太空塵埃揭示北極冰川融化速度超出預期

一項由華盛頓大學領銜的最新研究借助“來自太空的塵埃”，重建了過去約3萬年間北極海冰的變化歷史，并指出當前北極海冰的消融速度遠快于以往自然變暖時期，對未來氣候、營養循環和北極食物網結構構成深遠影響。

自1979年有可靠衛星觀測以來，北極海冰面積已縮減逾42%，隨著冰層變薄、退縮，更多深色海水裸露在陽光下，加速了海洋吸熱與區域升溫，相關氣候模型預示北極在未來數十年內可能出現夏季“無冰”的情形，這一轉變將波及生態系統與人類活動格局。

研究團隊引入了一種獨特“示蹤劑”——宇宙塵，來追蹤海冰覆蓋的時空演變。宇宙塵來自恒星爆發或彗星破碎，其微粒在靠近太陽時會攜帶一種極為稀有的氦同位素——氦-3，科學家通過檢測海底沉積物中的氦-3特征，將宇宙塵與地球本底沉積區分開，從而判斷哪些時期、哪些海域曾有開放水面，允許宇宙塵順利沉降到海底。 論文指出，宇宙塵以近似穩定的速率降落地球，但一旦海面被厚冰長期覆蓋，這些微粒就難以到達海底沉積層，沉積物中的宇宙塵含量隨之大幅下降，因此“有塵”與“無塵”的分布，等同記錄了古海冰的生消。

此次研究選取了北極三處具有代表性的沉積點位：一處接近北極點，現代幾乎全年被海冰覆蓋；一處位于夏末（9月）海冰最小范圍附近；第三處在上世紀80年代仍基本全年有冰覆蓋，而如今已出現季節性無冰期。 通過分析這三處沉積巖心中宇宙塵的含量變化，團隊重建了過去約3萬年的海冰覆蓋歷史：在約2萬年前的末次冰期極盛期，沉積物中幾乎檢測不到宇宙塵，表明當時北極大片海域長期處于厚冰封鎖之下；隨后隨著氣候轉暖、海冰退縮，宇宙塵開始重新在沉積記錄中大量出現，反映出開放海水面積顯著增加。

研究人員強調，這種基于宇宙塵的“古衛星記錄”有望彌補現代衛星觀測時間尺度較短的不足，使科學界能夠將當前幾十年的快速變化，置于數萬年的長時間背景下加以對比。 論文第一作者、華盛頓大學海洋學助理教授Frankie Pavia指出，如果能夠更準確刻畫海冰在未來幾十年中消退的時間與空間格局，將有助于理解高緯變暖機制、預判食物網與漁場的變化，并評估北極航道、資源開發等潛在地緣政治重塑的風險。

除了海冰本身的歷史，這項工作還將重建的海冰變化與營養物質利用狀況進行了對比，發現當海冰范圍較小時，海水中營養鹽被消耗得更加充分；而在海冰擴張時期，營養鹽消耗水平明顯降低。 團隊通過分析有孔蟲等微型浮游生物殼體中的化學同位素特征，推斷其在生前對氮等營養元素的利用程度，從而間接反映不同時期初級生產者對營養鹽的消耗狀況。

研究提出了兩種可能機制解釋營養利用為何在“少冰”時期更高：一是海冰減少使更多陽光穿透水體上層，促進浮游植物光合作用與生長，從而提升營養鹽吸收；二是融冰輸入可能稀釋表層海水中的營養鹽濃度，導致從數據上看似乎是“消耗增加”，但實際是背景濃度下降造成的假象。 兩種機制在觀測上都可能表現為“高消耗”，但前者意味著真實的海洋生產力提升，后者則更多是營養被稀釋而非生態系統增產，這對如何解讀未來北極海洋生產力變化尤為關鍵。

論文指出，當前北極海冰的快速損失，正在打破過去數萬年中相對緩慢、受自然氣候節律驅動的變化格局，使區域輻射收支、海洋環流以及生物地球化學循環被迫在極短時間內重新平衡。 隨著海冰逐步退至更靠近北極點的高緯地區，傳統依賴冰緣生產力的食物網結構可能被改寫，從浮游植物到魚類再到海鳥、海洋哺乳動物，整個鏈條的能量與營養傳遞路徑都面臨重塑風險。

論文《宇宙塵揭示過去3萬年中中部北極海冰覆蓋的動態變化》已發表于2025年11月6日的《Science》期刊，由華盛頓大學、馬薩諸塞大學波士頓分校、美國地質調查局及加州理工學院等多家機構研究人員合作完成，研究得到美國國家科學基金會及相關基金會支持。 研究團隊表示，未來將繼續拓展宇宙塵方法在其他極地與海域的應用，以構建更完整的全球古海冰和古海洋演化圖景，為改進氣候模型和生態風險評估提供關鍵約束。

編譯自/ScitechDaily