南極冰層下的火山——曾是降低大氣中二氧化碳含量的功臣

狂風使得南極的麥克默多干谷（McMurdo Dry Valleys）中沒有任何雪和冰。然而在谷中發現的方解石則揭開了遠古冰層下火山的秘密。

• 李瑞 編譯

鐵元素是極地海洋冷水中生存的微生物的微量營養素，這一點多不為人知曉。正是由於鐵元素的存在，浮游生物才能將二氧化碳保持在體內。當這些浮游生物死亡以後，它們的遺骸會沉入海底，將碳元素安全地儲存在那裡。

但是，鐵元素具體如何達到的南大洋，這點還處於爭議中，目前科學家了解的是在上次冰河時期，有大量的碳元素儲存在南大洋的海底。了解碳元素是如何被儲存在深海，能有助於減少大氣中的二氧化碳含量，充分發揮南極的作用。

科學家相信，冰山和大氣塵埃過去一直是鐵元素的主要來源。但是在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上發表的論文中，研究者檢測了來自南極的方解石結殼，發現冰川下的火山在上一次冰河時期對於將鐵元素輸送到海底是非常重要的。

今天，來自格陵蘭島和南極半島的冰川融水提供了兩種形式的鐵——溶液形式和微粒形式（直徑小於0.0001毫米），這兩種形式都很容易被浮游生物吸收。當冰川遇到基岩時，其上的微生物可以在相對溫暖的水環境中生存。它們能夠從岩石上攝取「食物」，並在此過程中釋放鐵元素，之後這些鐵元素就可以通過河流輸送到海里。冰下的火山爆發會產生冰下湖，其有時會向下游釋放大量的水，這些水會流向冰緣周圍並攜帶著溶液形式和微粒形式的鐵元素。

至今，人們對融化中的冰川在氣候變化中所起的作用仍然了解甚微。與此特別相關的還在於科學家預測拉森C冰架（南極半島最大的冰架，面積為5.5萬平方公里）的一部分即將發生崩塌。科學家們還在研究如何使南大洋中的鐵元素在自然條件下持續增加，並誘發藻類加速生長。通過調取火山的資料，科學家們會更加了解來自於冰川融水的鐵元素如何對全球溫度變化產生影響。

上圖為拋光的冰下方解石晶片。方解石在水環境中形成了半透明的結晶層，向微生物提供營養。帶有岩石碎片的不透明的方解石記錄了由火山爆發形成的冰下湖釋放水並將溶液形式和微粒形式的鐵元素帶走的過程。

末次冰盛期

在末次冰盛期，也就是大約27000至17000年之前，全球冰川的面積達到了最大值，大氣中二氧化碳的含量降低至180ppm，比工業化之前的水平（280ppm）還低。

而現今，大氣中的二氧化碳含量是400ppm，如果現在的氣候變暖趨勢繼續下去的話，這個數值將會持續升高且不可恢復。全球溫度體系將會回到恐龍時代的水平，那時赤道與極地之間幾乎沒有溫度差。

如果我們想為後代留下一個可持續發展的星球，那麼我們必須降低大氣中的碳含量。在末次冰盛期，豐富的鐵元素造就了南大洋中繁盛的浮游生物群，是當時大氣中二氧化碳含量降低的重要因素，這對於今天人類的生活具有重要啟示。

在末次冰盛期，風將來自沙漠的灰塵和帶有細小顆粒的冰山上的灰塵送入南大洋，這為藻類的生長提供了必要的鐵元素。然而，這種極端的條件在今天並不存在。

隱藏的火山

然而，如此豐富的海洋沉積物絕不可能是灰塵或是冰山等單獨一種物質形成的。還有另一種物質，只在很少的冰川下的沉積物中存在，其可以精確地追溯至末次冰盛期。

南極干谷中冰川消失后，人們發現了銹紅色的方解石石垢貼合在冰川拋光的石塊上。這種方解石具有多層結構，人類利用放射科學可以精確測定其薄層沉積的時期。

一塊外表包覆有卵石的冰川方解石。這表明方解石形成的過程中有像山洪一樣湍急的水流，使得卵石與其他物質一起沉積。

方解石每一層的化學組成和DNA都記錄了將鐵元素輸送到南大洋中的過程。例如，沉積層中有富含氟的球體表明，由火山活動而形成的水下通路將大量的礦物質混合物輸送到了冰川下。這已經通過大量的嗜熱菌群的DNA數據得到了證實，這種微生物只會在非常熱的水中生存。

然後，我們可以合理地推論，火山爆發發生在冰下，並形成了冰下湖，湖水一股一股地通過溝渠最終流到了冰緣。冰川融水中的鐵元素排出，最終流入大洋，使得藻類繁茂生長。這說明，南極火山在將鐵元素輸送到南大洋的過程中起到重要作用，並間接降低了大氣中的二氧化碳含量。這項研究對於當今社會控制大氣中二氧化碳含量提供了寶貴經驗。

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