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关于太阳活动对氧同位素潜在影响的新见解

更新时间:2023-11-16      点击次数:421

 

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石笋的氧同位素组成(δ18O)已被广泛用于重建夏季风变率,然而,太阳活动与季风系统之间的关系尚不清楚。本研究基于中国中部鸡冠洞2010-2022年13年间的降水、洞穴滴水和现代洞穴堆积物的δ18O值监测活动。通过分析不同厄尔尼诺事件下的水汽环流和当地降水线(LMWL)发现,在季节-年际时间尺度上,降水量 δ18O值反映了大气水汽环流,此外我们利用交叉小波变换分析研究了太阳黑子数(SSN)和亚洲夏季季风(ASM)之间的周期关系,因为太阳活动是对ASM最重要的外部影响之一。我们研究区域的石笋δ18O数据反映了由太阳活动引起的当地降水的年代际变化。与δ18O值相关的关键因素包括太阳活动的驱动机制和与enso相关的海温异常。我们推测是太阳活动的变化引起的热带海温梯度异常,通过改变ENSO和印度洋偶极子(IOD)的变率影响中国中部水循环,最终导致石笋δ18O的变化记录。

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太阳是地球气候系统的重要能源,控制着地球水文系统和地表辐射能量平衡,是影响气候变化和人类活动的关键因素。气候变化已经成为全球性的问题。因此,通过对古气候变化的研究,了解过去的气候变化模式,揭示其动态机制,对预测未来的气候变化具有重要意义。

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鸡冠洞(111◦34′E, 33◦46′N) 和石岩洞位于河南西部滦川县黄土高原(秦岭东部分支)的东南边缘,这两个洞穴相距约300米。研究区位于黄河和长江分水岭的北麓,处于湿润和半干旱地区的边界,对ASM的变化很敏感。岩溶系统是一个异质且高度复杂的水文地质系统。鸡冠洞上覆基岩相对较薄(30–40 米厚),主要由震旦系绿泥质大理岩组成(图1),降水从岩石裂缝中渗透下来。

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图1    研究区域的地理位置(a)。 (b)鸡冠洞地形图。(c)鸡冠洞示意图。

 

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1、样本收集

使用自动降水和粉尘采样器(模型APS-3D)以及降水收集器收集并记录了2010年至2022年的每个降水事件。如果在某个气象站记录了一个降水事件,但我们没有收集到它,那么它就不被认为是一个降水事件。样品采集于鸡冠洞监测的5个洞穴水点,包括2个滴水点、2个池水点和1个地下水点(DTH)。在采集样品之前,用于收集水样的聚丙烯瓶在1:1盐酸和去离子水中冲洗,并在60℃的烘箱中干燥。瓶子一旦装满就被盖住,用薄膜密封运到实验室,储存在4℃冰箱里。2010年至2019年4月每两个月采样一次,2019年4月至2022年每隔一个月采样一次。现代洞穴标本通过在两个滴水点下方放置直径为10厘米的干净玻璃板进行收集,并每2个月更换一次。用干净的刀从玻璃板上的现代洞穴标本中刮取粉末样品,并测量稳定的氧同位素组成。

2、稳定同位素分析

使用水同位素分析仪(IWA-35d-EP,LGR)对2010-2016年收集的水样进行分析,以确定水的δD和δ18O值。2017年至2022年采集的样本使用福建师范大学地理科学学院稳定同位素实验室中心的液体同位素分析仪(L2140-i CRDS,Picarro)进行分析。使用三个内部标准(δ18O:-19.13‰、-8.61‰和-0.15‰;δD:-144‰、-63.4‰和-1.7‰)作为参考标准。所有结果均以相对于维也纳标准平均海水(V-SMOW)的每密耳(‰)为单位报告。δ18O和δD的仪器精度分别为±0.08‰和±0.5‰。

3、数据和分析方法

栾川地区的气象数据由Vantage Pro现场气象站和栾川县气象站记录(1957–2022)。滦川县气象站位于滦川县东部,它距离鸡冠洞8.4公里,海拔742.4米。我们计算了1957–2022年的降水异常百分比数据(表S1)。计算公式如下:

 

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1、降水的氧同位素

监测期间降水的δ18O和δD值范围分别为−16.4‰~8.1‰(平均−5.8‰ ),−122.‰~45.8‰(平均−37.2‰)。δ18Op具有显著的季节变化,最大负值出现在雨季(7月至9月),更小的负值出现在旱季(10月至6月),这与全球降水同位素网络(GNIP) 在长时间尺度上的监测结果一致。根据降水的δ18O和δD值,确定当地大气降水线(LMWL)的方程为

δD=7.64δ18O+7.34,相关系数R=0.99(P<0.01)。

2、洞穴水的氧同位素

洞穴水的δ18O值变化明显,瞬时滴水的δ18O值在−11.1‰至−6.5‰之间,多年平均值为−9.2‰。洞穴滴水δ18O值的变化小于降水δ18O值的变化。

3、现代洞穴沉积物和石笋的氧同位素

现代洞穴沉积物的δ18O值范围为−10.0‰~−5.0‰(LYXS平均为−9.0‰)和−10.0‰~−6.9‰(TGBD平均为−8.7‰)。与降水δ18O不同,现代洞穴沉积物的δ18O没有表现出季节性变化,除了2010年和2011年,当时夏季为负值,冬季为正值。2013年和2018年,严重干旱导致沉积记录中断,直到干旱结束,滴水饱和度回升,现代洞穴沉积物在2014年和2019年再次在两个滴水点恢复堆积。

 

 

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图2    (a) NINO 3.4 SST异常,(b)降水δ18O,(c)滴水δ18O,(d)现代洞穴沉积物δ18O,(e)大气条件的组合时间序列。e中的蓝色虚线表示13年来的平均值。

 

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鉴于石笋δ18O值的具体气候意义存在争议,在本研究中,我们探讨了太阳活动对现代洞穴沉积物δ18O值的影响。据此对河南省鸡冠洞进行了为期13年的连续监测,结果如下。

(1) 鸡冠洞δ18OP监测结果具有明显的季节变化特征。通过对ENSO事件下不同季节的大气环流和LMWL的分析,我们认为大气环流是影响δ18OP在季节年际尺度上差异的主要因素。

(2) 交叉小波分析揭示了太阳活动和ASM的周期性变化。研究发现,石笋的δ18O值与9–12年和2–7年周期变化的SSN和SST之间存在较强的交叉幂和高度一致性,表明石笋δ18O的变化受到太阳活动变化和ENSO相关SST异常的影响。

(3) 我们确定,拉尼娜事件更有可能发生在太阳活动较低的年份,并为我们的研究区域带来更多降雨。1957年至2022年期间,57.2%的丰水年份发生在太阳周期的非活跃阶段。为了更好地理解这一现象,我们绘制了一张太阳活动可能驱动因素的示意图。太阳活动的变化引起了SSTA,在不同ENSO和IOD状态下,SSTA通过海气耦合影响了亚洲夏季风区域的水文循环。这最终改变了洞穴沉积物的δ18O值。

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图3    太阳活动对ASM影响的可能驱动因素示意图。红色和蓝色粗线代表拉尼娜年的WPSH

气候平均值。两个蓝色圆圈代表Walker cell。棕色虚线表示季风通过。LS:低太阳活动。

 

此外,如果在全球变暖加剧的情况下,极端ENSO事件的频率继续增加,那么预测亚洲季风地区极端气候事件的难度可能会增加。

 

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