这篇是2020年10月NC上的一篇：《High-latitude biomes and rock weathering mediate climate–carbon cycle feedbacks on eccentricity timescales》

前一段时间读的文章，但当时没做笔记，过了两周只记得了个大概，所以找来重读了一下，简要记记。

概述：

    新生代期间长尺度的古气候工作做了很多，但是背后的机制一直也没有说清楚，尤其是面对Zachos经典的碳氧同位素的两条漂亮的曲线，总是不禁会发问：它们两者到底有什么关系？

    这篇文章就试图对气候-碳循环系统之间的关系进行研究。文章里以100ka的短偏心率周期对碳氧同位素数据集成，考察C-O同位素之间是否同步变化，并对C-O同位素在不同时段出现的相位差提出合理的机制解释。结论认为，在渐新世-中新世（34-6Ma）碳氧同位素同步变化，两者的先后关系受控于2.4Ma的超长偏心率。而在6Ma之后，碳氧同位素变化呈反相位关系，意味着气候-碳循环系统的重组。考虑到6Ma之后高纬地区显著变冷，提出高纬生物群落竞争机制：认为冷期高纬生物竞争使得碳库收缩。

    总之新生代里，碳氧同位素背后的气候-碳循环系统呈现出相互作用关系，且受天文因素影响强烈。

科学问题：

    主要矛盾是地球系统内，碳循环与气候变化之间相互作用关系的问题。

    比如单论海洋DIC库中的碳同位素变化，自身存在很多调节机制：陆相的有机碳埋藏可以导致大洋DIC偏正；但当陆地植被群落大幅衰减，海洋12C相对陆地增加，导致海洋碳库相对于陆地偏负（12C流向海洋）；火山脱气作用会为海汽系统提供略微亏损轻碳；海洋内部的光合作用、呼吸作用同样会影响到深海碳库变化，形成垂向上的生物碳泵——深海有机质的呼吸作用，深海DIC偏负，产生垂向上的13C梯度；大洋翻转和洋流混合进一步使深海碳库组成复杂。

深海氧同位素是全球冰量和温度变化的信号，代表了气候系统的变率，而碳同位素对应了地球系统的碳循环过程，两者之间相互作用。为此，本文试图通过考察长尺度的C-O同位素关系，对气候系统与碳循环过程之间的作用模式进行研究。

高纬生物群落导致的C-O同位素相变：

    下图所示，可以清晰地看出6Ma前后碳氧同位素相变关系发生突变：由同向变化变为反相变化。即便在MMCO期间并不是标准的同向关系，但仍认为6Ma之后大幅度的反相位关系才标志着碳循环-气候系统作用机制发生改变。

    对于35-6Ma的同相位变化，文章提出了偏心率主控的影响机制。偏心率最小时，对应较冷气候阶段（18O偏正），年际季节性减弱，冬季夏季差距小，全年都可以保持相对稳定的气候阶段。这种稳定的气候模式通常能维持很长时间，使得大陆碳库扩张，尤其是低纬碳库大幅增加。由此，全年产生有机物的大陆碳库大量储存12C，导致海洋相对陆地偏正（13C偏正），两者同步变化。

    对于MMCO这样的异常现象，作者认为自己的假说只是基于最小偏心率的假设，但地球系统存在很多在此之外的独立影响因素，因此是可以在气候事件阶段出现这种异常关系的。

    对于第三阶段（6Ma-0）却为不同的机制：对于偏心率最小时的全球变冷（18O偏正），由于高纬生物群的竞争机制，陆地碳库快速收缩，轻碳流向大洋，使得大洋DIC偏负（13C偏负），由此变为反相位关系。该机制发生改变的一个主要因素是，6Ma之后全球快速变冷，尤其是北半球高纬地区，可能出现大量冰盖。

    关于这个机制有几个问题需要说明。首先是，目前对于6Ma北半球是否形成大量冰盖的问题，虽然大量证据认为北极冰盖在2.6Ma前后形成，但是6Ma前后发现大量的冰筏沉积和陆缘粗碎屑物质，同时模拟、PCO2，及轨道参数转向斜率为主导等证据，均说明北半球高纬度至少有大量海冰发育，碳循环-气候系统也向高纬转变。

    其次，文章内没有对6Ma后高纬、低纬植被竞争机制进行对比，实际上低纬地区的高生物量才是陆地碳库的主要组成部分，高纬植被收缩是否能引起这么大量级的变化暂且存疑。最后，文章对大洋通风模型进行讨论，认为6Ma之后的冷阶段，NADW减弱，大洋通风减弱，13C偏负，也会造成相似反相位关系。值得注意的是，大洋通风过程在6ma之前表现为正相位，即冷阶段时通风过程加强，13C偏正。虽然对于通风模型的机制及转变目前尚不清楚，但两个机制对现象的解释暂且不发生冲突。

C-O in-phase interval with leading and lag:

    为了更好理解碳循环与气候变化之间的作用关系，这里对对于第一阶段（35-26Ma）第二阶段（26-6Ma）中C-O同位素变化先后进行研究。

    其结果如下图所示：100ka短偏心率尺度上的同相位变化表现为，第一阶段C滞后O约1.9ka，第二阶段滞后约2.5ka。过去认为这种滞后关系式地球系统内部反馈机制所致，即大洋65ka的碳循环周期对天文强迫信号的非线性响应。

    但实际上，C与O的关系更为复杂。碳循环受控于超长偏心率2.4ma控制，C不总是晚于O的变化，在第一阶段中，2.4Ma超长偏心率最小时C领先O；而在第二阶段中，2.4Ma超长偏心率最大值时C领先O。

碳氧同位素不同步变化的解释——风化调节作用：

    既然考虑到地球系统内部的调节机制会对上述反馈过程进行影响，那么大陆风化过程则是连接碳循环与气候变化的一个桥梁。风化最强时，大量的碳埋藏使得13C减少对18O的滞后，或者在大陆风化很强时使C达到领先地位。由于风化本身就是气候的一个函数，因此温度驱动性风化过程可能很难对上述现象解释，非温度因素的风化过程（构造隆升）可能就是上述调节机制的关键因素。

    在第一阶段里，C在2.4Ma超长偏心率的最小值期领先O。在南极冰盖发育的渐新世，2.4Ma偏心率最小值产生了相对稳定且寒冷的气候阶段，适宜冰盖发育、以及高纬的大量风化，使得更多的碳埋藏，导致大气中CO2大幅下降，进一步驱动气候变得更冷。该机制意味着，风化作用调节下的碳循环可以驱动气候变化。但是除了偏心率极小期之外，大多数情况下还是表现为O领先C的现象。

而在第二阶段里，C在2.4Ma偏心率最大值期间领先O。不同第一阶段，第二阶段南极仅为有限的低冰量，同时认为青藏高原在第二阶段中快速隆起。这两个因素促进了低纬水文地质循环，并产生了季风主导的气区域候类型。因此在偏心率最大时，季节性差异放大，季风过程增强，低纬水文循环过程加速，化学风化加强，同样导致大量碳埋藏，驱动全球变冷。

综上所述，导致同一现象的轨道参数条件变化，意味着风化反馈机制发生改变：从高纬（冰川）主导变为低纬（季风）主导，从具有明显气候带和南极完全冰川化的渐新世，变为南北大气环流更强、季风主导的中新世 ，这个转变可能与青藏高原的隆升、南极冰盖的收缩相关。

不同时段C-O相位关系及先后关系机制图

总结：

       第三阶段0-6Ma：是新生代以来最冷的阶段，尤其是北半球。在这个阶段里，C-O在偏心率尺度上发生反相位变化。作者认为北极大陆碳库在轨道参数驱动的冷阶段快速收缩，高纬生物群的竞争机制引起大陆碳库的变化。此外，大洋通风模型认为对反相位关系同样有贡献，两者并不矛盾。

       在35-6Ma的第一第二阶段，C-O同相变化。但2.4Ma偏心率周期对C-O变化有调制作用：第一阶段（35-26Ma），在2.4Ma偏心率最小时，C领先O；第二阶段（26-6Ma），在2.4Ma偏心率最大时，C领先O。为了研究2.4Ma偏心率如何影响地球系统，我们提出了两种模式，第一阶段为高纬冰川驱动的风化模式，第二阶段为低纬季风驱动的风化模式。

一些想法：

    对于作者提及的高纬竞争假说实际上并非首创，文中提及了Herbert几篇关于高纬生态的研究工作，可能这个才是真正的来源。考虑到高纬有限的碳库含量，局部生态过程驱动碳循环的可靠性仍值得进一步考虑，后续工作或可结合模拟共同解决。

    其次是对于大洋通风模型一直也没搞懂，关于他和NADW的关系以及在大洋碳储库过程中的作用也不是很清楚，问了几个同学也都说不知道（他们太菜了！），改日找个老师问问。  

    对于关键事件以及阶段的划分很有特色。说实在的，新生代每个事件boundary的划分都不是白给的，EOT、MOB、MMCO...每一个都有被认为是不同气候阶段，或不同地球系统反馈阶段的边界。所以如何正确认识这些事件在新生代气候演变的重要程度呢？这个需要后续进一步讨论。

    举个例子：EOT被认为是冰室期和温室期的分界，蒙古革命与其相关，但是真正的生物系统分类转折是在MOB，以及很多有机指标证实EOT只是一个冷事件，温度很快又与晚始新世一致，但实际上MOB的气候效应更弱，但这个弱的边界条件同样催生了新近纪以来恒定低浓度的PCO2...最疑惑的还是MMCO，这个事件对生物圈以及生态的作用程度更大，或可与6-8Ma并列。

    总之，正是因为过去的事情没人说得清，所以才有无数的工作可以做下去，回避预设结论的研究很重要，但如果不预设一种情况，可能永远都跳不出前人的圈子里。

    下午可能接着看沙漠，然后再补补齐泽克的事件哲学hhh

ps. 虽然看文章的时间不长，但是整理、编辑、写出来太耗时了...真感觉一天一篇这么搞不动啊！