早期人类活动对地球大气的影响比之前所知的要多


在南极洲东部钻取了四个南极大陆的冰芯,其中两个是作为挪威-美国国际极地年南极科学横贯计划的一部分。信贷斯坦Tronstad

一项新的研究将南极冰芯中炭黑的增加与700多年前新西兰的Māori燃烧行为联系起来。

几年前,在分析南极詹姆斯·罗斯岛的冰芯样本时,来自DRI的科学家乔·麦康奈尔博士、内森·切尔曼博士和英国南极调查局的罗伯特·马尔瓦尼博士注意到一些不寻常的事情:黑碳的含量从1300年左右开始大幅增加,一直持续到现在。

黑碳,通常被称为煤烟,是一种吸光颗粒,来自生物质燃烧(如森林火灾)和化石燃料燃烧等燃烧源。McConnell、Chellman和Mulvaney与来自英国、奥地利、挪威、德国、澳大利亚、阿根廷和美国的国际科学家团队合作,着手发现南极冰层中捕获的黑碳意外增加的原因。

该研究小组的发现发表在本周的《自然》杂志上,指出了一个不太可能的来源:新西兰古老的Māori烧地行为,其规模影响了南半球大部分地区的大气,使该地区过去2000年的其他工业化前排放相形见绌。

设计和领导这项研究的DRI水文学研究教授麦康奈尔说:“历史上的这个时候,人类通过他们的土地清理活动导致了大气中黑碳的显著变化,这一想法非常令人惊讶。”。“我们曾经认为,如果你追溯到几百年前,你会看到一个原始的前工业时代的世界,但从这项研究中可以清楚地看出,人类至少在过去700年中一直在影响着南大洋和南极洲半岛的环境。”

黑碳溯源

为了确定黑碳的来源,研究小组使用DRI独特的连续冰核分析系统分析了从詹姆斯罗斯岛和南极洲大陆收集的6个冰核。2007年,麦康奈尔的实验室首次开发出分析冰中的黑碳的方法。

詹姆斯·罗斯岛的冰芯显示,从1300年左右开始,黑炭含量显著增加,在随后的700年间,黑炭含量增加了三倍,并在16世纪和17世纪达到峰值,而同期南极大陆的黑炭含量保持相对稳定。

维也纳大学的Andreas Stohl博士领导了对南半球周围黑碳的输送和沉积的大气模型模拟,以支持这一发现。

斯托尔说:“从我们的模型和在南极洲冰层上看到的沉积模式来看,很明显,巴塔哥尼亚、塔斯马尼亚和新西兰是大约1300年开始增加的炭黑排放的最有可能的源头。”

在查阅了这三个地区的古火灾记录后,只有一个可行的可能性存留下来:新西兰,那里的木炭记录显示,火灾活动从大约1300年开始大幅增加。这个日期也与预计的到来、殖民以及随后的Māori人对新西兰森林地区的焚烧相吻合。

这是一个令人惊讶的结论,考虑到新西兰相对较小的陆地面积和距离(近4500英里),烟雾会传播到詹姆斯罗斯岛的冰芯。

“与亚马逊、南非或澳大利亚等地的自然燃烧相比,你不会认为新西兰的Māori燃烧会有很大的影响,但它在南大洋和南极半岛上有影响,”Chellman说,他是DRI的博士后研究员。“能够使用冰芯记录来显示对整个南大洋大气化学的影响,并能够将其归因于700年前Māori的到来和新西兰的定居,这真是令人惊讶。”

研究影响

研究结果很重要,原因有很多。首先,研究结果对我们了解地球的大气层和气候有重要意义。现代气候模型依赖于过去气候的准确信息来预测未来,特别是与地球辐射平衡相关的吸收光的黑碳的排放量和浓度。尽管人们通常认为,与背景或自然燃烧相比,前工业时代的人类影响可以忽略不计,但这项研究提供了新的证据,证明人类相关燃烧产生的排放物对地球大气和气候的影响比以前想象的要早得多,而且规模要大得多。

第二,生物质燃烧产生的沉降物富含铁等微量元素。南大洋大部分海域的浮游植物生长是营养有限的,因此Māori燃烧所产生的沉降物的增加可能导致了几个世纪以来南半球大片区域的浮游植物生长增强。

第三,研究结果完善了已知的毛利人到达新西兰的时间。新西兰是地球上最后一个被人类殖民的可居住的地方之一。毛利人到达新西兰的日期根据放射性碳年代从13世纪到14世纪不等,但冰芯记录可能提供的更精确的年代测定准确地指出了大规模活动的开始新西兰早期毛利人焚烧鳞片至1297年,不确定性为30年。

麦康奈尔说:“根据这项研究和我们团队之前做的其他工作,比如研究古罗马时期北极地区2000年的铅污染,很明显,冰芯记录对于了解过去人类对环境的影响非常有价值。”“即使是地球上最偏远的地区,在前工业化时代也不一定是原始的。”

其他信息:

完整的研究《13世纪后半球黑碳增加Māori抵达新西兰》可以在《自然》杂志上找到:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03858-9

研究作者包括Joseph R.McConnell(DRI)、Nathan J.Chellman(DRI)、Robert Mulvaney(英国南极考察)、Sabine Eckhardt(挪威空气研究所)、Andreas Stohl(维也纳大学)、Gill Plunkett(贝尔法斯特女王大学)、Sepp Kipfstuhl(德国阿尔弗雷德韦格纳研究所)、Johannes Freitag(德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所)、伊丽莎白·艾萨克森(挪威极地研究所)、凯利·E·格里森(DRI/波特兰州立大学)、桑德拉·O·布鲁格尔(DRI)、大卫·B·麦克维西(蒙大拿州立大学)、内里·J·艾布拉姆(澳大利亚国立大学)、刘鹏飞(佐治亚理工学院/哈佛大学)和阿尔贝托·J·阿里塔林(阿根廷安塔蒂科研究所)。

这项研究得到了美国国家科学基金会(0538416,0968391,1702830,1832486,和1925417)、DRI和瑞士国家科学基金会(P400P2_199285)的资助。

如欲了解更多有关DRI冰芯实验室的资料,请浏览:https://www.dri.edu/labs/trace-chemistry-laboratory/

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沙漠研究所(DRI) 是公认的世界领先的基础和应用环境研究机构。致力于科学卓越和诚信,DRI的教师、与他们一起工作的学生和工作人员在全球的研究项目中开发了科学知识和创新技术。自1959年以来,DRI的研究提升了从人类对环境的影响到环境对人类的影响等主题的科学知识。DRI有影响力的科学和鼓舞人心的解决方案支持内华达州的多元化经济,提供基于科学的教育机会,并为决策者、商业领袖和社区成员提供信息。在拉斯维加斯和里诺设有分校,DRI是内华达州高等教育系统的非营利研究机构。欲了解更多信息,请访问www.dri.edu。

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