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Pa-231/Th-230 对大洋径向流的指示

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Egolym 发表于 2012-2-14 07:22:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Egolym 于 2012-2-15 02:40 编辑

刚刚写完Thesis的第四个chapter,而被拒掉的Paper也重新投到了Nature Geo,另外我太平洋的模型也得到了Jerry Mcmanus等人的肯定, paper也submit到了DSR。所以我斗胆在此开贴介绍一下我博士论文的部分工作,并希望跟大家探讨这方面的问题,如果大家感兴趣。言归正传:

背景介绍:
大洋径向流在全球气候系统中扮演着一个关键的角色。因此科学家们尝试着通过对古径向流得重建来解释古气候变化中观测到的一些个奇怪的特征(突变)。这些所谓的特征通常独立于冰期-间冰期的旋回,跨越的时间尺度通常在1kyr-1000kyr之间。在众多的化学示踪剂中,最先应用的是C同位素以及Cd/Ca==。通过对比他们在不同年代的沉积物中的测量数据,大西洋径向洋流在LGM-H1-Holocene的几何上的变化已经被发表而且基本得到了广泛的认可。但是,径向流的强度也是洋流和气候重建工作中的一个重点而大多数化学示踪剂对此无能为力。Pa-231/Th-230则是作为一个能用于推算古洋流强度的工具于90年代末被Roger Francois率先发现。

Pa-231和Th-230:
Pa-231: 由U-235衰变产生,广泛存在于自然界中。
Th-230: 有U-234衰变产生,广泛存在与自然界中。
在海洋中,此两种同位素主要是由海水中的U衰变生成。而因为U是易溶于水的,所以它在海水中可以被认为是均匀分布的 (Chen et al., 1986)。因此Pa-231和Th-230在海水中的生产速率可以被认为是恒定的,他们的生产速率比是0.093(Pa:Th)。在海水中被生成后,它们都比较容易附着于settling particles而会逐渐被从海水中清除。相对于Th-230,Pa-231的清除速率较慢,所以它在海水中的停留时间较长。所以洋流会对海洋中的Pa-231的distribution产生严重的影响而Th-230所受的影响不大。

这块的研究:
于是,通过研究海洋底部沉积物中的Pa-231/Th-230比值就可以大致推断古洋流(目前的研究只在Atlantic)的变化。迄今为止,影响最大的两篇相关的Paper是Yu et al., 1996, nature,Marchal et al., 2000和Mamanus et al., 2004, Nature.
这些比较老的paper的结论基于一个简单的假设: AMOC强的时候,更多的Pa-231会被带到南大洋所以大西洋沉积物中的Pa/Th会低,而AMOC弱的时候,因为AMOC无力运送Pa-231至南大洋所以大西洋沉积物中的Pa/Th会较高,而当这个比值到了0.093,则说明AMOC彻底的停了.

从另外一个角度,Settling particles的量和种类也会对沉积物中的Pa/Th比值产生一定影响:
1. 生产力强的区域,Pa-231也会迅速的被带入沉积物中,所以Pa/Th会接近于0.093。
2. 沉积物中的Opal会比较倾向于吸附Pa-231所以,%Opal高的沉积物会伴随着比较高的Pa/Th. (详见Anderson et al., 2009, Science)

并且Oxford的Gideon Henderson的Group中的一位叫Alex Thomas的前辈运用一个1D的模型大致证明洋流只能影响深度浅于洋流底部不到1000m的沉积物的Pa/Th产生大的影响。(Thomas et al.,  2006, EPSL)

所以最新的对AMOC的重建工作,都是基于对多个取于不同地点,深度的沉积物柱状样品的研究,同时%opal也会被测量用于排除干扰. (Gherardi et al., 2005, 2009. EPSL&Paleoceanography)

人们也尝试着用GCM来尝试着直接的解释洋流对Pa/Th的分布的影响,但是因为植入的scavenging model比较简单而GCM又过于复杂,对Pa/Th分布的全面的理解仍然不够。我尝试的是用一个2D模型(合并了一个简单环流样式的模型和可逆的沉积箱式模型),利用实测的溶解态的Pa-231和Th-230来调试参数...然后用Sediment Pa/Th output来解释大西洋中的沉积物的Pa/Th Pattern. (Luo et al., 2010, Ocean Science)

最新的赤道太平洋的 实测数据 vs 模型 的结果发表于 Lippold et al,2011, (GRL),我和德国合作者Joerg Lippold的关于LGM时期的AMOC的强度和几何变化的研究的文章 Nature-Geo在投。

基本上,我们的结论是,Pa/Th是可以用来估算古洋流强度的,但是database需要够强...而且比较特殊的location的样品需要被排除 (如%Opal过高(我们认为>6%)以及处于强上升流区的样品)。对LGM时期的AMOC的描述可以概括为GNAIW强度 可能在25Sv-30Sv,分布于大概1000米-3000米之间,这比现在的NADW略强 。而整个大西洋低于3500的部分则完全受控于AABW的延伸,但是强度应该是极其弱的。(AABW过赤道后在北大西洋的整个的强度小于4Sv)

下面说说太平洋:
而Pa/Th在太平洋的应用相对于其在大西洋的应用可以说聊胜于无了...主要原因是,普遍认为,因为太平洋深层水的驻留时间远长与大西洋深层水,所以PMOC对大西洋沉积物中的Pa/Th分布的影响会非常弱。而且太平洋底地形更加复杂,所以径向流体现在沉积物Pa/Th上的变化更加难以被捕捉。

关于太平洋沉积物中Pa/Th的文章以前主要是用来阐述边界清除理论(Boundary scavenging),就是Coastal region因为生产力高,所以沉积物中的Pa/Th会高,并且海水中的Pa会非常低...而Ocean Gyre海水中的Pa因为那里生产力低下所以来不及清除会有比较高的浓度,所以大洋中心区的Pa会向Coastal区域横向清除。结果就是Ocean Gyre的沉积物里的Pa/Th很低而Coastal的沉积物里的Pa/Th很高。(详见Anderson et al., 1990和Yang et al., 1986)

对太平洋沉积物的Pa/Th分布在冰期-间冰期旋回尺度内的研究也非常少,据我所知,只有 Pichat et al., 2004 和 Bradtmiller et al., 2006. 他们分析了些东赤道太平洋EEP和西赤道太平洋WEP的样品并且发现在EEP(高生产力区),Sediment Pa/Th 随着 %opal变化的趋势非常明显,而在WEP(低生产力区),%opal无力解释Pa/Th的变化。 Bradtmiller在paper中甚至说可能有别的因素在影响WEP的Pa/Th的变化。

而我们认为这个"别的因素"就是径向流(MOC)...

我刚开始尝试着用MOC来解释太平洋的Pa/Th的分布的时候遇到了很大的阻力. 因为在此之前世界上还没有人把Pacific MOC和sediment Pa/Th联系起来,连我老板都觉得这个是mission impossible..只是让我自己尝试.但是当我发现了太平洋的沉积物中的Pa/Th也有着一个Depth dependence的时候, PMOC对太平洋沉积物中的Pa/Th的分布的影响就比较明显了...

通过改进Atlantic的模型 (主要是改用pacific的一些参数), 和引入一个removal term来反映Boundary scavenging的影响...我们成功的用我的2D模型描述了现有的赤道太平洋附近沉积物中的Pa/Th分布...从而证明了在WEP,Pa/Th分布主要受控于MOC...而在EEP则是%Opal和MOC共同控制Pa/Th分布。

这个结论的新颖之处在于,我们可能能够通过广泛的测太平洋沉积物中的Pa/Th分布在研究PMOC在LGM-Holocene的系统的变化...从而能够全面的解释北太平洋地区的气候在LGM-Holocene尺度上的变化。这也是我博后可能开展的工作之一。
 楼主| Egolym 发表于 2012-2-14 07:23:49 | 显示全部楼层

对未来Sediment Pa/Th工作的展望...

本帖最后由 Egolym 于 2012-2-15 03:13 编辑

1. Southern Ocean 可以被认为是一个Pa-231的汇. 而位于此区域的sediment中的Pa/Th比率则主要受控于%Opal的量...所以此处的Pa/Th的研究主要可以用来指示Opal的生产力。
(不过Anderson et al. 2009年的science已经探讨过这个问题,所以没啥新意)
2. AMOC通过Pa/Th在H1的重建.
3. Pacific Circulation/Climate reconstruction based on sediment Pa-231/Th-230
(这个应该是可行的,也是我博后即将尝试的.)
4. Indian PMOC Circulation/Climate reconstruction based on sediment Pa-231/Th-230
(我想,既然Pa/Th可以用于Atlantic和Pacific...那么Indian Ocean一样也行) 因为PA/Th主要是用来指示中层水和深层水, 所以印度洋复杂的浅层水(above 1000m)对于Pa/Th的应用应该影响不大。这个也是我要开展的工作之一。
5. 3D Model/新的GCM对Sediment Pa/Th的全面描述...
6. 延伸Pa/Th的应用,从目前的0-30kyr,可以延伸至至少0-100kyr...(工作量当然更加大,我的一个法国合作者Pichat已经开始了这方面的工作了)
 楼主| Egolym 发表于 2012-2-14 07:24:10 | 显示全部楼层
再占一个.......
lfan 发表于 2012-2-14 09:33:30 | 显示全部楼层
哈哈,reservation。半个凳子等连载。
leo 发表于 2012-2-14 10:33:43 | 显示全部楼层
学习了,谢谢分享!期待续篇!
liuniankai 发表于 2012-2-14 13:52:06 | 显示全部楼层
呵呵 期待太平洋~
 楼主| Egolym 发表于 2012-2-16 09:12:29 | 显示全部楼层
哈哈,reservation。半个凳子等连载。
lfan 发表于 2012-2-14 09:33


哈哈...真谈不上连载. Pa-231/Th-230这块是我论文的一个重要组成部分, 所以我花了相当的时间来思考的总结。可惜的是我的数学/物理背景不够,没有能力/精力做出3D的模型来研究这个问题。
如果能拿到LDEO的Postdoc Fellowship, 我就能继续这块的摸索了,可惜竞争激烈...实在拿不准啊。WHOI的Postdoc Fellowship就更不用说了,100多人申请只收10个人...额的神啊!!
lfan 发表于 2012-2-16 11:14:28 | 显示全部楼层
回复 7# Egolym


    然后还要留更多精力应对Postdoc期间的研究……呵呵,施主,学海无边,回头是岸
 楼主| Egolym 发表于 2012-2-17 01:44:52 | 显示全部楼层
回复  Egolym


    然后还要留更多精力应对Postdoc期间的研究……呵呵,施主,学海无边,回头是岸
lfan 发表于 2012-2-16 11:14


没办法...中了毒以后解不了了...
清风海带 发表于 2012-11-14 16:57:56 | 显示全部楼层
博士论文可否发一份给小弟啊?!
 楼主| Egolym 发表于 2012-11-15 14:04:57 | 显示全部楼层
 楼主| Egolym 发表于 2013-3-26 23:05:09 | 显示全部楼层
最新的Geotraces的water column Pa-231/Th-230 data快要出来了~~从跟Gideon Henderson Group和Van der leoff Group的沟通来看,我模型的prediction在Atlantic被比较完美的证实
我会继续跟踪最新的研究成果...
ningzhao 发表于 2013-3-29 09:47:27 | 显示全部楼层
回复 12# Egolym

Bob Anderson有个博士马上毕业了要来我们这边做博后,可能要继续做北太平洋的Pa/Th
 楼主| Egolym 发表于 2013-3-29 10:20:00 | 显示全部楼层
回复 13# ningzhao
Chris Hayes啊,我认识,他不错。 请问您在哪?
 楼主| Egolym 发表于 2013-3-29 10:27:44 | 显示全部楼层
回复 13# ningzhao
Google到了~~原来您是跟Ed啊,失敬失敬~ Chris要去跟Ed么?他难道也要做Geotraces的Fe的工作?
WHOI-MIT现在没人主体做Pa/Th了啊,看来估计Bob 还会继续对Chris的支持了!!!!

Chris拥有的资源真是让人羡慕啊,我这完全靠自己单打独斗......
ningzhao 发表于 2013-3-29 12:29:12 | 显示全部楼层
回复 15# Egolym

Hi您好,我在MIT-WHOI Joint Program,Ed是我的second advisor,我的第一导师目前是Lloyd Keigwin。
Chirs应该是九月份过来,Ed虽然自己不做Pa/Th,但是对痕量金属都很感兴趣,现在又是Geotraces的co-director,估计可以给Chris提供需要的条件,至于他做不做Fe,我还不清楚。。。MIT这边还有个新来的老师,David McGee,也做U系的东西,Chirs也会跟他合作。
Roger很厉害啊,难道你们组里做Pa/Th不多了吗?为啥是单打独斗呢?
 楼主| Egolym 发表于 2013-3-29 13:34:14 | 显示全部楼层
回复 16# ningzhao

Roger现在做的很少了,加拿大的funding比较小和少...我模型预测的结果不少,但是没钱去做。现在我都是通过和一个德国人Joerg Lippold合作, 他花钱测Pa, Th。
清风海带 发表于 2013-10-2 10:12:35 | 显示全部楼层
回复 11# Egolym
非常感谢,暑假有幸听到您在厦大的报告啊!
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