關(guān)于太陽活動對氧同位素潛在影響的新見解

更新時間：2023-11-16 點擊次數(shù)：1257

石筍的氧同位素組成(δ18O)已被廣泛用于重建夏季風變率，然而,太陽活動與季風系統(tǒng)之間的關(guān)系尚不清楚。本研究基于中國中部雞冠洞2010-2022年13年間的降水、洞穴滴水和現(xiàn)代洞穴堆積物的δ18O值監(jiān)測活動。通過分析不同厄爾尼諾事件下的水汽環(huán)流和當?shù)亟邓€（LMWL）發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)-年際時間尺度上，降水量 δ18O值反映了大氣水汽環(huán)流，此外我們利用交叉小波變換分析研究了太陽黑子數(shù)（SSN）和亞洲夏季季風（ASM）之間的周期關(guān)系，因為太陽活動是對ASM最重要的外部影響之一。我們研究區(qū)域的石筍δ18O數(shù)據(jù)反映了由太陽活動引起的當?shù)亟邓哪甏H變化。與δ18O值相關(guān)的關(guān)鍵因素包括太陽活動的驅(qū)動機制和與enso相關(guān)的海溫異常。我們推測是太陽活動的變化引起的熱帶海溫梯度異常，通過改變ENSO和印度洋偶極子(IOD)的變率影響中國中部水循環(huán)，最終導(dǎo)致石筍δ18O的變化記錄。

太陽是地球氣候系統(tǒng)的重要能源，控制著地球水文系統(tǒng)和地表輻射能量平衡，是影響氣候變化和人類活動的關(guān)鍵因素。氣候變化已經(jīng)成為全球性的問題。因此，通過對古氣候變化的研究，了解過去的氣候變化模式，揭示其動態(tài)機制，對預(yù)測未來的氣候變化具有重要意義。

雞冠洞(111?34′E, 33?46′N) 和石巖洞位于河南西部灤川縣黃土高原（秦嶺東部分支）的東南邊緣，這兩個洞穴相距約300米。研究區(qū)位于黃河和長江分水嶺的北麓，處于濕潤和半干旱地區(qū)的邊界，對ASM的變化很敏感。巖溶系統(tǒng)是一個異質(zhì)且高度復(fù)雜的水文地質(zhì)系統(tǒng)。雞冠洞上覆基巖相對較薄（30–40 米厚），主要由震旦系綠泥質(zhì)大理巖組成(圖1)，降水從巖石裂縫中滲透下來。

圖1 研究區(qū)域的地理位置(a)。 (b)雞冠洞地形圖。(c)雞冠洞示意圖。

1、樣本收集

使用自動降水和粉塵采樣器（模型APS-3D）以及降水收集器收集并記錄了2010年至2022年的每個降水事件。如果在某個氣象站記錄了一個降水事件，但我們沒有收集到它，那么它就不被認為是一個降水事件。樣品采集于雞冠洞監(jiān)測的5個洞穴水點，包括2個滴水點、2個池水點和1個地下水點（DTH）。在采集樣品之前，用于收集水樣的聚丙烯瓶在1：1鹽酸和去離子水中沖洗，并在60℃的烘箱中干燥。瓶子一旦裝滿就被蓋住，用薄膜密封運到實驗室，儲存在4℃冰箱里。2010年至2019年4月每兩個月采樣一次，2019年4月至2022年每隔一個月采樣一次?，F(xiàn)代洞穴標本通過在兩個滴水點下方放置直徑為10厘米的干凈玻璃板進行收集，并每2個月更換一次。用干凈的刀從玻璃板上的現(xiàn)代洞穴標本中刮取粉末樣品，并測量穩(wěn)定的氧同位素組成。

2、穩(wěn)定同位素分析

使用水同位素分析儀（IWA-35d-EP，LGR）對2010-2016年收集的水樣進行分析，以確定水的δD和δ18O值。2017年至2022年采集的樣本使用福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實驗室中心的液體同位素分析儀（L2140-i CRDS，Picarro）進行分析。使用三個內(nèi)部標準（δ18O:-19.13‰、-8.61‰和-0.15‰；δD:-144‰、-63.4‰和-1.7‰）作為參考標準。所有結(jié)果均以相對于維也納標準平均海水（V-SMOW）的每密耳（‰）為單位報告。δ18O和δD的儀器精度分別為±0.08‰和±0.5‰。

3、數(shù)據(jù)和分析方法

欒川地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)由Vantage Pro現(xiàn)場氣象站和欒川縣氣象站記錄（1957–2022）。灤川縣氣象站位于灤川縣東部，它距離雞冠洞8.4公里，海拔742.4米。我們計算了1957–2022年的降水異常百分比數(shù)據(jù)（表S1）。計算公式如下：

1、降水的氧同位素

監(jiān)測期間降水的δ18O和δD值范圍分別為−16.4‰~8.1‰（平均−5.8‰ ），−122.‰~45.8‰（平均−37.2‰）。δ18Op具有顯著的季節(jié)變化，最大負值出現(xiàn)在雨季（7月至9月），更小的負值出現(xiàn)在旱季（10月至6月），這與全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)（GNIP）在長時間尺度上的監(jiān)測結(jié)果一致。根據(jù)降水的δ18O和δD值，確定當?shù)卮髿饨邓€（LMWL）的方程為

δD=7.64δ18O+7.34，相關(guān)系數(shù)R=0.99（P<0.01）。

2、洞穴水的氧同位素

洞穴水的δ18O值變化明顯，瞬時滴水的δ18O值在−11.1‰至−6.5‰之間，多年平均值為−9.2‰。洞穴滴水δ18O值的變化小于降水δ18O值的變化。

3、現(xiàn)代洞穴沉積物和石筍的氧同位素

現(xiàn)代洞穴沉積物的δ18O值范圍為−10.0‰～−5.0‰（LYXS平均為−9.0‰）和−10.0‰～−6.9‰（TGBD平均為−8.7‰）。與降水δ18O不同，現(xiàn)代洞穴沉積物的δ18O沒有表現(xiàn)出季節(jié)性變化，除了2010年和2011年，當時夏季為負值，冬季為正值。2013年和2018年，嚴重干旱導(dǎo)致沉積記錄中斷，直到干旱結(jié)束，滴水飽和度回升，現(xiàn)代洞穴沉積物在2014年和2019年再次在兩個滴水點恢復(fù)堆積。

圖2 (a) NINO 3.4 SST異常，(b)降水δ18O，(c)滴水δ18O，(d)現(xiàn)代洞穴沉積物δ18O，(e)大氣條件的組合時間序列。e中的藍色虛線表示13年來的平均值。

鑒于石筍δ18O值的具體氣候意義存在爭議，在本研究中，我們探討了太陽活動對現(xiàn)代洞穴沉積物δ18O值的影響。據(jù)此對河南省雞冠洞進行了為期13年的連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果如下。

（1）雞冠洞δ18OP監(jiān)測結(jié)果具有明顯的季節(jié)變化特征。通過對ENSO事件下不同季節(jié)的大氣環(huán)流和LMWL的分析，我們認為大氣環(huán)流是影響δ18OP在季節(jié)年際尺度上差異的主要因素。

（2）交叉小波分析揭示了太陽活動和ASM的周期性變化。研究發(fā)現(xiàn)，石筍的δ18O值與9–12年和2–7年周期變化的SSN和SST之間存在較強的交叉冪和高度一致性，表明石筍δ18O的變化受到太陽活動變化和ENSO相關(guān)SST異常的影響。

（3）我們確定，拉尼娜事件更有可能發(fā)生在太陽活動較低的年份，并為我們的研究區(qū)域帶來更多降雨。1957年至2022年期間，57.2%的豐水年份發(fā)生在太陽周期的非活躍階段。為了更好地理解這一現(xiàn)象，我們繪制了一張?zhí)柣顒涌赡茯?qū)動因素的示意圖。太陽活動的變化引起了SSTA，在不同ENSO和IOD狀態(tài)下，SSTA通過海氣耦合影響了亞洲夏季風區(qū)域的水文循環(huán)。這最終改變了洞穴沉積物的δ18O值。

圖3 太陽活動對ASM影響的可能驅(qū)動因素示意圖。紅色和藍色粗線代表拉尼娜年的WPSH

氣候平均值。兩個藍色圓圈代表Walker cell。棕色虛線表示季風通過。LS：低太陽活動。

此外，如果在全球變暖加劇的情況下，極端ENSO事件的頻率繼續(xù)增加，那么預(yù)測亞洲季風地區(qū)極端氣候事件的難度可能會增加。

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