中外科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)全球穩(wěn)定同位素存在“反高程效應(yīng)”新視角

　　大氣環(huán)流視角的夏季美國(guó)西部（a）和青藏高原北部（b）“反高程效應(yīng)”形成機(jī)制示意圖。中科院青藏高原所 供圖

　　記者從中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所(中科院青藏高原所)獲悉，該所環(huán)境變化與多圈層過程團(tuán)隊(duì)余武生研究員聯(lián)合美國(guó)、澳大利亞等科研同行最新完成的研究發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，從大氣水汽穩(wěn)定同位素的新視角，可以系統(tǒng)地揭示不同地表介質(zhì)穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應(yīng)”的原因，并對(duì)未來(lái)利用穩(wěn)定同位素方法重建古高度的工作提出重要建議。

　　這項(xiàng)由余武生研究員和美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)羅尼·湯普森(Lonnie Thompson)教授、澳大利亞詹姆斯庫(kù)克大學(xué)斯蒂芬·劉易斯(Stephen Lewis)博士等合作完成的重要成果論文，近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》在線發(fā)表。

　　夏季美國(guó)西部和亞洲干旱區(qū)不同層水汽穩(wěn)定同位素的“反高程效應(yīng)”的空間分布格局。　中科院青藏高原所 供圖

　　論文通訊作者余武生長(zhǎng)期從事亞洲水汽、降水穩(wěn)定同位素研究，他介紹說，青藏高原的隆升歷史，尤其是新生代(距今約6500萬(wàn)年)青藏高原古高度變化是地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的重點(diǎn)、熱點(diǎn)和難點(diǎn)。古高度重建方法主要有古生物、穩(wěn)定同位素古高度計(jì)和團(tuán)簇同位素溫度計(jì)等。其中，穩(wěn)定同位素古高度計(jì)方法最為成熟，已被廣泛應(yīng)用于青藏高原、阿爾卑斯山、安第斯山以及落基山等古高度重建工作中。

　　利用穩(wěn)定同位素方法重建古高度，是基于穩(wěn)定同位素的“高程效應(yīng)”原理，也就是隨著海拔逐漸升高，地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素值逐漸降低。然而，該方法假設(shè)數(shù)百萬(wàn)年來(lái)氣候條件基本不變，這顯然不符合實(shí)際情況，因而造成該方法重建的結(jié)果與其它方法所得到的結(jié)果不一致。

　　余武生指出，近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在全球一些地區(qū)不同地表介質(zhì)中(包括冰芯、積雪、雨水、河水等)穩(wěn)定同位素存在“反高程效應(yīng)”的異常現(xiàn)象，即這些介質(zhì)中穩(wěn)定同位素值隨海拔升高而增加。“反高程效應(yīng)”異常現(xiàn)象的出現(xiàn)，與穩(wěn)定同位素古高度計(jì)的理論基礎(chǔ)相沖突，限制了該方法在古高度重建工作的廣泛應(yīng)用。

　　目前，不同地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應(yīng)”的原因仍然不明。對(duì)此，中外合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)西部和亞洲干旱區(qū)(從紅海到青藏高原北部)等地區(qū)對(duì)流層中層的水汽穩(wěn)定同位素也類似存在“反高程效應(yīng)”，而且其空間分布格局與地表介質(zhì)中穩(wěn)定同位素“反高程效應(yīng)”的空間分布格局基本一致。

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水汽穩(wěn)定同位素出現(xiàn)“反高程效應(yīng)”須具備兩個(gè)不可或缺的因素，即遠(yuǎn)源區(qū)的水汽富含高同位素值和該高同位素的水汽能夠從遠(yuǎn)源區(qū)橫向輸送到靶區(qū)。這項(xiàng)研究認(rèn)為，“反高程效應(yīng)”在降水發(fā)生之前就已出現(xiàn)在水汽中，由于水汽是降水的“物質(zhì)來(lái)源”，因此水汽穩(wěn)定同位素的“反高程效應(yīng)”被深深烙印在降水中。

　　余武生認(rèn)為，青藏高原等山體逐步隆升導(dǎo)致更大范圍內(nèi)大氣環(huán)流格局的變化，進(jìn)而改變了水汽源區(qū)和水汽輸送路徑及水汽穩(wěn)定同位素值的固有特征。這些變化使得穩(wěn)定同位素古高度計(jì)在這些地區(qū)的應(yīng)用變得更為復(fù)雜。因此，在利用穩(wěn)定同位素古高度計(jì)之前，需要仔細(xì)考慮山體不同隆升階段水汽來(lái)源和水汽輸送路徑的變化及其對(duì)穩(wěn)定同位素值的影響。

　　與此同時(shí)，這項(xiàng)國(guó)際合作研究結(jié)果還為理解不同海拔高度冰芯穩(wěn)定同位素記錄提供了新思路。論文合作作者羅尼·湯普森注意到，青藏高原北部古里雅冰川頂部6700米冰芯的平均氧同位素值高于6200米冰芯的平均氧同位素值，此次研究結(jié)果解決了他的困惑——“‘反高程效應(yīng)’提出了一個(gè)重要的科學(xué)問題，可以解釋更長(zhǎng)時(shí)間尺度穩(wěn)定同位素記錄的異常變化”。