碳十四与地球系统科学

前言

碳-14或放射性碳是宇宙射线在高层大气中产生的一种放射性同位素，它能迅速融入地球上的碳循环，并为计算含碳物质的年龄提供了一种方法，这些含碳物质的年龄可达5.5万年。

放射性碳(14C)长期以来一直被认为是一种重要的测年方法，他能涵盖过去55000年的时间。然而，在整个地球和气候系统中，14C作为诊断示踪剂的进一步作用往往不被广泛认识，因此，过去14C水平的准确知识直接促成了新的发现，并为广泛的研究领域提供了联系。

一、应用

近年来，14C详细记录的能力发生了革命性的变化。加速器质谱(AMS)仪器的增强使一年样品的测量成为可能;利用洞穴化石、湖泊巨化石和亚化石树，获得全新世前14C水平的新细节;并改进了海洋放射性碳储层年龄的建模，以纳入碳循环变化。结合先进的统计方法，这些进展使IntCal工作组能够以前所未有的精度估计北半球和南半球以及海洋表面的14C水平，这可以追溯到55000年前技术的极限。

从气候的角度来看，14C不仅提供了一个不同古气候记录的年表，而且还能对关键气候强迫事件(如太阳变化和碳循环变化)进行约束。

放射性碳的产生受太阳风的磁性调节，导致在太阳活动高的阶段产生较低的碳，并使大气中的碳- 14成为太阳活动的一面镜子。相反，最近发现了短暂的14C峰值，并将其归因于短期的太阳高能粒子爆发。将14C与其他宇宙成因同位素(如极地冰芯中的10Be和36Cl)进行比较，可以在记录太阳过去的行为方面取得实质性进展。最近天体物理学发现：快速的太阳和太空天气事件可能严重破坏当前的技术。

放射性碳还使我们能够深入了解地球磁场，从拉斯尚地磁偏移的近乎逆转到更小的扰动，包括近几个世纪的下降。其次，与其他宇宙成因同位素的比较提供了关于古地磁变化的关键推断，而古地磁变化仍然难以用地球动力学模型模拟。

最后，14C增加了对碳循环及其对气候变化的反馈和响应的理解。放射性碳允许识别二氧化碳通量，例如永久冻土碳的释放。它还可以通过估算海洋中碳的停留时间的变化，以及在突发气候事件期间经向翻转环流的变化，来深入了解海洋在气候变化中的作用。

二、原理

最近更新的放射性碳校准曲线(IntCal20、SHCal20和Marine20)为我们估计14C水平提供了前所未有的准确性，可以追溯到14C技术的极限(~ 55000年前)。

排除1940年以后与核研究、工业和武器试验有关的人为来源，14C主要是在高层大气中由进入的银河宇宙射线开始的一系列反应产生的。这些射线的强度，以及由此产生的14C的速率，在空间和时间上都受到太阳和地球磁场的调节。在极端太阳风暴期间，通过高能太阳粒子偶尔也会产生大量的碳- 14。生产后，14C被氧化为14CO2，并通过碳循环重新分配(图1)。因此，了解各种海洋和陆地碳储层中过去14C水平有助于量化天体物理学、地球物理学和生物地球化学过程，并对气候科学产生影响。当考虑到14C与其他宇宙核素记录和地球系统建模的最新进展时，这种方法得到了加强。

这篇综述的重点是1950年以前的14C水平及其非人为影响。我们没有讨论1950年后由于核武器试验而导致的14C水平飙升(2)，这为碳运输和生物学提供了见解(3)。同样，我们也没有详细讨论自工业革命以来，由于燃烧不含14C的化石燃料和生产水泥而导致的大气中14CO2的稀释(4)。这一过程的继续将在未来通过放射性碳测年确定全新世样品的日历年龄时引入模糊性(5)。对这种“猜测效应”的区域测量可以估算当地工业二氧化碳排放量(3)。

1950年以前大气和海洋表面平均14C水平的估计值由国际校准(IntCal)工作组提供，该工作组定期整理已知或独立估计的日历年龄样本的14C测量值，这些样本来自一系列档案，包括树木年轮、湖泊和海洋沉积物、洞穴和珊瑚。对这些档案进行评估以进行质量控制，并将其整合以提供一套IntCal校准曲线。最新的IntCal校准曲线于2020年发布，包括北半球(NH)大气的IntCal20(6)、南半球(SH)大气的SHCal20(7)和表层海洋的Marine20(8)。

最近跨学科的进展——包括在非常小的样本中有效测量14C的能力，如单树年轮(9)，许多新档案的可用性，包括覆盖末次冰期的档案(10)，以及改进的建模(8,11,12)——与之前的IntCal13估计(13,14)相比，IntCal20曲线集提供了新的准确度、精度和细节水平(13,14)。因此，利用14C研究太阳和地球发电机的行为，进行更好的古气候记录的绝对定年和同步，并获得对碳循环和气候系统的新认识，有了新的机会。

在讨论14C时，日历年龄表示为cal BP(现在之前的日历年，定义为1950 CE)。Δ14C表示(年龄校正后的)14C/12C与标准的比值，从而显示了14C/12C比值的相对变化(15)。

树木年轮:AMS的演变和年度决议

通过树木年代学独立确定年代，树木年轮序列的测量是重建过去大气中14C水平的黄金标准。由于有了新的档案，以及新一代加速器质谱法(AMS)的更高容量(16,17)，这类数据的可用性得以迅速扩大。我们现在可以仅从树木年轮就提供14,000至0 cal BP的NH大气14C的精确估计。这一估计利用了9211个已知年龄的树木年轮的14C测量结果，这些树木年轮通过年轮宽度或同位素树木年代学从12308到0 cal BP来测定，以及1498个更老的树木年轮的14C测量结果，这些年轮的日历年龄是根据14C匹配来估计的(18-20)。

AMS还可以精确测量小得多的样本。AMS现在能用几毫克的材料够提供类似旧的衰变计数方法的几克木材的测量精度，分辨率限制在10年左右。这有利于深入了解14C产量的短期(年度)波动。

几乎有一半(4952)的树木年轮14C测量值用于构建IntCal20 NH估算值，涵盖2731个单独的日历年，与单个生长年轮的测定有关。年分辨率14C数据提供新见解的具体例子包括774-775 CE(22)和993-994 CE(23)期间14C产量的急剧突然峰值(图2B)，这是由极端太阳质子事件(spe)引起的(24)，以及延伸到新仙女木期(图2C)，这是晚冰期气候变化的关键时期(19,20)。

提供可靠的14C测量的实验室数量也有所增加，有20个实验室提交了IntCal20曲线的数据，减少了以前对单个实验室数据集的依赖和相关的系统偏倚的危险。多个实验室的使用使得实验室间的比较能够提高14C测量的准确性(25,26)。

将NH大气14C估算值延伸至55,000 cal BP

更早的时候，在14000 cal BP之前，没有足够的树木年轮测量来精确地估计这些样本中14C的含量。相反，我们必须依靠从更广泛的档案中收集数据。在这个更古老的时期，IntCal20 14C估计的支柱是来自中国Hulu洞穴的三个石笋(10,27)。这些石笋提供了一个连续的14C记录，包括400多个独特的(尽管不精确地知道)日历年龄，从54,000到13,900 cal BP。它们对30000 cal BP之前的14C水平提供了新的认识，特别是在Laschamps地磁偏移(~ 41000 cal BP;图2 a)。这些数据通过从湖泊和海洋沉积物中发现的陆生大型化石和有孔虫、珊瑚和其他地点的石笋中发现的额外的14C测定而得到增强(6)。

我们也开始发现14000 cal BP之前的树木年轮序列，通过年轮计数可以知道它们的相对内部年龄，但不能知道它们的绝对年龄(28-30)。来自这些所谓的“浮动”序列的放射性碳测量可以与其他档案相结合，以增加NH估计的分辨率和细节，并使建模假设的评估成为可能。特别是，三个浮动的树木年轮序列现在覆盖了14,900和14,100 cal BP之间的最后一次冰川消退，揭示了在这个关键的变暖时期以前未见过的14C变化(28)。

所有这些古老的数据都更加复杂，因为它们的日历年龄是估计的，而不是精确已知的。在珊瑚和石笋的情况下，这些估计是由铀钍(U-Th)测年提供的。一些沉积物14C档案可以通过分层计算其年代学(31-33)来提供相对的日历年龄年代学。其他沉积物档案(6)通过调整各种代用物中看到的气候突变与Hulu洞穴石笋中记录的高分辨率δ18O(34)来提供日历年龄估算(34)。考虑到选定的快速古气候变化的全球同步时间(35)，这允许从Hulu洞穴的U-Th时间尺度转移日历年龄信息。

包括石笋和海洋档案的必要性带来了进一步的复杂性，因为与湖泊沉积物中的木材或陆生大型化石不同，这些档案不直接记录大气中的14C。石笋含有各种来源的碳，包括来自古石灰岩的“死碳部分”和土壤碳，这些碳缺乏或耗尽了14C。由于在海洋表面交换14CO2和与海洋内部的“旧”碳混合/交换所需的时间，与同期大气相比，海洋14C记录也减少了。为了利用这些档案构建大气14C记录，必须对这种损耗进行调整。通过比较洞穴内的14C损耗与树木年轮的14C损耗来估算洞穴内的死碳部分，而海洋损耗可以通过同样的方法和计算机模拟来估算(12)。总的来说，目前IntCal20对nh14c的估计在55,000到14,000 cal BP之间，这是基于1900多个不同日历年龄的测量结果。

结合不同的14C档案来估计过去的大气NH水平

不同的14C档案被仔细地综合起来，认识到它们的个体特征和潜在的不确定的日历年龄，以提供一个强有力的和可靠的半球平均估计。采用贝叶斯样条回归方法，在可用的情况下结合专家先验信息。这提供了一组完整的后验14C实现，每一个都代表了一个可信的14C历史。这些实现允许访问相邻年份的14C水平的协方差信息，以便在随后的建模研究中使用，或者它们可以总结为提供任意给定年份的点估计和概率间隔(图2)。

这种曲线构建方法保留了关键细节和高频变化，需要从14000至0 cal BP的大量精细分解的树木年轮数据中解锁14C的全部疑问潜力。然而，从55000到14000 cal BP，由于所使用的各种档案的稀疏和不太直接的性质，加上它们的日历年龄不确定，只能进行一个粗略的估计。在确定和维护多个档案中看到的放射性碳特征的同时，确保个别的外围测量(可能无法提供准确的大气重建)不会过度影响估计值。因此，从55,000到14,000 cal bp(碳和气候系统都发生重要变化的时期)，只有14C信号的低频成分是可识别的。高频信号可能是充分了解这些变化发生过程的关键，但目前无法解决，需要通过正在进行和未来的实地工作来恢复新的档案。

获取SH大气和全球海洋表面14C估计值

还提供了14C测定SH树年轮;这些数据使我们能够研究北半球和北半球之间可变的14C梯度，这可能是由于海洋面积更大，南半球的海气CO2通量更高。然而，只有不到15%是单个生长环的测定结果，限制了我们识别半球间小的14C梯度变化的能力。此外，它们的日历-年龄覆盖范围是不均匀的，大气SH - 14C水平的独立估计仅在四个不同的时期可用:2140-0、3520-3453、3608-3590和13140 - 11375 cal BP(20)。在这些时期之外，对半球间的14C梯度进行统计模拟，以构建从55,000到0 cal BP的SH估计(7)。

基于计算机模型的全球平均表层海洋中14C水平的估算(8)也已经建立起来。这是基于蒙特卡罗模式运行集合，由单个大气intcal2014c实现驱动，从冰芯记录中重建CO2，以及先前对海气CO2交换和海洋环流的估计。它模拟了古气候和14C生成速率变化导致的海洋表面14C的大尺度变化，使用户能够区分区域14C海洋效应与这种全球变化引起的变化(36)。

放射性碳和太阳

太阳活动的变化有可能对地球产生直接影响，尤其是对气候的影响。太阳风暴还会对电信、导航系统、航空和太空旅行以及电网造成严重损害。系统的太阳活动测量始于17世纪早期，当时开始用望远镜观测太阳黑子(37)。在过去的一个世纪里，太阳黑子的记录与地面观测站、太空探测器和卫星的其他仪器记录相辅相成。然而，这些短期的仪器记录不足以完全了解太阳，它的磁流体动力学行为，以及对太阳变化的全部范围的预测。

宇宙形成的放射性核素记录，如14C和10Be，提供了最好的“代理”数据，用于延长仪器测量周期之外的太阳活动重建。这种扩展需要研究可能对气候最重要的长期太阳变化和周期

对14C和其他宇宙核素的研究也揭示了太阳粒子在spe中大量的释放，比仪器时代已知的太阳风暴高出一个数量级(22 - 24,42)。如果今天再次发生，这样的事件有可能对当前的通信、电力和卫星系统造成灾难性的破坏。了解这些巨大太阳风暴的规模和频率是减少未来风险的必要条件。放射性核素记录在这方面提供了最大的潜力。

探测太阳周期

在太阳活动频繁的时期，太阳磁场对日球层中银河宇宙射线的屏蔽作用更强，导致地球上的放射性核素产生减少，反之亦然。过去四个世纪的放射性核素记录和太阳黑子数观测的比较很好地说明了太阳活动对放射性核素产生率的这种调制(图3)，并且可以进行定量模拟(43,44)。

然而，放射性核素从生产到沉积的地球化学行为确实使它们的解释复杂化。由于有效的混合，大气中的14C在较短的时间尺度(年至年代际)内不容易受到大的气候影响或天气噪声。然而，大气中的14C有一个缺点，即11年太阳周期引起的短期变化(21)由于碳循环而被抑制(45)。相比之下，10Be和36Cl较短的大气停留时间在冰芯中基本保持了它们的11年周期变率，但天气和气候对运输和沉积的影响增加了噪声。此外，宇宙生产的相对地磁调制在赤道最大，而太阳引起的生产变化在两极最大。尽管大多数生产发生在平流层，其特点是强烈的水平混合和相对较长的停留时间，但任何偏离完全均匀的大气混合都会影响嵌入在10Be和36Cl冰芯记录中的地磁和太阳信号的相对振幅。

全新世的长期放射性核素记录揭示了额外的周期变化;最突出的是207年的“德弗里斯”周期和88年的“格莱斯伯格”周期(46)。由于14C和10Be记录在这些时间尺度上基本一致(47)，我们可以将共同的变化归因于生产率的变化。它们的太阳起源得到了支持，因为没有证据表明有足够大和快速的地磁场变化来解释这种百年尺度的周期变化。此外，蒙德极小期是一个70年的时期(公元1650年至1715年)，其特征是几乎完全没有可观测到的太阳黑子，并且与小冰期的中期相吻合(37,48)，可以被认为是德弗里斯周期的最新表现之一(图3)。

放射性碳和基于10be的太阳活动记录可以重建太阳辐照度变化，将其与其他自然(如火山气溶胶)和人为强迫(如二氧化碳和其他温室气体的排放)一起作为全球气候模式的输入。第一次尝试(40)用于ipcc第四次评估报告。通过使用10Be和14C记录与太阳辐照度相关的复杂模式，这些太阳强迫曲线得到了改进，为IPCC AR5和AR6气候模式提供了共同输入(49)。

放射性核素还表明，太阳低活动期可能具有~2000 ~ 2500年的准周期性，并可能对气候产生深远的影响(50)。然而，对于如此长周期的太阳活动变化，我们所知甚少。树木年轮14C记录和冰芯10Be记录在1000年或更长的时间尺度上不太一致，即使校正了地磁场影响和不同的地球化学行为(47)。这可能是未知的碳循环对14C的影响，气候对10Be运输和沉积的影响，或用于校正14Cand10Be信号的古磁/古磁重建中的不确定性和偏差的结果。在这些影响得到解决之前，关于太阳活动在千年或更长时间尺度上变化的推论仍然是推测性的。

更高分辨率和更高质量的14c数据为改进最后一个冰河期太阳活动变化的研究提供了巨大的潜力。这种长期的观点可能是至关重要的，因为碳循环造成的记忆效应可能会影响到全新世的大气变化(51)，并影响到太阳活动的重建。与此同时，冰芯中10Be测量质量和分辨率的提高为研究几十万年前的太阳活动周期提供了机会(52)。

大质量太阳质子事件

太阳也产生太阳宇宙射线高能粒子，这些粒子从太阳表面的活跃区域发射出来，或者在所谓的日冕物质抛射中加速。在仪器期间对太阳风暴的研究表明，太阳粒子可能只会使放射性核素的年生成率增加几个百分点(53)，这个数字太小，不足以对平滑的大气14C水平产生影响，也不足以在嘈杂的10Be和36Cl记录中可靠地检测到。

然而，过去的14C记录确定了大量的年际峰值，最明显的是在774-775年期间大气14C增加了1.2%(22)。考虑到碳循环的平滑效应，这表明14C的产量出现了巨大的峰值，几乎是平均年产量的四倍。这不能用太阳对银河宇宙射线较低的屏蔽来解释。在冰芯中同时出现的10Be和36Cl尖峰使这一事件强有力地归因于一个或几个连续的大质量spe(24)。

随后对宇宙生成放射性核素记录的高分辨率研究使得能够识别更多的spe，如993994 CE(23)和~660BCE(42)，并更详细地了解它们的性质(54)。这些超级太阳活动不仅提供了太阳可能产生极端事件的证据;它们独特的全球特征也提供了从树木年轮和冰芯中精确同步到年精度的气候记录的潜力(55)。

放射性碳和地球发电机

在地球表面观察到的磁场是由地球外核的导电铁镍流体的湍流对流产生的，这个过程被称为地球发电机。自从高斯在19世纪中期进行第一次测量以来，地磁场的强度不断衰减;它现在几乎比1840年(56)弱10%。这种最近的演变是无法解释的，必须在长期地球动力学的背景下加以考虑。记录地磁场强度的时间变化是理解地球深层内部动力学和地球系统演化的基础。

过去地磁场强度的重建可以从各种档案中获得。火山岩的热磁化和考古档案(例如，烤粘土)提供了绝对场强(57,58)，但代表了局部和瞬时的零星记录，而不是全球偶极场。相比之下，海相和湖相沉积物的碎屑残余磁化提供了连续的记录，可以平均短期偏差。然而，沉积物只能提供对地磁场的相对估计。它们必须标准化并校准为现今的偶极子强度或基于火山或考古档案的过去时期的绝对值(59-61)。此外，地磁场在沉积物-水界面以下的某个深度(锁定深度)被石化，导致地层和年代的不确定性。由于沉积物组成的变化，特别是其磁性矿物含量的变化，也可能引起偏差。

利用这两组档案重建的过去10万年的地磁古强度(62)具有高振幅变化的特点，其中最显著的是Laschamps地磁偏移(~41,000 cal BP)(63)。然而，这些重建显示出很大的不确定性，阻碍了对漂移持续时间、进入和退出漂移的过渡趋势以及漂移本身的任何快速变化的准确估计。这些不确定性阻碍了磁流体动力学模型的精确测试(64)。进一步的进展取决于数值模拟的进展和古地磁数据库的改进。

放射性碳和其他宇宙生成核素也通过整合其在整个地球上的生产速率来限制地磁场强度的变化(65,66)。以弱磁屏蔽为特征的周期导致核素产量增加(67-70)。大气D14C记录中最大的异常，从42,000到39,000 cal BP(图4)，对应于Laschamps地磁偏移。这次考察还发现南极和格陵兰冰芯中10Be和36Cl的沉积增强(69,71,72)，海洋沉积物记录中有一个突出的10Be峰值(73,74)。

尽管14C、10Be和36Cl与古地磁强度记录的比较显示出若干对应关系，但一致性仍远未达到最佳。最值得注意的是，在Laschamps地磁偏移期间(图4)，大气D14C在46,000至41,000 cal BP之间的上升幅度为~600‰(6)，是古地磁和宇宙成因放射性核素重建预测幅度的两倍(10,61,75 - 77)。这表明现有的古记录或我们对这些地球物理和地球化学参数之间关系的理解存在严重缺陷。

不同的宇宙核素之间也有很大的差异，在30,000和18,000 cal BP之间。极地10Be冰记录和地磁重建的平均值表明，大气D14C保持在400‰以上

是宇宙成因核素产生速率，应该导致D14C值低于200‰(75)。这种差异可能是由于末次冰期的主要碳循环变化(67,69,75,78)。然而，由于基于古地磁的D14C重建的传播，解释仍然具有挑战性(75)。此外，从海洋沉积物中收集的10Be(73,79)提供了与14C更好的一致性，从而减少了碳循环长期影响的空间(80)。

放射性碳和同步记录

对过去环境变化的研究依赖于将来自地球系统不同方面的一系列记录的信息结合起来。这些信息不仅包括温度和降雨等气候变量，还包括植物、动物和人类的反应、栖息地变化和长期进化的信息。每种不同的记录都有其特定的优势，但它们的最佳使用要求它们被放置在一个时间尺度上。然而，存在各种不同的时间尺度，由此产生的时间不确定性可能相当大。当需要比较多个记录时，这限制了推理。

人们总是倾向于假设在不同记录中看到的变化是同步的，但如果我们对地球和气候系统中可能存在的线索和滞后感兴趣，那么这种假设就有循环性的风险，而这些线索和滞后可能会告诉我们变化的过程(81)。因此，我们需要比较依赖于我们有充分理由认为是全局同步的变量的记录的方法。

对过去55000年的研究来说，特别关键的是基于14c的时间尺度和各种冰芯年表。宇宙成因同位素在平流层的共同产生为它们的同步提供了一种强有力的方法。对于14C和10Be，虽然在两极附近的产量最大，但强烈的水平混合和相对较长的停留时间(82)意味着产量的变化，包括spe的年度峰值，将在两个半球的14C记录和两极地区冰芯中沉积的10Be中可见。

如前所述，虽然不能直接比较这两种核素(图3)，但我们可以通过在10Be中看到的生产速率变化来模拟14C水平的变化。10Be和14C信号的共同结构匹配使得14C年表与冰芯时间尺度的同步成为可能。在全新世，高分辨率的14C年代学测量是可用的，有可能拾取非常精细的结构，并以仅仅几年的不确定性获得同步(83);对于spe，年精度是可以实现的(55)。在较早的时期，由于碳循环变化的潜在混淆效应、测年的不确定性以及较低的数据质量和分辨率，同步仅限于信号中的较大偏移。在这里，同步也更不确定，精度更接近于百年(77)。

放射性碳年代学和冰芯年代学都有各自的优势:在后续事件之间的时间间隔方面，冰芯具有非常好的内部相对精度;通过树木年代学和U-Th测年方法，基于14c的时间尺度具有更精确的绝对年龄控制。因此，目前没有使用两个时间尺度来校正另一个时间尺度，而是使用时间传递函数将一个时间尺度转换为另一个时间尺度，并伴有相关的不确定性(77,83,84)。考虑到用于构建放射性碳校准曲线的方法(见上文)，校准放射性碳测年的基本时间尺度是14000 - 0 cal BP和14000 cal BP之前的树木年代学，这在很大程度上是基于Hulu洞穴洞穴的U-Th年代学提供的最高分辨率和精度(10,27)。

放射性碳校准，可能结合沉积建模(85-87)，使进一步的环境记录同步到相同的14c时间尺度上。有了新的高分辨率14C数据，就有可能得到接近年分辨率的树木序列的校准年表，特别是在那些我们收到spe突然信号的地方。更典型的是，对于沉积沉积物之类的记录，可以进行年代际到百年尺度的分辨率，但海洋沉积物的情况除外，因为海洋储层效应的不确定性常常限制了我们仅根据放射性碳同步记录的能力。

通过结合使用14C和10be，可以构建一个同步框架，覆盖过去55000年的广泛环境和考古记录(图5)。该框架可以通过其他方法进一步增强。在冰芯之间，可以使用火山地层标记，如火山灰碎片(tephra)或硫最大值(55,88 - 94)，将年度计数年表联系在一起。对捕获在冰中的另一个全球信号CH4的痕量分析(95,96)允许进一步同步这些冰芯年表。在较粗的尺度上，像Laschamps这样的地磁偏移可以与更长的第四纪年代学联系起来，比如u - th年代的洞穴(10,77)。然而，这些其他同步技术仅限于非常特定的时间段。该框架的基石仍然是基于14c的时间尺度，它提供了连续的度量标准，可以作为研究全新世和末次冰期变化的基础。

放射性碳和碳循环

全球碳循环在我们的气候系统中起着至关重要的作用。碳循环的变化影响大气中二氧化碳的浓度，二氧化碳是一种关键的温室气体，也是当前气候变化的主要驱动力。自1850年以来，碳循环已经从大气中清除了近60%的人为二氧化碳排放，并将其储存在海洋和陆地生物圈储存库中(97)。因此，了解碳循环的潜在响应和反馈，以及由此导致的二氧化碳固存变化，对未来的气候预测至关重要。然而，过去碳循环的变化还远未被完全了解。虽然基于冰芯的大气二氧化碳重建(98)是可用的，但它们所显示的变化有待详细解释。由于14C在生产后通过碳循环分散，它可以作为一种独特的示踪剂来帮助研究。

在与14C相关的55,000至0 cal BP时间尺度上，海洋在碳循环中起主导作用，其工业化前的碳储量为~37,000 pb (Pg C);(1Pg=1015 g)]、大气(含~280 ppm CO2或~600 Pg C)和陆地碳循环(~4000 Pg C)(99)。陆地碳由活性碳(~2400 Pg C)和永冻层土壤中的惰性碳(~1600 Pg C)组成。尽管相对于海洋碳储量较小，但这种陆地碳在确定大气CO2中的作用不容忽视。从末次盛冰期到工业化前，活性碳储量增加，而惰性碳储量减少(99)，导致陆地净碳增加450 ~ 1250 Pg C(100)。

碳循环储层的特征是不同的14C/12C比值，与它们各自与大气的碳交换有关。通过测量这些储层化石样品的14C含量，我们可以重建过去的碳循环变化。通过比较在两个半球收集的亚化石树木中的14C，可以研究半球间的14C梯度。此外，浮游生物和底栖有孔虫、表面珊瑚和深水珊瑚允许在世界海洋的不同深度和位置重建14个梯度。探测陆相有机质中的14C更具挑战性，因为储层之间缺乏大规模的交换，而且不同年龄的碳在局部尺度上(例如，在土壤中)强烈混合(101)。

底栖-浮游生物和底栖-大气的14C差异被用来限制平均海洋环流的变化。最近的研究估计，与工业化前时代相比，末次盛冰期深海碳的平均停留时间增加了~700 - 14年，这表明在这一冰期大气中二氧化碳水平的减少可能是由于太平洋中部深处碳储存的增加(102)。然而，一些冰川海洋的14C水平如此之低，以至于它们表明在特定地点有14C耗尽的热液二氧化碳的局部流入(103,104)。因此，我们对高度枯竭的深海14C数据的了解远未完成，需要更多的数据以及结合基于气候和过程的固体地球模型(105)。

大多数突然的碳循环变化可以通过大气中二氧化碳的跳跃来识别。在最后一次消冰期，有三次事件(~16,500，~14,600和~11,500 cal BP)被发现，其中CO2在短短100至200年间上升超过10ppm(106)。在新仙女木期(~12,900 cal BP)开始时，二氧化碳的行为也发生了变化，在超过1500年的相对稳定之后，二氧化碳水平开始持续上升。

海洋数据和箱型模拟将过去7万年中大多数百年和千年尺度的CO2变化归因于海洋环流，特别是大西洋经向海洋环流的增强或减弱以及与之相关的热带辐合带的南北移动(107,108)。放射性碳可以进一步阐明这一点。最近的14C数据表明，在新仙女木期开始时，14C半球间梯度发生了变化(20)，北大西洋深水形成率降低(36)。这些半球间14c梯度的时间变化和海洋环流的变化需要通过高分辨率的地球系统模拟来进一步理解。

在最后一次冰川消融期间，NH永久冻土区面积减少了一半(109)，这意味着大规模的永久冻土区融化和相关的碳释放，可以通过浸泡在径流水中的海洋沉积物岩心中的永久冻土区特异性生物标志物检测到(110-115)。利用14C，可以确定永久冻土碳的沉积前年龄，有助于限制集水区特定地点的气候条件。由于海平面上升导致的北极永久冻土融化被认为可能是在北半球变暖开始的14600 cal BP和11500 cal BP左右二氧化碳突然跳跃的原因。由于这样的解冻会释放出大量的旧碳(贫碳)，永久冻土的贡献可能会受到大气中碳含量变化的限制(11,116)。这两次二氧化碳的跳跃伴随着甲烷的同步快速跳跃。因为从冰芯中提取的甲烷中测量的14c表明旧碳源没有大量的甲烷释放(117)，永久冻土融化可能不是唯一的贡献过程。

通过海洋环流模式，可以对海洋碳循环储存库的气候变化作出更详细的推断。这是可能的，因为深海环流的时间尺度与14C的半衰期一致。通常，这些模型规定了大气中的碳含量，并专注于了解其海洋扩散，特别是海洋碳消耗的水平。这种消耗是特定于地点和时间的，而不仅仅受海洋环流的影响(图6)。风应力和海冰覆盖的变化导致海气14CO2交换的时空差异(118,119)。冰期间冰期大气CO2分压的变化进一步影响了这种交换(119,120)，而海洋内部的湍流混合也可能在深海中引入与海洋环流变化无关的14C变化(121)。

现代的海水测量已经成为评估这些海洋环流模型的主要手段(122)。然而，结合海洋14C古记录提供的进一步限制，有望提高我们对海洋在气候变化中的作用及其对大气二氧化碳上升的响应的理解(118,123)。不幸的是，在那些可以进行长期模拟的全球模式中，在海洋边缘附近提供了大部分14C古记录(124,125)，由于缺乏分辨率，这使情况变得复杂。全球多分辨率模型可以提供一种解决方案(126)，理想地与所有其他碳循环成分的模型相结合。

三、局限性

年分辨率的NH碳十四测量目前可用于不到20%的时间尺度，可追溯到14000 cal BP，并且在某些时期，底层数据仍然稀少。

由于生长季节、物种、海拔、纬度或记录树木年轮的位置的差异，14C中潜在的半球内偏移仍然存在悬而未决的问题。目前，这些潜在的半球内影响的反褶积被实验室间的差异所混淆，这些差异通常与任何潜在的抵消规模相似(18)。目前的nh14c主要依赖于欧洲的橡树和松树。发展一套更广泛的树木年轮年代测定法将有助于扩展到其他树木年轮记录。

最关键的是，我们需要一个真正的大气14C记录，可以追溯到55,000 cal BP，这也提供了足够的细节，以可靠和精确地重建14C信号的高频成分。将14C年度分辨率记录延长至14000 cal BP之前，将为地球系统在一个非常不同的气候状态下的过程提供新的信息。

亚化石新西兰贝壳杉(Agathis australis)原木，覆盖了14C范围的大部分地区，包括Laschamps地磁偏移(127)。尽管这些日志只能提供SH - 14C水平的信息，但它们仍然提供了前所未有的精度和分辨率。

火山岩和沉积物的数据库需要改进，并纠正非偶极成分和各种来源对单个古磁记录模糊的影响(生物扰动，可变锁定深度)。此外，许多基于海洋沉积物的古地磁记录的年代并不精确，这可能会在将它们组合(堆叠)以估计全球地球动力学变化时引入偏差。为了更好地理解基于测量的大气D14C估计值与基于基于10Be和古地磁记录的14C生成速率的模型重建之间目前存在的差异，还需要改进碳循环模型。

参考文献

Heaton T J, Bard E, Bronk Ramsey C, et al. Radiocarbon: A key tracer for studying Earth’s dynamo, climate system, carbon cycle, and Sun[J]. Science, 2021, 374(6568): eabd7096.