名博士后和5-6名博士岗位(目前DCESS有11个国家的科研人员在合作开展工作),这样,在哥本哈根和欧登塞分别有20-24名和10-12名DCESS成员同时开展工作。与此同时,我们还欢迎有兴趣的学者进行短期或长期的访问交流。正如我们在本文和以前的材料中所说的那样,DCEES和国内外科研机构之间有着广泛的合作和交流。目前我们正在和丹麦等国家的杰出科学家们有着广泛而深入的合作,并和兄弟院所如PROFC研究所有着密切的合作,参与了NASA太空生物学研究所和全球气候研究计划中的气候变异与预测研究项目(CLIVAR)等。DCESS是丹麦与国际上进行科学交流的窗口。我们的研究与了解全球变化高度相关,这关系到丹麦未来。我们已经为后期深入研究购置与建设了基础设施和计算机资源,例如:在哥本哈根安装升级了3倍的计算机设施能力,还需要进一步购置与完善设施,如水形成试验仪器(大约320万丹麦克郎)、物质分光计(约150万丹麦克郎)等。我们的很多工作和仪器,如Detlef Quadfasel 教授在北大西洋的观测研究等,主要是由丹麦自然科学研究理事会和欧盟来提供额外资助的。另外,我们还在努力寻求其它资助途径,希望每年有200-300万丹麦克郎。
4   DCESS 和其主持机构
DCESS 主要受NBIfAFG(在哥本哈根)和IBS(在欧登塞,Odense)领导。在上述两个地点,都配备了很好的试验器材、基础设施、实验室、电子与机械车间、图书馆等。同时,我们的上级研究所为DCESS的成员(Don Canfield,J.Ray Bates,Detlef Quadfasel等人员)提供基本工资和技术支撑。哥本哈根大学的科学学院由于受资金的制约,NBIfAFG从1997年以来就被迫裁减了大约25%的岗位。然而,同一时期,研究所却对中心的研究领域给予极大的支持,增加了一个海洋学研究人员永久岗位,顶替Gray Shaffer教授,而Gray Shaffer教授本人则担任了中心主任,还增补了一个现已空缺的气象学研究的终身岗位。同时,如我们在自我评估报告中所说的那样,也在上级单位内积极开展教学、研究和培训。最近五年内,DCESS将在保证原有资助基金的基础上(如果可能),继续努力申请更多的资金资助。我们已与欧登塞的科学与工程学院院长达成了续签支持中心的协议。研究所所长Nils Andersen保证,尽管可预见NBIfAFG将还要裁员,但会继续向位于哥本哈根的DCESS提供现有水平的支持。此外,有关气候研究将成为NBIfAFG的学院更新计划中的优先研究领域。

(李延梅译  张海华校   林  海审)
译自:Gary Shaffer, Donald Canfield, J Ray Bates. Danish Center for Earth System Science Research Plan(2002-2007). August 17,2001.

 



摘自:《地球系统科学发展战略研究》