研究揭示全球穩定同位素“反高程效應”原因

8月1日，中國科學院青藏高原研究所發布消息，該所環境變化與多圈層過程團隊余武生研究員聯合美國俄亥俄州立大學Lonnie Thompson教授和澳大利亞詹姆斯庫克大學Stephen Lewis博士等研究發現，在全球尺度上，從大氣水汽穩定同位素的新視角，可以系統地揭示不同地表介質穩定同位素出現“反高程效應”的原因，并對未來利用穩定同位素方法重建古高度的工作提出了重要建議。該成果7月28日在線發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

青藏高原的隆升歷史，尤其是新生代青藏高原古高度變化是地球系統科學研究中的重點、熱點和難點。古高度重建方法主要有：古生物、穩定同位素古高度計和團簇同位素溫度計等。其中，穩定同位素古高度計方法最為成熟，已被廣泛應用于青藏高原、阿爾卑斯山、安第斯山以及落基山等古高度重建工作中。

利用穩定同位素方法重建古高度，是基于穩定同位素的“高程效應”原理，也就是，隨著海拔逐漸升高，地表介質中穩定同位素值逐漸降低。然而，該方法假設數百萬年來氣候條件基本不變，這顯然不符合實際情況。這造成該方法重建的結果與其它方法所得到的結果不一致。

近年來，研究人員發現，在全球一些地區不同地表介質中（包括冰芯、積雪、雨水、河水等）穩定同位素存在“反高程效應”的異常現象，即這些介質中穩定同位素隨海拔升高而增加。“反高程效應”學說的出現，與穩定同位素古高度計的理論基礎相沖突，阻礙了古高度重建工作的開展。

目前，不同地表介質中穩定同位素出現“反高程效應”的原因仍然不明。該文章的通訊作者余武生介紹，研究團隊發現，在美國西部和亞洲干旱區（從紅海到青藏高原北部）等地區對流層中層的水汽穩定同位素存在“反高程效應”，而且其空間分布格局與地表介質中穩定同位素“反高程效應”的空間分布格局基本一致。

進一步研究發現，發生水汽穩定同位素“反高程效應”有兩個不可或缺的因素，即遠源區的高同位素值的水汽供應和高同位素信號可以通過橫向輸送從遠源區傳遞到靶區。研究認為，“反高程效應”在降水發生之前就已經出現在水汽中。由于水汽是降水的“物質來源”，因此水汽穩定同位素的“反高程效應”被深深地烙印在降水中。

我們知道，青藏高原等山體逐步隆升導致更大范圍內大氣環流格局的變化，進而改變了水汽源區和水汽輸送路徑及水汽穩定同位素值的固有特征。這些變化使得穩定同位素古高度計在這些地區的應用變得更為復雜。因此，在利用穩定同位素古高度計之前，需要仔細考慮山體不同隆升階段水汽來源和水汽輸送路徑及其對穩定同位素值的影響。