巴恩斯冰帽记录揭示劳伦森冰盖晚全新世再扩张及人为变暖对下一次冰期的终止

《SCIENCE》：Late Holocene reexpansion of the Laurentide Ice Sheet

　　

在间冰期，劳伦森冰盖（Laurentide Ice Sheet, LIS）作为更新世冰盖中最大者，退缩至加拿大北极地区，并达到最小构型。该最小值之后的LIS再扩张标志着下一次冰期的开始。研究人员表明，最近一次LIS的最后残存体——巴恩斯冰帽（Barnes Ice Cap, BIC；加拿大Baffin岛）——在约3.6千年前之后达到其间冰期最小范围，随后在约2000年前再扩张，标志着下一次冰期的开始。新的LIS在公元约1960年达到最大范围，此后人为夏季增暖导致负质量平衡（negative mass balance）、冰缘退缩以及下一次冰期的终止。尽管夏季太阳辐射（summer insolation）持续下降，下一次冰期的消亡仍说明异常温室气体强迫（anomalous greenhouse gas forcing）对气候的影响。

研究背景与意义：第四纪冰期—间冰期旋回中，海相沉积氧同位素（δ¹⁸O）变化主要受陆地冰量控制，LIS（Laurentide Ice Sheet，劳伦森冰盖；更新世北美最大冰盖）影响最大。间冰期LIS退至加拿大北极，达到最小构型；其后再扩张代表下一次冰期开始。但陆相最小与再增长证据多被后续冰进破坏或埋于现代冰盖下，冰盖何时开始千年尺度向冰期最大推进难以确定。模型提示加拿大北极巴芬岛（Baffin Island）可能是冰期起始地；今日BIC（Barnes Ice Cap，巴恩斯冰帽）是LIS最后残存，位于Baffin岛中部高原，含间冰期Holocene冰、末次冰期冰和更老冰，成为检验“Baffin高原为大陆尺度冰川起始点”假说的关键。Young et al.在《SCIENCE》发表该研究，利用BIC前缘新暴露景观限定LIS间冰期最小、再扩张和当代终止。

关键技术方法：研究人员在加拿大Baffin岛Barnes冰帽前缘及Baffin高原冰帽开展研究。以BIC前缘漂砾和1960 CE历史冰缘线内外基岩的原位¹⁰Be暴露测年（in situ ¹⁰Be surface exposure dating；宇宙成因核素测年）限定LIS后退时代；对2022 CE冰缘附近新暴露的原地死亡苔藓和木本植物进行¹⁴C定年（radiocarbon dating），包括冰缘附近88个样和约800 m样带16个样，以杀死年龄（kill date，指示冰进掩埋植物的死亡时间）约束冰进；结合邻近高原冰帽（plateau ice caps, PICs）186个¹⁴C年龄、航片历史冰缘、Agassiz冰芯温度、社区地球系统模型（Community Earth System Model, CESM）past2ka模拟及大气CO₂等记录进行综合。样本队列来源于Baffin岛BIC前缘和Baffin高原冰帽。

研究结果：
冰缘年代学（Ice margin chronology）：通过三类地貌单元¹⁰Be年龄统计重叠，限定LIS在3.56±0.24 ka BP退至2022 CE冰缘以内，与局部最小限制¹⁴C一致；1960 CE历史冰缘线（trimline）及无沉积冰碛说明冷基冰（cold-based ice）无基底滑动，BIC以保存为主。
LIS全新世最小、再扩张与当代退缩（The LIS Holocene minimum, reexpansion, and contemporary retreat）：通过¹⁴C杀死年龄，88个新样约70%（64个）中值1800±200 CE，指示小冰期最冷夏季期间冰进；800 m样带16个样最老者约1000 CE开始向历史最大推进，同点1530与1830 CE年龄显示多次进退但~1000 CE后总体净扩张；PIC 186个¹⁴C无前Common Era年龄，指示区域雪线（snowline）约2 ka BP才交切高原，LIS约3–2 ka BP稳定于小于今日范围后~2 ka BP再扩张；1960 CE为广泛当代退缩开始，1960–2022冰缘退200–800 m，夏季增温可解释BIC质量损失。
LIS全新世演化与冰川起始（Holocene evolution of the LIS and glacial inception）：尽管全新世夏季太阳辐射长期下降，LIS仍退缩，说明冰盖几何与气候不平衡；~9 ka雪线降低至~2 ka才再扩张，受早期动力冰排和残余均衡抬升（isostatic uplift；约20 m/3 kyr）影响但不足以解释转变；~2 ka雪线足够低交切Baffin高原触发再扩张。PIC/BIC杀死年龄峰（约250–450、850–1000、1250–1450 CE）与降温记录一致，共享~1450 CE峰指示区域共同气候强迫；BIC约1800±200 CE近历史最大，~1960 CE开始退缩。温室气体在1750–1850仅增约12 ppm二氧化碳当量（CO₂e），至1960额外约50 ppm，至2024额外138 ppm。

讨论总结：米兰科维奇（Milankovitch）理论要求高纬夏季辐射下降及正反馈；~2 kyr扩张代表下一次冰期起始；1960 CE人为夏季增暖逆转2 kyr推进，标志下一次冰期终止。8–2 ka CO₂e约+20 ppm不足以抵消辐射驱动降温和Baffin冰帽扩张；低起伏高原对雪线小幅下降敏感，反照率正反馈加速海冰扩张与降温，支持“瞬时冰川化（instantaneous glacierization）”。CO₂继续增加使回归冰期极不可能，但新数据约束前工业气候下冰期起始时机；传统以北半球（NH）冰盖数米海平面当量作为阈值难以识别冰盖扩张首现，经验预测的间冰期峰值1.8至?0.1 ka BP与~2 ka BP再生长相似。

研究结论翻译：从BIC之下新出露的景观可揭示LIS最近一次消冰史、其间冰期最小构型及冰川再扩张时间。LIS约3.6 ka BP退至2022 CE冰缘以内，但晚全新世未完全消失；相反，LIS约2 ka BP开始再生长，提供LIS起始阶段的直接证据。起始发生于全新世温室气体强迫小幅增加的背景，但该增加未能逆转高北纬夏季变冷和区域雪线下降的千年趋势；过去约2 kyr区域变冷可能受正反馈促进，加速Baffin岛永久雪场和冰帽扩张。当代由人为增暖驱动的冰缘退缩已逆转约2 kyr的LIS推进，标志着下一次冰期的人为终止。