地球过去时空之门的一把钥匙

        14C的产生与传输、衰变过程对于我们认识地球乃至太阳活动都有着重要的指示意义。最近，来自英国谢菲尔德大学的Timothy Heaton博士及其合作者，对过去14C浓度变化及其应用的相关研究进行了系统性综述，相关论文发表在Science杂志上。

 

1. 过去大气14C浓度变化

对于过去14-0ka时段，新树轮记录的不断补充，结合加速器质谱的使用，使得高分辨率结果的连续性不断增强，识别年际尺度的事件成为可能。过去55-14ka时段的记录则主要来自中国葫芦洞石笋，石笋14C浓度记录的优势在于其独立且精确的年代学标尺。树轮与石笋记录结合，通过最新的贝叶斯样条回归计算，得到了北半球过去55ka以来大气14C浓度变化曲线(图1)。

 

图1 过去55ka以来北半球大气14C浓度变化曲线IntCal20

 

2. 14C与太阳活动变化

宇生核素与太阳活动有着密切联系，可以提供更长尺度的太阳活动记录。在太阳活动整体较弱的大时段，太阳磁场对系外宇宙射线的屏蔽减弱，造成地球宇生核素浓度增加。太阳活动在蒙德极小期（1700年左右）、道尔顿极小期（1800年左右）以及1900年极小期时，14C、10Be产率都有增加。在日冕物质抛射、强烈的太阳风暴等短时间内，太阳自身射线对于地球影响增强，14C、10Be的产率也会增加。

 

3. 14C与地球磁场变化

宇生核素的形成还受到地球磁场的影响，因此，宇生核素浓度的变化可以记录过去地球磁场的变化，提供更连续、分辨率更高的记录。地磁场较弱时，对宇宙射线的屏蔽作用减弱，宇生核素的产率相应增加。如在距今41ka的拉尚（Laschamp）地磁漂移事件时，大气14C浓度发生了明显增加(图2)。

 

图2 IntCal20以及利用古地磁和10Be数据模拟的14C浓度变化

 

4. 14C和统一的年代学标尺

全面了解古气候变化及其机制，需要结合不同区域不同类型的气候记录进行对比。虽然不同的气候记录各有所长，但是这些气候记录年代标尺的类型、分辨率、误差都存在差异，很难进行直接对比，而是需要统一到一个共同的年代标尺上。在统一年代标尺时，全球性事件记录往往能作为标志层来进行对比。如火山灰、CH4变化、古地磁漂移事件等串联起很多地点不同类型的气候记录，但这些方法的应用都存在一定的时空限制。宇生核素14C在大气层产生，并快速进入表层地球系统，在全球不同记录中表现。因此，未来能够建立一个基于14C变化的连续年代框架，并进行气候对比(图3)。

 

图3 过去55ka不同气候记录年代标尺的统一化

 

5. 14C和碳循环

了解大气CO2变化的原因，首先需要认识不同碳库之间的碳循环变化。14C在产生之后，会很快进行表层地球系统。在碳循环过程中，由于不同碳库的14C/12C存在差异，因此，可以利用14C的变化来示踪相关碳循环过程(图4)。如浮游和底栖有孔虫14C的差异可以用来重建海洋碳库和古洋流的调整。气候变暖导致的永久冻土带老碳（14C/12C低）的释放会使得大气14C浓度降低。

 

图4 14C的产生及在表层地球系统中的分布

 

 

   摘自：地学之家微信公众号, 2021原创Top6：Science-14C——地球过去时空之门的一把钥匙.2022.2.12. 原文信息：Heaton T. J., Bard E., Ramsey C. B., et al.Radiocarbon: A key tracer for studying Earth’s dynamo, climate system, carbon cycle, and Sun. Science, 2021 ,374(6568). DOI: 10.1126/ science.abd7096。

    整理人：符安宗，推荐读者阅读和引用原文。