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古海洋學

九月 25, 2023

古海洋學（英語：Paleoceanography） 是研究過去地質時代的海洋歷史，包括循環、化學、生物學、地質學和沈積模式以及生物生產力。古海洋學研究使科學界能夠利用環境模型和不同指標物證，重建過去不同時間的古氣候，並評估海洋系統對全球氣候中的影響。 古海洋學研究也與古氣候學密切相關。

古海洋學利用間接方法來推斷有關海洋過去狀態和演變的信息。 例如地球化學間接方法包括長鏈有機分子（例如烯酮）、穩定和放射性同位素以及稀有金屬[1]。 此外，沉積物岩心也很有用。 古海洋學領域與沈積學和古生物學密切相關。

海水表面溫度 编辑

海水表面溫度 (SST) 記錄可以從深海沉積物岩心中提取，使用氧同位素比和鎂與鈣的比例 (Mg/Ca)。提取這些資料可從浮游生物貝殼分泌物中、長鏈有機分子（如烯酮）、 靠近海面的熱帶珊瑚，以及來自軟體動物的貝殼 [2]。

氧同位素比 (δ18O)，因受海水溫度而異，故可用於重建海水表面溫度。若與海水處於熱力學平衡狀態，浮游生物在建造它們的外殼時會吸收氧氣，若在溫暖的水域中形成時，它們的 δ18O 含量會減少[3]。 當這些貝殼沉澱時，會形成海底沉積物，其 δ18O 可用於推斷過去的海水表面溫度[4]. 然而，海水中氧同位素比率也受其他因素影響。列如大陸冰蓋中的冰也可能會影響海水δ18O。大陸冰蓋中的淡水其 δ18O 值較低。因此在冰期，海水 δ18O 升高，在此期間形成的方解石外殼具有較大的 δ18O 值[5][6].

在 CaCO3 殼中用鎂代替鈣可以代替形成殼的海水表面溫度。除了溫度之外，Mg/Ca 比還受其他幾個影響因素，例如生命效應、外殼清潔、死後和沈積後溶解效應等[2]。 目前Mg/Ca 比率已成功量化了在末次冰期期間所發生熱帶冷卻[7]。

烯酮是由藻類光合作用產生的長鏈、複雜的有機分子。它們對溫度敏感，而且可以從海洋沉積物中提取。使用烯酮可代表海水表面溫度和藻類之間更直接的關係，無需了解 在研究CaCO3中所需的生物和物理-化學熱力學關係[8]。使用烯酮的另一個優點是它是光合作用的產物，需要在表層的陽光下形成。因此，它可以更能代表海水表面溫度[2]。

底水溫度 编辑

推斷深海溫度歷史最常用的替代指標是底棲有孔蟲和介形蟲中的 Mg/Ca 比率。由 Mg/Ca 比率推斷的溫度已經證實，在晚更新世冰期期間，深海的冷卻溫度差高達 3 °C[2]。 一項值得注意的研究是 Lear [2002]等人的研究。他們在 9 個地點校準底部水溫與 Mg/Ca 比率公式，涵蓋各種深度和多達 6 種不同底棲有孔蟲（取決於位置）的樣本 [9]。發現底部水溫和Mg/Ca 比率關係是一個指數方程。 其中 Mg/Ca 是底棲有孔蟲中的 Mg/Ca 比值，BWT 是底水溫度 [10]。

沉積物記錄 编辑

沉積物記錄可以告訴我們很多關於我們過去的資料，並有助於對未來做出推斷。古海洋學領域的研究可以追溯到 1930 年代或更早[11]。 目前使用沉積物岩心掃描方法，可以實施分割時間的重建研究。類似於在南極的冰芯記錄中進行的研究[12]。 古生物體的相對豐度可利用一定時間間斷内。使用古生產力方法（例如測量總矽藻豐度）來估計[13]。沉積物記錄也可以提供過去天氣模式和海洋環流的資料，例如 Deschamps 等人。描述了他們對楚科奇-阿拉斯加（Chukchi-Alaskan）和加拿大博福特邊緣（Canadian Beaufort Margins）沉積物記錄的研究[14]。

鹽度 编辑

推算斷過去鹽度歷史是一個比較具挑戰性的工作。與氧同位素相比，利用岩芯記錄中的過量氘可以更好地推斷海面鹽度。因為矽藻的相對豐度僅限於某些鹽度範圍内，所以矽藻可以提供半定量的鹽度記錄 [15]。根據資料，過去全球水循環和海洋鹽度平衡有變化，北大西洋鹽分增加，印度洋和太平洋的亞熱帶鹽分減少[16]。 [17]. 隨著海水循環的變化，鹽的垂直分佈也發生了變化[18]。 淡水的大量入侵和鹽度的變化也可能導致海冰範圍的減少[19].

海洋環流 编辑

推斷過去的海洋環流及其變化，可利用下列幾種間接證據。它們包括碳同位素比、鎘/鈣 (Cd/Ca) 比、镤/釷同位素（231Pa 和 230Th）、放射性碳活度（δ14C）、釹同位素（143Nd 和 144Nd）和分選在 10 和 63 微米之間的深海沉積物。 [2]碳同位素和鎘/鈣比率的變化，部分是受於海底水化學的影響，而海底水化學受其形成的來源有關 [20] [21]。這些比率也受到複雜化的生物、生態和地球化學作用的影響。

酸度、pH值和鹼度 编辑

硼同位素比 (δ11B) 可用於推斷海洋近期和千年時間尺度，酸度、pH 和鹼度的變化，這主要是由大氣中的 CO2 濃度和海洋中的碳酸氫根離子濃度造成的。 在西南太平洋的珊瑚中，發現 δ11B 隨海洋 pH 值的變化而變化，並表明諸如太平洋十年涛动 (PDO) 等氣候變化。亦可以模擬由於大氣 CO2 濃度上升而導致的海洋酸化的影響[22]。 浮游生物殼中的δ11B也可用來推斷過去幾百萬年大氣 CO2 濃度的變化 [23]。

參考文獻 编辑

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九月 25, 2023
古海洋學, 英語, paleoceanography, 是研究過去地質時代的海洋歷史, 包括循環, 化學, 生物學, 地質學和沈積模式以及生物生產力, 研究使科學界能夠利用環境模型和不同指標物證, 重建過去不同時間的古氣候, 並評估海洋系統對全球氣候中的影響, 研究也與古氣候學密切相關, 利用間接方法來推斷有關海洋過去狀態和演變的信息, 例如地球化學間接方法包括長鏈有機分子, 例如烯酮, 穩定和放射性同位素以及稀有金屬, 此外, 沉積物岩心也很有用, 領域與沈積學和古生物學密切相關, 目录, 海水表面溫度, 底水溫. 古海洋學 英語 Paleoceanography 是研究過去地質時代的海洋歷史 包括循環 化學 生物學 地質學和沈積模式以及生物生產力 古海洋學研究使科學界能夠利用環境模型和不同指標物證 重建過去不同時間的古氣候 並評估海洋系統對全球氣候中的影響 古海洋學研究也與古氣候學密切相關 古海洋學利用間接方法來推斷有關海洋過去狀態和演變的信息 例如地球化學間接方法包括長鏈有機分子 例如烯酮 穩定和放射性同位素以及稀有金屬 1 此外 沉積物岩心也很有用 古海洋學領域與沈積學和古生物學密切相關 目录 1 海水表面溫度 2 底水溫度 3 沉積物記錄 4 鹽度 5 海洋環流 6 酸度 pH值和鹼度 7 參考文獻 海水表面溫度 编辑 海水表面溫度 SST 記錄可以從深海沉積物岩心中提取 使用氧同位素比和鎂與鈣的比例 Mg Ca 提取這些資料可從浮游生物貝殼分泌物中 長鏈有機分子 如烯酮 靠近海面的熱帶珊瑚 以及來自軟體動物的貝殼 2 氧同位素比 d18O 因受海水溫度而異 故可用於重建海水表面溫度 若與海水處於熱力學平衡狀態 浮游生物在建造它們的外殼時會吸收氧氣 若在溫暖的水域中形成時 它們的 d18O 含量會減少 3 當這些貝殼沉澱時 會形成海底沉積物 其 d18O 可用於推斷過去的海水表面溫度 4 然而 海水中氧同位素比率也受其他因素影響 列如大陸冰蓋中的冰也可能會影響海水d18O 大陸冰蓋中的淡水其 d18O 值較低 因此在冰期 海水 d18O 升高 在此期間形成的方解石外殼具有較大的 d18O 值 5 6 在 CaCO3 殼中用鎂代替鈣可以代替形成殼的海水表面溫度 除了溫度之外 Mg Ca 比還受其他幾個影響因素 例如生命效應 外殼清潔 死後和沈積後溶解效應等 2 目前Mg Ca 比率已成功量化了在末次冰期期間所發生熱帶冷卻 7 烯酮是由藻類光合作用產生的長鏈 複雜的有機分子 它們對溫度敏感 而且可以從海洋沉積物中提取 使用烯酮可代表海水表面溫度和藻類之間更直接的關係 無需了解 在研究CaCO3中所需的生物和物理 化學熱力學關係 8 使用烯酮的另一個優點是它是光合作用的產物 需要在表層的陽光下形成 因此 它可以更能代表海水表面溫度 2 底水溫度 编辑 推斷深海溫度歷史最常用的替代指標是底棲有孔蟲和介形蟲中的 Mg Ca 比率 由 Mg Ca 比率推斷的溫度已經證實 在晚更新世冰期期間 深海的冷卻溫度差高達 3 C 2 一項值得注意的研究是 Lear 2002 等人的研究 他們在 9 個地點校準底部水溫與 Mg Ca 比率公式 涵蓋各種深度和多達 6 種不同底棲有孔蟲 取決於位置 的樣本 9 發現底部水溫和Mg Ca 比率關係是一個指數方程 其中 Mg Ca 是底棲有孔蟲中的 Mg Ca 比值 BWT 是底水溫度 10 沉積物記錄 编辑 沉積物記錄可以告訴我們很多關於我們過去的資料 並有助於對未來做出推斷 古海洋學領域的研究可以追溯到 1930 年代或更早 11 目前使用沉積物岩心掃描方法 可以實施分割時間的重建研究 類似於在南極的冰芯記錄中進行的研究 12 古生物體的相對豐度可利用一定時間間斷内 使用古生產力方法 例如測量總矽藻豐度 來估計 13 沉積物記錄也可以提供過去天氣模式和海洋環流的資料 例如 Deschamps 等人 描述了他們對楚科奇 阿拉斯加 Chukchi Alaskan 和加拿大博福特邊緣 Canadian Beaufort Margins 沉積物記錄的研究 14 鹽度 编辑 推算斷過去鹽度歷史是一個比較具挑戰性的工作 與氧同位素相比 利用岩芯記錄中的過量氘可以更好地推斷海面鹽度 因為矽藻的相對豐度僅限於某些鹽度範圍内 所以矽藻可以提供半定量的鹽度記錄 15 根據資料 過去全球水循環和海洋鹽度平衡有變化 北大西洋鹽分增加 印度洋和太平洋的亞熱帶鹽分減少 16 17 隨著海水循環的變化 鹽的垂直分佈也發生了變化 18 淡水的大量入侵和鹽度的變化也可能導致海冰範圍的減少 19 海洋環流 编辑 推斷過去的海洋環流及其變化 可利用下列幾種間接證據 它們包括碳同位素比 鎘 鈣 Cd Ca 比 镤 釷同位素 231Pa 和 230Th 放射性碳活度 d14C 釹同位素 143Nd 和 144Nd 和分選在 10 和 63 微米之間的深海沉積物 2 碳同位素和鎘 鈣比率的變化 部分是受於海底水化學的影響 而海底水化學受其形成的來源有關 20 21 這些比率也受到複雜化的生物 生態和地球化學作用的影響 酸度 pH值和鹼度 编辑 硼同位素比 d11B 可用於推斷海洋近期和千年時間尺度 酸度 pH 和鹼度的變化 這主要是由大氣中的 CO2 濃度和海洋中的碳酸氫根離子濃度造成的 在西南太平洋的珊瑚中 發現 d11B 隨海洋 pH 值的變化而變化 並表明諸如太平洋十年涛动 PDO 等氣候變化 亦可以模擬由於大氣 CO2 濃度上升而導致的海洋酸化的影響 22 浮游生物殼中的d11B也可用來推斷過去幾百萬年大氣 CO2 濃度的變化 23 參考文獻 编辑 Henderson Gideon M October 2002 New oceanic proxies for paleoclimate Earth and Planetary Science Letters 203 1 1 13 Bibcode 2002E amp PSL 203 1H doi 10 1016 S0012 821X 02 00809 9 2 0 2 1 2 2 2 3 Cronin Thomas M 2010 Paleoclimates understanding climate change past and present New York Columbia University Press ISBN 9780231144940 Urey Harold C 1947 The thermodynamic properties of isotopic substances Journal of the Chemical Society Resumed 562 81 doi 10 1039 JR9470000562 PMID 20249764 Emiliani C 1955 Pleistocene temperatures Journal of Geology 63 6 538 578 Bibcode 1955JG 63 538E doi 10 1086 626295 JSTOR 30080906 S2CID 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Serrano Jean amp St Onge Guillaume amp Poirier Andre 2019 Holocene changes in deep water circulation inferred from authigenic Nd and Hf isotopes in sediment records from the Chukchi Alaskan and Canadian Beaufort margins Key points Paleoceanography and Paleoclimatology 34 10 1029 2018PA003485 Bauch Henning A Polyakova Yelena I June 2003 Diatom inferred salinity records from the Arctic Siberian Margin Implications for fluvial runoff patterns during the Holocene PDF Paleoceanography 18 2 n a Bibcode 2003PalOc 18 1027B doi 10 1029 2002PA000847 Yu L A global relationship between the ocean water cycle and near surface salinity J Geophys Res Oceans 116 C10025 2011 Vinogradova N amp Ponte R In search of fingerprints of the recent intensification of the ocean water cycle J Clim 30 5513 5528 2017 Liu C Liang X Ponte R M et al Vertical redistribution of salt and layered changes in global ocean salinity Nat Commun 10 3445 2019 Goosse H and Zunz V Decadal trends in the Antarctic sea ice extent 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