關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：1631

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之間的關系尚不清楚。本研究基于中國中部雞冠洞2010-2022年13年間的降水、洞穴滴水和現代洞穴堆積物的δ18O值監測活動。通過分析不同厄爾尼諾事件下的水汽環流和當地降水線（LMWL）發現，在季節-年際時間尺度上，降水量 δ18O值反映了大氣水汽環流，此外我們利用交叉小波變換分析研究了太陽黑子數（SSN）和亞洲夏季季風（ASM）之間的周期關系，因為太陽活動是對ASM最重要的外部影響之一。我們研究區域的石筍δ18O數據反映了由太陽活動引起的當地降水的年代際變化。與δ18O值相關的關鍵因素包括太陽活動的驅動機制和與enso相關的海溫異常。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，最終導致石筍δ18O的變化記錄。

太陽是地球氣候系統的重要能源，控制著地球水文系統和地表輻射能量平衡，是影響氣候變化和人類活動的關鍵因素。氣候變化已經成為全球性的問題。因此，通過對古氣候變化的研究，了解過去的氣候變化模式，揭示其動態機制，對預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。研究區位于黃河和長江分水嶺的北麓，處于濕潤和半干旱地區的邊界，對ASM的變化很敏感。巖溶系統是一個異質且高度復雜的水文地質系統。雞冠洞上覆基巖相對較?。?0–40 米厚），主要由震旦系綠泥質大理巖組成(圖1)，降水從巖石裂縫中滲透下來。

圖1 研究區域的地理位置(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。現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代洞穴標本中刮取粉末樣品，并測量穩定的氧同位素組成。

2、穩定同位素分析

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地理科學學院穩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、數據和分析方法

欒川地區的氣象數據由Vantage Pro現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據（表S1）。計算公式如下：

1、降水的氧同位素

監測期間降水的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具有顯著的季節變化，最大負值出現在雨季（7月至9月），更小的負值出現在旱季（10月至6月），這與全球降水同位素網絡（GNIP）在長時間尺度上的監測結果一致。根據降水的δ18O和δD值，確定當地大氣降水線（LMWL）的方程為

δD=7.64δ18O+7.34，相關系數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、現代洞穴沉積物和石筍的氧同位素

現代洞穴沉積物的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，現代洞穴沉積物的δ18O沒有表現出季節性變化，除了2010年和2011年，當時夏季為負值，冬季為正值。2013年和2018年，嚴重干旱導致沉積記錄中斷，直到干旱結束，滴水飽和度回升，現代洞穴沉積物在2014年和2019年再次在兩個滴水點恢復堆積。

圖2 (a) NINO 3.4 SST異常，(b)降水δ18O，(c)滴水δ18O，(d)現代洞穴沉積物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代洞穴沉積物δ18O值的影響。據此對河南省雞冠洞進行了為期13年的連續監測，結果如下。

（1）雞冠洞δ18OP監測結果具有明顯的季節變化特征。通過對ENSO事件下不同季節的大氣環流和LMWL的分析，我們認為大氣環流是影響δ18OP在季節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。研究發現，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SST異常的影響。

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