海洋吸收人为CO2引起的pH和碳酸钙矿物质饱和度下降,这一过程称为海洋酸化。海洋酸化将对海洋生物和生态系统造成不利影响。在过去的20年来,全球气候变化,尤其是变暖引起了北冰洋的一系列快速变化。这些变化包括:快速的海冰后退,海表温度上升,太平洋水输入增多,淡水储量增加,初级生产力增强以及表层水的CO2浓度升高等。全球气候变化所诱发的北极快速变化预计将放大北冰洋海洋酸化,通过北冰洋CO2吸收和碳埋藏使其在响应气候变化较其它大洋更快速和显著。然而,前人的大多数研究都是基于十分有限的短期和局部数据,因此限制了对北冰洋酸化的现状和历史变化的了解。本研究通过现场观测获得了DIC、TAlk和pH等数据,获得了西北冰洋Ω文石和pH分布状态,以评估20年来西北冰洋的酸化扩张、速率和范围,并分析了其酸化水体变化与过去20年的环境和气候变化之间的联系。本论文也依据表层海水CO2在融冰后开阔水域,融冰区和冰覆盖下等不同状况下呈现出明显的变异性,揭示了北冰洋快速融冰背景下表层海水pCO2变异性的“低-低-高”机理及其对北冰洋酸化的作用。本研究首先报道了 1994-2010夏季5个横跨西北冰洋航次,从边缘海到深海海盆(最北达88°N)上层海洋(300m以上)Ω文石分布。研究表明,在1990年代至2010年之间,酸化水体从阿拉斯加西北面的楚科奇海陆坡向北扩张了5°,从北纬80°延伸到85°,深度也加深100 m,延伸到250 m。如此迅速和大范围的酸化现象是第一次在北冰洋观察到,其酸化速率比在太平洋或者大西洋所观测到的还要快2倍以上。示踪数据分析和模型模拟结果表明,北冰洋快速海冰融化以及海洋和大气环流的异常,共同影响了太平洋冬季水增加,是北冰洋酸化快速扩张的主要驱动要素。此外,我们通过在2008年中国国家北极科学考察(CHINARE)航次通过深入到88°N的北冰洋中心区的170°W断面观测,发现表层海水中CO2在冰覆盖下,融冰区和融冰后开阔水域等不同状况下出现了明显的变异性。针对所观测到的表层海水二氧化碳分压(pCO2)变异性现象,提出了北冰洋快速融冰情景下的表层海水pC02变异的“低-低-高”假设,即,海冰覆盖下的海水是“低”pCO2,刚融冰的海水是“低”pC02,而融冰后的开阔海水会出现“高”pCO2。出现这种“低-低-高”pCO2变异现象是由不同驱动过程引起的。冰覆盖下海水低pCO2,控制因素可能是水体受到不同水团的混合过程、温度变化、冰-水CO2交换和生物冰藻微吸收CO2过程的控制,其主要诱因还需要进一步探索;现场观测表明刚融冰时海水的低pCO2主控因素可能是生物的CO2吸收,以及CaCO3溶解共同作用的原因;而融冰后开阔海水的高C02、大范围Ω文石<1和低pH值已被论证为由于大气中C02快速进入海水、水体增温和海冰稀释引起的。最后为了了解北冰洋的酸化程度,我们在2010年的中国北极考察航次沿着楚科奇海陆架往北深入到楚科奇深海平原的陆架-斜坡-海盆区域开展了pH测定。在楚科奇海底部水域(距底30 m处)和深海平原次表层水域(100-200 m)观察到了相当低的pH值。在楚科奇海底部水体,pH为7.89-8.12,对应于273-343 μmol kg-1的溶解氧(DO)值(即83%-98%)。在楚科奇海深海平原的次表层水,pH为7.85-7.98,对应于271-310 μmol kg-1的DO值(即76%-84%)。碳酸盐体系与耗氧耦合模型分析表明,夏季楚科奇海由于海冰快速融化伴随着光照增强,太平洋入流水携带丰富的营养盐,浮游植物大量繁殖,初级生产力达到高峰,产生的生源颗粒物在底层水体呼吸再矿化消耗DO,释放CO2;此外,夏季融冰的层化作用阻滞了海-气交换等因素也促使了楚科奇海陆架底层水和深海平原海盆上盐跃层水体低溶解氧和有利于酸化环境的形成。海盆区低pH是冬季太平洋水输送到海盆的过程中陆架底层有机物再矿化释放C02进一步降低pH。总之,本论文通过对过去20年来5个北冰洋航次数据进行的精细分析,采用化学示踪和模型模拟,发现全球气候变化引起了北冰洋环流模式异常、北冰洋海冰覆盖面积快速后退驱动着太平洋冬季水(携带“酸化”的海水)的大范围入侵,导致了北冰洋酸化水体快速扩张,并以每年1.5%截面积的速率增长,预估到本世纪中叶整个西北冰洋上层海洋将被酸化水所覆盖!