研究揭示全球稳定同位素“反高程效应”原因

8月1日，中国科学院青藏高原研究所发布消息，该所环境变化与多圈层过程团队余武生研究员联合美国俄亥俄州立大学Lonnie Thompson教授和澳大利亚詹姆斯库克大学Stephen Lewis博士等研究发现，在全球尺度上，从大气水汽稳定同位素的新视角，可以系统地揭示不同地表介质稳定同位素出现“反高程效应”的原因，并对未来利用稳定同位素方法重建古高度的工作提出了重要建议。该成果7月28日在线发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

青藏高原的隆升历史，尤其是新生代青藏高原古高度变化是地球系统科学研究中的重点、热点和难点。古高度重建方法主要有：古生物、稳定同位素古高度计和团簇同位素温度计等。其中，稳定同位素古高度计方法最为成熟，已被广泛应用于青藏高原、阿尔卑斯山、安第斯山以及落基山等古高度重建工作中。

利用稳定同位素方法重建古高度，是基于稳定同位素的“高程效应”原理，也就是，随着海拔逐渐升高，地表介质中稳定同位素值逐渐降低。然而，该方法假设数百万年来气候条件基本不变，这显然不符合实际情况。这造成该方法重建的结果与其它方法所得到的结果不一致。

近年来，研究人员发现，在全球一些地区不同地表介质中（包括冰芯、积雪、雨水、河水等）稳定同位素存在“反高程效应”的异常现象，即这些介质中稳定同位素随海拔升高而增加。“反高程效应”学说的出现，与稳定同位素古高度计的理论基础相冲突，阻碍了古高度重建工作的开展。

目前，不同地表介质中稳定同位素出现“反高程效应”的原因仍然不明。该文章的通讯作者余武生介绍，研究团队发现，在美国西部和亚洲干旱区（从红海到青藏高原北部）等地区对流层中层的水汽稳定同位素存在“反高程效应”，而且其空间分布格局与地表介质中稳定同位素“反高程效应”的空间分布格局基本一致。

进一步研究发现，发生水汽稳定同位素“反高程效应”有两个不可或缺的因素，即远源区的高同位素值的水汽供应和高同位素信号可以通过横向输送从远源区传递到靶区。研究认为，“反高程效应”在降水发生之前就已经出现在水汽中。由于水汽是降水的“物质来源”，因此水汽稳定同位素的“反高程效应”被深深地烙印在降水中。

我们知道，青藏高原等山体逐步隆升导致更大范围内大气环流格局的变化，进而改变了水汽源区和水汽输送路径及水汽稳定同位素值的固有特征。这些变化使得稳定同位素古高度计在这些地区的应用变得更为复杂。因此，在利用稳定同位素古高度计之前，需要仔细考虑山体不同隆升阶段水汽来源和水汽输送路径及其对稳定同位素值的影响。