上个冰期期间德鲁尼格·毛德地附近海底千年至轨道尺度的海洋下层增温与无冰海区（polynya）形成

为何冰下隐藏的温暖至关重要

当我们想象上一个冰期时，往往呈现出一个冰封且不变的世界。然而在包围南极的海冰下，海洋远非静止。此项研究深入威德尔海表层之下，位于东南极的德鲁尼格·毛德地海域，发现相对温暖的水团反复上涌至近表层，打开了大片无冰水面——即所谓无冰海区（polynya）。这些隐藏的热量释放并未消融冰盖，反而可能促使其增长。理解远古时期海洋、冰盖与大气之间的这种互动，对于预测今日变暖的海洋将如何重塑南极与全球海平面至关重要。

海底独特的海洋时光囊

研究人员从邦根斯托克高原取回了一段长的沉积岩芯，该高原是东威德尔海的一个海底隆起，位于现代南极大陆架边缘以北约70公里。在这段岩芯中，泥质与漂浮微生物（特指厚壳新球毛舌属 Neogloboquadrina pachyderma）的细小壳体几乎连续地在7.5万年至2万年前之间沉积，覆盖了上个冰期的大部分时期。这些壳体保存了它们生长时水体的微妙化学指纹。通过测量壳体中的多组独立信号——氧与碳同位素、镁钙比以及稀有的“团簇”同位素，研究团队重建了上层海洋（约上50–150米）在数万年尺度上的温度、盐度与营养盐变化。

冷表层之下潜伏的暖水

今天，南大洋上层呈分层状态：一层非常冷且相对淡的表层水覆盖在较咸、略暖的“暖深层水”之上。层间的密度差将暖水维持在深处，帮助保护沿岸冰架免受融蚀。岩芯记录显示，在上个冰期这一平衡反复发生变化。多种古海洋指标揭示，在表层下方50–150米处曾出现约1–2°C的增温事件，而此时南极的空气温度却在变冷。下层的这些暖期同时伴随盐度与营养盐含量升高，表明更深的暖水体向生物生活的浅层上涌。

冰封海域中出现的古老无冰海区

在上个冰期最寒冷的阶段——尤其约在7.2–6.3万年、5.8–5.5万年、5.2–4.8万年、4.3–4.0万年以及3.8–2.0万年前——证据显示暖深层水最接近表层。作者认为，这种热量与盐分的垂直重排反复削弱了密度分层，促使德鲁尼格·毛德地近海出现开阔水面（polynya），尽管当时其他区域海冰广布且厚重。在这些无冰海区中，由于下方不断上涌的热量向大气散失，海冰难以形成或长期存在。独立的线索支持这一图景：该地区的其他沉积岩芯在冰期显示出异常高的初级生产力与壳体良好保存，陆地上的雪燕（snow petrel）群落化石也表明，在其有限的觅食范围内必定存在开阔水域，尽管海冰大幅扩展。

风、冰与远洋的共同作用

这项研究将反复出现的无冰海区联系到跨越不同时间尺度的相互作用网络。在约4.1万年尺度的轨道周期上，地轴倾角变化改变了低纬与高纬之间的气候对比。较低的倾角期会加强热带与极地间的温差，有利于更强的西风并增强暖深层水进入威德尔环流的输送。与此同时，广泛的冰期海冰与来自更大冰盖的强烈下坡（katabatic）风帮助将热量困于深处，直到上层海洋不稳定到足以发生翻转。在较短的千年尺度上，南大洋的下层增温倾向于发生在大西洋经向翻转环流（AMOC）强劲时段，这暗示北大西洋与南大洋之间存在类似跷跷板的联动关系。

对冰期与未来的启示

作者得出结论：一种反复出现的“冰期德鲁尼格·毛德地无冰海区”是上个冰期的常见特征，其规模可能与20世纪70年代观测到的大威德尔无冰海区相当，但其作用持续的是千年尺度而非仅数年。通过在寒冷时期将海洋中的热量向大气排放，这些无冰海区或许增加了南极的降雪并在大陆缘处加厚冰盖，尽管它们同时搅动深海并可能影响全球环流与碳储存。尽管现代卫星观测到的无冰海区在背景条件上有所不同，但它们显示该地区对风、海冰与海洋结构的微小变化极为敏感。因此过去提供了警示：围绕南极的隐匿下层热量变化可以迅速重组冰—海洋系统，其影响可能在全球范围内回响。

引用: Pinho, T.M.L., Nürnberg, D., Nele Meckler, A. et al. Millennial-to-orbital-scale subsurface ocean warming and Polynya formation off Dronning Maud Land during the last glacial. Nat Commun 17, 2440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70498-w

关键词: 南极无冰海区, 南大洋环流, 海洋下层增温, 上个冰期, 德鲁尼格·毛德地