撰稿 / 賀詩琳副教授（臺灣大學海洋研究所）、許至雅（科學推展中心執行編輯）
審訂 / 賀詩琳副教授（臺灣大學海洋研究所）
研究背景：地球氣候的一個轉折點
地球歷經寒冷的冰期與溫暖的間冰期交替循環，期間伴隨著大氣二氧化碳濃度出現約 100 ppm的變化。約在 42.4 萬年前，間冰期的大氣二氧化碳濃度相較於前一次間冰期突然上升約 35 ppm，這一階段性的躍升被稱為「中布魯內事件」（Mid-Brunhes Event，MBE）。
長期以來，學界對這一階段性躍升的成因始終存在爭論。主流假說認為，其主要驅動力來自南大洋深層水形成機制的重組。然而，數值模式研究顯示，僅靠深層海洋變化仍不足以解釋整體二氧化碳的上升。
了解海洋如何調控大氣中的二氧化碳，是評估氣候變遷的重要依據。為了找出這一事件的成因，國立臺灣大學海洋研究所研究員 Tapia 博士與賀詩琳副教授攜手國際團隊，成功重建長達 60 萬年的海洋歷史，並指出一個長期被忽視的水層，可能在過去百萬年間最關鍵的一次大氣二氧化碳轉變中扮演核心角色。相關成果已發表於《Science Advances》。
研究方法：從沉積物岩芯重建 60 萬年前的海洋環境
過去有關海洋調控大氣二氧化碳機制的研究焦點多半放在「深層海洋」——也就是海面下數千公尺、直接與海底沉積物接觸的那層海水。但在過去的研究中，深層海洋的機制並不足以解釋整體二氧化碳的上升幅度——這代表「二氧化碳從海洋回到大氣」這條路徑上，可能還有其他被忽略的環節。
因此研究團隊把目光轉向「中層水」，原因在於它在整個路徑上的位置相當關鍵：大氣中的二氧化碳，要先在海洋表層被吸收溶解，中間還得經過一段「搬運」的過程，才有機會被封存進深層海洋。中層水可以讓吸收進來的二氧化碳暫時離開海洋表層、不容易被直接翻攪回大氣，這能影響最終有多少二氧化碳能被留在海裡、又有多少會被送回大氣。
研究團隊面臨的下一個問題是：要研究哪裡的中層水？又要去哪裡取得這些岩芯，才能找到與大氣 CO₂ 變化最相關的海洋紀錄？
研究團隊首先利用「海—氣 CO₂ 通量圖」（圖1A）尋找合適的研究區域。所謂「通量（flux）」，是指單位時間、單位面積有多少物質通過某個介面。由圖1A可知南大洋（特別是環繞南極的海域）大範圍呈現藍色（藍色代表海洋將大氣中的 CO₂ 淨吸收進海水中；紅色代表海水將 CO₂ 淨釋放回大氣），代表這裡是現代海洋吸收大氣 CO₂ 的重要區域。因此，如果這片海域現在對全球碳循環如此重要，那麼「這裡過去的行為有沒有發生改變，以及這些變化是否與大氣 CO₂ 的過去趨勢吻合」，就是一個值得回答的問題。
南極中層水（AAIW）剛好就是南大洋表層水下沉後所形成的中層水，因此研究團隊想了解過去 60 萬年間南極中層水（Antarctic Intermediate Water，AAIW）的變化。要了解過去的變化必須知道當時海水的溫度與鹽度。然而，60萬年前的海水早已不復存在，研究團隊無法直接下海測量，只能尋找當時留下來的天然紀錄，利用「代用指標（proxy）」反推出古代的海洋環境。
本研究所使用的代用指標，是沉積物岩芯中保存的浮游有孔蟲殼體。有孔蟲是一種會形成碳酸鈣（CaCO₃）殼體的浮游生物。牠們活著的時候，殼體會按比例記錄當時周圍海水的化學訊號。例如，殼體中的 Mg/Ca 比值會隨海水溫度升高而上升，這是本研究測量海水溫度的原理之一；δ¹⁸O、Δ47 等同位素比值則同時帶有溫度與鹽度的訊息。當這些生物死亡、沉到海底並被沉積物掩埋後，殼體中的訊號就會被封存下來，成為可以回推古海水環境的化學指紋。因此團隊選擇位於南太平洋的沉積物岩芯 SO213-60-1（45°S，119°W，圖1A橘點）作為主要研究材料，同時也能填補全球岩芯資料最稀缺的區域之一。
圖1 (A) 海—氣 CO₂ 通量圖，標示沉積物岩芯 SO213-60-1及對照岩芯的位置。(B)呈現兩種有孔蟲的鈣化深度與海水溫度剖面的關係。圖中橫軸為溫度（°C），縱軸為深度。(C) 呈現兩種有孔蟲的鈣化深度與AAIW的位置。
找到研究區域後，下一個問題是：如何利用沉積物岩芯中的有孔蟲殼體，重建不同深度的海水環境？
海水的溫度與鹽度並不是只有「一個數字」，而是會隨深度變化的一條剖面線。因此，如果要重建不同深度的海洋環境，就需要利用生活在不同深度的生物分別取樣。本研究因此選用了兩種生活深度不同的浮游有孔蟲：Globigerina bulloides（G. bulloides）與 Globorotalia inflata（G. inflata）。其中G. bulloides 生活在較淺的次表層，而 G. inflata 則棲息在更深的位置（圖1B）。
圖1C中用等位密度線標示出三個由淺到深的範圍，依序為SAMW（亞南極模態水）、AAIW（南極中層水）、CDW（環極深層水），並標出了兩種有孔蟲的鈣化深度所在位置。這兩個深度範圍剛好落在 AAIW 開始下沉的起點，表示兩種有孔蟲殼體所記錄的化學訊號，可以用來追蹤 AAIW 形成前「成因發生當下」的海水狀態。
因此，透過這套方法，研究團隊便能從沉積物岩芯中保存的兩種有孔蟲殼體，分別取得不同深度的海水溫度與鹽度資訊，進一步重建過去60萬年間 AAIW 的變化。
關鍵發現：MBE 前後，AAIW 發生明顯轉變
取得60萬年的海洋溫度資料後，研究團隊首先希望回答一個核心問題：MBE 前後，南極中層水究竟發生了什麼變化？
為了比較不同時期的海洋狀態，研究團隊將60萬年的溫度紀錄繪製在同一張圖上（圖2a），其中橘色線是表層海水溫度，對應 SAMW；藍色線則是次表層／中層海水溫度，對應 AAIW。由圖2a可以看出越古老、越接近 Pre-MBE 的 AAIW 溫度越低；越年輕、越接近現代、越接近 Post-MBE 的 AAIW 溫度則越高。並進一步利用表層與次表層之間的溫度差，量化不同時期的海洋分層狀態（圖2b）。
圖2 (a) 自中布魯內事件（MBE）以來，溫躍層溫度（藍線）呈現持續升高的趨勢。(b) 此變化導致MBE之後垂直分層強度減弱約四倍。由於較冷的海水能溶解更多二氧化碳（CO₂），且其在深海中的保存能力取決於海洋分層強度，因此MBE之前較冷且分層較強的環境，更有利於CO₂ 的吸收與長期封存。
在Post-MBE 時期，表層與次表層的溫度差只有約 2°C，兩條分布幾乎重疊，代表水層混合較均勻，也就是分層較弱；但 Pre-MBE 時期，這個溫差高達約8°C，表層明顯比次表層溫暖許多，兩層之間的差異更加明顯，也就是分層強烈。這項結果也進一步支持圖 2a 所呈現的 MBE 前後海洋狀態轉變。
研究結果顯示，在MBE前後，海洋狀態呈現出顯著差異（圖 2a、b）。在 MBE 之前，AAIW 較為寒冷且鹽度較淡，使其更容易吸收大氣中二氧化碳；同時，強烈的海洋分層有助於將這些碳長時間封存於深海之中。相較之下，MBE 之後，AAIW 則變得較為溫暖且鹽度較高，降低了其吸收 CO2 的能力；較弱的分層使得碳更容易重新釋放回大氣，並與間冰期二氧化碳濃度上升的趨勢相符。
關鍵證據：其他古氣候紀錄是否也呈現相同轉折？
雖然圖2顯示 MBE 前後 AAIW 的溫度、鹽度與分層狀態存在明顯差異，但研究團隊還需要確認：這些變化究竟是單一岩芯記錄到的局部訊號，還是整個南極海洋環境都曾經發生類似轉變？
為了回答這個問題，研究團隊將12條（A至L）各自獨立來源的古氣候紀錄，沿著同一條60萬年的時間軸並列比對（圖3），尋找不同指標是否在 MBE 前後出現同步變化。
圖3 南大洋過去 60 萬年的多重氣候證據比對。(A、B)南極氣溫與大氣 CO₂。(C、D)風力搬運陸源物質的指標。(E)南極環流強度。(F)海冰範圍指標。(G)冰山活動證據。(H)全球冰量指標。(I、J)南大洋兩處 δ¹⁸O 紀錄。(K、L)此研究重建的次溫躍層溫度與鹽度。
結果顯示，多項獨立指標確實在 MBE（約42.4萬年前）前後同步出現轉折。
南極冰芯的粉塵通量與岩芯鐵通量（圖3C、D），兩者都反映風力搬運陸源物質的強弱；冰筏碎屑濃度（圖3G）則直接指示冰山崩解與漂流的紀錄。這些資料都顯示，MBE之前有更頻繁的冰山活動與更強的淡水輸入。
另一方面，兩條 δ¹⁸O 紀錄（圖3I、J）在 MBE 之後振幅明顯放大，暗示海水中混入了更多淡水訊號的貢獻。
這些冰山與淡水相關的證據，與圖3K、L呈現的 AAIW 次溫躍層溫度、鹽度轉變——也就是 MBE 前冷淡、MBE 後暖鹹的核心發現——在時間上高度吻合。
因此，這些不同來源、彼此獨立的紀錄共同支持「冰山融水減少，是驅動 MBE 後 AAIW 變暖變鹹的關鍵機制」這個推論。
關鍵機制：南極冰山如何改變 AAIW？
既然多項獨立紀錄都顯示 MBE 前後存在一致的變化，研究團隊進一步想知道：究竟是什麼因素導致 MBE 之前的 AAIW 更冷、鹽度更淡？
研究指出，關鍵在於南極冰山（圖4）。多項代用指標顯示，在MBE之前，南極釋放的冰山數量高於現今。當這些冰山向北漂移並融化時，將大量淡水輸送至AAIW的形成區域。同時，當時更強的南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）——其強度估計比現今高出約1.3–1.5倍——透過將冰山及其融冰水輸送至更北方的區域，進一步加劇了這種效應。
圖 4 示意圖說明南極冰山淡水輸送至南極中層水（AAIW）形成區的過程。冰山融水降低海表鹽度與密度，使中層水形成區向北移動，並增加其與大氣接觸的範圍，進而提升CO₂ 的吸收能力。
這些作用共同使中層海水變得更冷且鹽度更淡，大幅提升其吸收大氣二氧化碳的能力。MBE之後，南半球西風帶南移，減弱了溫暖的繞極深層水向南極陸棚的湧升，進而限制了冰棚融化與冰山崩解。同時，較弱的ACC也減少了淡水向北輸送。其結果是：中層水變得更溫暖、鹽度更高，海洋垂直分層也隨之減弱，對二氧化碳的吸收能力明顯下降。
研究結果的重要性：被忽視的中層海水
釐清過去調控大氣二氧化碳濃度的機制，是預測未來氣候變遷的核心課題。
本研究挑戰了長期以來認為僅由深層海洋主導二氧化碳變化的觀點，指出長期被忽視的中層海水其實扮演了重要的角色。
研究同時揭示了二氧化碳與南極冰融化及冰山活動之間一項出人意料的連結。展望未來，隨著南極冰損失持續加速，海洋封存碳的能力可能進一步下降，進而在高碳排放情境下，放大未來的暖化效應。
延伸閱讀
Tapia， R.， Ho， S.L.， Nürnberg， D.， Meckler， A.N.， Iizuka， Y.， Tiedemann， R. （2026）. “Shifts in Antarctic Intermediate Water properties coincide with atmospheric CO2 rise across the Mid-Brunhes Event.” Science Advances， 10.1126/sciadv.ady4567
