古海洋學

古海洋學（）
是研究過去地質時代的海洋歷史，包括循環、化學、生物學、地質學和沈積模式以及生物生產力。古海洋學研究使科學界能夠利用環境模型和不同指標物證，重建過去不同時間的古氣候，並評估海洋系統對全球氣候中的影響。 古海洋學研究也與古氣候學密切相關。

古海洋學利用間接方法來推斷有關海洋過去狀態和演變的信息。 例如地球化學間接方法包括長鏈有機分子（例如烯酮）、穩定和放射性同位素以及稀有金屬 Henderson, Gideon M. (October 2002). "New oceanic proxies for paleoclimate". Earth and Planetary Science Letters. 203 (1): 1–13. Bibcode:2002E&PSL.203....1H. doi:10.1016/S0012-821X(02)00809-9。  此外，沉積物岩心也很有用。 古海洋學領域與沈積學和古生物學密切相關。
 海水表面溫度 
海水表面溫度 (SST) 記錄可以從深海沉積物岩心中提取，使用氧同位素比和鎂與鈣的比例 (Mg/Ca)。提取這些資料可從浮游生物貝殼分泌物中、長鏈有機分子（如烯酮）、 靠近海面的熱帶珊瑚，以及來自軟體動物的貝殼 Cronin, Thomas M. (2010). Paleoclimates : understanding climate change past and present. New York: Columbia University Press. ISBN 9780231144940. 。

氧同位素比 (δ18O)，因受海水溫度而異，故可用於重建海水表面溫度。若與海水處於熱力學平衡狀態，浮游生物在建造它們的外殼時會吸收氧氣，若在溫暖的水域中形成時，它們的 δ18O 含量會減少Urey, Harold C. (1947). "The thermodynamic properties of isotopic substances". Journal of the Chemical Society (Resumed): 562–81. doi:10.1039/JR9470000562. PMID 20249764.。 當這些貝殼沉澱時，會形成海底沉積物，其 δ18O 可用於推斷過去的海水表面溫度Emiliani, C. (1955). "Pleistocene temperatures". Journal of Geology. 63 (6): 538–578. Bibcode:1955JG.....63..538E. doi:10.1086/626295. JSTOR 30080906. S2CID 225042939. 然而，海水中氧同位素比率也受其他因素影響。列如大陸冰蓋中的冰也可能會影響海水δ18O。大陸冰蓋中的淡水其 δ18O 值較低。因此在冰期，海水 δ18O 升高，在此期間形成的方解石外殼具有較大的 δ18O 值Olausson, Eric (January 1963). "Evidence of climatic changes in North Atlantic deep-sea cores, with remarks on isotopic paleotemperature analysis". Progress in Oceanography. 3: 221–252. Bibcode:1963PrOce...3..221O. doi:10.1016/0079-6611(65)90020-0. Shackleton, Nicholas (1 July 1967). "Oxygen Isotope Analyses and Pleistocene Temperatures Re-assessed". Nature. 215 (5096): 15–17. Bibcode:1967Natur.215...15S. doi:10.1038/215015a0. S2CID 4221046. .

在 CaCO3 殼中用鎂代替鈣可以代替形成殼的海水表面溫度。除了溫度之外，Mg/Ca 比還受其他幾個影響因素，例如生命效應、外殼清潔、死後和沈積後溶解效應等。 目前Mg/Ca 比率已成功量化了在末次冰期期間所發生熱帶冷卻Lea, D. W. (5 September 2003). "Synchroneity of Tropical and High-Latitude Atlantic Temperatures over the Last Glacial Termination". Science. 301 (5638): 1361–1364. Bibcode:2003Sci...301.1361L. doi:10.1126/science.1088470. PMID 12958356. S2CID 28169540. 。

烯酮是由藻類光合作用產生的長鏈、複雜的有機分子。它們對溫度敏感，而且可以從海洋沉積物中提取。使用烯酮可代表海水表面溫度和藻類之間更直接的關係，無需了解 在研究CaCO3中所需的生物和物理-化學熱力學關係Herbert, T. D. (2003). "Alkenone paleotemperature determinations". In Holland, H.D.; Turekian, K.K. (eds.). Treatise on geochemistry. Vol. 6 (1st ed.). Oxford: Elsevier Science. pp. 391–432. 。使用烯酮的另一個優點是它是光合作用的產物，需要在表層的陽光下形成。因此，它可以更能代表海水表面溫度。
 底水溫度 
推斷深海溫度歷史最常用的替代指標是底棲有孔蟲和介形蟲中的 Mg/Ca 比率。由 Mg/Ca 比率推斷的溫度已經證實，在晚更新世冰期期間，深海的冷卻溫度差高達 3 °C。 一項值得注意的研究是 Lear [2002]等人的研究。他們在 9 個地點校準底部水溫與 Mg/Ca 比率公式，涵蓋各種深度和多達 6 種不同底棲有孔蟲（取決於位置）的樣本 Billups, K.; Schrag, D.P. (April 2003). "Application of benthic foraminiferal Mg/Ca ratios to questions of Cenozoic climate change". Earth and Planetary Science Letters. 209 (1–2): 181–195. Bibcode:2003E&PSL.209..181B. doi:10.1016/S0012-821X(03)00067-。發現底部水溫和Mg/Ca 比率關係是一個指數方程。 其中 Mg/Ca 是底棲有孔蟲中的 Mg/Ca 比值，BWT 是底水溫度 Lear, Caroline H; Rosenthal, Yair; Slowey, Niall (October 2002). "Benthic foraminiferal Mg/Ca-paleothermometry: a revised core-top calibration". Geochimica et Cosmochimica Acta. 66 (19): 3375–3387. Bibcode:2002GeCoA..66.3375L. doi:10.1016/S0016-7037(02)00941-9。
 沉積物記錄 
沉積物記錄可以告訴我們很多關於我們過去的資料，並有助於對未來做出推斷。古海洋學領域的研究可以追溯到 1930 年代或更早Piggot, Charles Snowden. “Core Samples of the Ocean Bottom and Their Significance.” The Scientific Monthly, vol. 46, no. 3, 1938, pp. 201–217. JSTOR, www.jstor.org/stable/16315. Accessed 24 Mar. 2021. 。 目前使用沉積物岩心掃描方法，可以實施分割時間的重建研究。類似於在南極的冰芯記錄中進行的研究S.L. Jaccard, E.D. Galbraith, D.M. Sigman, G.H. Haug, A pervasive link between Antarctic ice core and subarctic Pacific sediment records over the past 800kyrs, Quaternary Science Reviews, Volume 29, Issues 1–2, 2010, Pages 206-212,ISSN 0277-3791, https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2009.10.007. 。 古生物體的相對豐度可利用一定時間間斷内。使用古生產力方法（例如測量總矽藻豐度）來估計 Sjunneskog, C., F. Taylor 2002.  Postglacial marine diatom record of the Palmer Deep, Antarctic Peninsula (ODP Leg 178, Site 1098) 1. Total diatom abundance.  VL  - 17.  DO  - 10.1029/2000PA000563.  Paleoceanography。沉積物記錄也可以提供過去天氣模式和海洋環流的資料，例如 Deschamps 等人。描述了他們對楚科奇-阿拉斯加（Chukchi-Alaskan）和加拿大博福特邊緣（Canadian Beaufort Margins）沉積物記錄的研究Deschamps, Charles-Edouard & Montero-Serrano, Jean & St-Onge, Guillaume & Poirier, André. (2019). Holocene changes in deep-water circulation inferred from authigenic Nd and Hf isotopes in sediment records from the Chukchi-Alaskan and Canadian Beaufort margins Key points. Paleoceanography and Paleoclimatology. 34. 10.1029/2018PA003485. 。
 鹽度 
推算斷過去鹽度歷史是一個比較具挑戰性的工作。與氧同位素相比，利用岩芯記錄中的過量氘可以更好地推斷海面鹽度。因為矽藻的相對豐度僅限於某些鹽度範圍内，所以矽藻可以提供半定量的鹽度記錄 Bauch, Henning A.; Polyakova, Yelena I. (June 2003). "Diatom-inferred salinity records from the Arctic Siberian Margin: Implications for fluvial runoff patterns during the Holocene" (PDF). Paleoceanography. 18 (2): n/a. Bibcode:2003PalOc..18.1027B. doi:10.1029/2002PA000847. 。根據資料，過去全球水循環和海洋鹽度平衡有變化，北大西洋鹽分增加，印度洋和太平洋的亞熱帶鹽分減少Yu, L. A global relationship between the ocean water cycle and near-surface salinity. J. Geophys. Res. -Oceans 116, C10025 (2011). 。  Vinogradova, N. & Ponte, R. In search of fingerprints of the recent intensification of the ocean water cycle. J. Clim. 30, 5513–5528 (2017) .  隨著海水循環的變化，鹽的垂直分佈也發生了變化Liu, C., Liang, X., Ponte, R.M. et al. Vertical redistribution of salt and layered changes in global ocean salinity. Nat Commun 10, 3445 (2019). 。  淡水的大量入侵和鹽度的變化也可能導致海冰範圍的減少Goosse, H. and Zunz, V.: Decadal trends in the Antarctic sea ice extent ultimately controlled by ice–ocean feedback, The Cryosphere, 8, 453–470, https://doi.org/10.5194/tc-8-453-2014, 2014. .
 海洋環流 
推斷過去的海洋環流及其變化，可利用下列幾種間接證據。它們包括碳同位素比、鎘/鈣 (Cd/Ca) 比、镤/釷同位素（231Pa 和 230Th）、放射性碳活度（δ14C）、釹同位素（143Nd 和 144Nd）和分選在 10 和 63 微米之間的深海沉積物。 [2]碳同位素和鎘/鈣比率的變化，部分是受於海底水化學的影響，而海底水化學受其形成的來源有關 Lehman, Scott J.; Keigwin, Lloyd D. (30 April 1992). "Sudden changes in North Atlantic circulation during the last deglaciation". Nature. 356 (6372): 757–762. Bibcode:1992Natur.356..757L. doi:10.1038/356757a0. S2CID 4351664.  Oppo, D. W.; Lehman, S. J. (19 February 1993). "Mid-Depth Circulation of the Subpolar North Atlantic During the Last Glacial Maximum". Science. 259 (5098): 1148–1152. Bibcode:1993Sci...259.1148O. doi:10.1126/science.259.5098.1148. PMID 17794395. S2CID 23996710. 。這些比率也受到複雜化的生物、生態和地球化學作用的影響。
 酸度、pH值和鹼度 
硼同位素比 (δ11B) 可用於推斷海洋近期和千年時間尺度，酸度、pH 和鹼度的變化，這主要是由大氣中的 CO2 濃度和海洋中的碳酸氫根離子濃度造成的。 在西南太平洋的珊瑚中，發現 δ11B 隨海洋 pH 值的變化而變化，並表明諸如太平洋十年涛动 (PDO) 等氣候變化。亦可以模擬由於大氣 CO2 濃度上升而導致的海洋酸化的影響Pelejero, C. (30 September 2005). "Preindustrial to Modern Interdecadal Variability in Coral Reef pH". Science. 309 (5744): 2204–2207. Bibcode:2005Sci...309.2204P. doi:10.1126/science.1113692. PMID 16195458. S2CID 129883047. 。 浮游生物殼中的δ11B也可用來推斷過去幾百萬年大氣 CO2 濃度的變化 Pearson, Paul N.; Palmer, Martin R. (17 August 2000). "Atmospheric carbon dioxide concentrations over the past 60 million years". Nature. 406 (6797): 695–699. Bibcode:2000Natur.406..695P. doi:10.1038/35021000. PMID 10963587. S2CID 205008176. 。
 海冰 
自1979年以來衛星圖像見證了兩極海冰的快速融化，為了理解海冰的自然周期，重建海冰成了古海洋學的又一個重要命題。在二十世紀，海冰的重建主要依賴於冰筏漂礫，浮木，鯨骨以及微體古生物等偏向質化研究的手段。Polyak, L., Best, K. M., Crawford, K. A., Council, E. A., & St-Onge, G. (2013). Quaternary history of sea ice in the western Arctic Ocean based on foraminifera. Quaternary Science Reviews, 79, 145–156. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2012.12.018但隨著二十一世紀生物標記和微體古生物學的發展，如在2007年IP25（一種多支鏈長鏈烯烴）的發現，海冰的重建開始趨於量化。Belt, S. T., Massé, G., Rowland, S. J., Poulin, M., Michel, C., & LeBlanc, B. (2007). A novel chemical fossil of palaeo sea ice: IP25. Organic Geochemistry, 38(1), 16–27. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2006.09.013 雖然溫度不是決定海冰的唯一變量，但是海冰的變化和海面溫度（SST）息息相關。在溫度較高的全新世早期，海冰普遍向高緯度區域退減，而在溫度較低的新仙女木期和全新世中後期，海冰又會朝赤道前進。Stein, R., Fahl, K., Schade, I., Manerung, A., Wassmuth, S., Niessen, F., & Nam, S.-I. (2017). Holocene variability in sea ice cover, primary production, and Pacific-Water inflow and climate change in the Chukchi and East Siberian Seas (Arctic Ocean). Journal of Quaternary Science, 32(3), 362–379. https://doi.org/10.1002/jqs.2929 Méheust, M., Stein, R., Fahl, K., Max, L., & Riethdorf, J.-R. (2016). High-resolution IP25-based reconstruction of sea-ice variability in the western North Pacific and Bering Sea during the past 18,000 years. Geo-Marine Letters, 36(2), 101–111. https://doi.org/10.1007/s00367-015-0432-4 因為海冰和溫度這樣密切的聯繫，在溫度重建工具匱乏的兩極，海冰重建也成為了認識極地氣候歷史的重要手段。南北極的海冰重建有一定的區別，如在生物標記領域，IP25主要用於北極，而IPSO25主要用於南極。
參考文獻

分類:海洋學