郑颂国nature发表论文

Nature: 指标季节性的分离揭示全球变暖已持续上万年

工业革命以来，人类活动引发的CO 2 度升高导致全球快速升温，显著影响着地球环境和人类 社会 。由于器测记录时限的有限性，通过地质记录定量重建过去温度，延长气候变化的 历史 ，对全面认识现代全球变暖在地球系统自然变率中的位置至关重要。

尽管古气候定量化目前已取得重要进展，但距我们最近的全新世（距今 11 700年以来），地质记录重建和古气候模拟的全球年均温变化存在显著差异。地质记录重建显示，温度在距今~10 000？6 000年处于峰值（“全新世大暖期”），其后逐渐下降，工业革命以来的全球变暖逆转了这一趋势（Marcott et al., 2013；Kaufman et al., 2020）；然而，古气候模拟则显示，全新世年均温呈现整体上升趋势（Liu et al., 2014）（图1）。上述温度变化的巨大差异，被称为“全新世温度谜题（Holocene temperature conundrum）”（Liu et al., 2014），一直困扰着古气候学者。解开该谜团的关键在于厘清：气候代用指标是否存在季节性偏差？古气候模式的气候敏感性和反馈过程是否存在偏差？

图1 重建和模拟的全新世全球年均温度变化，蓝线为多指标重建结果，黑线为模拟的年均温，红线为模拟的夏季温度（改自Liu et al., 2014）

最近，美国罗格斯大学的Bova博士和合作者在Nature上发表论文，提出了一种有效分离季节性信号新方法（seasonal to mean annual transformation, SAT），更好地重建了季节和年均温度变化（图2）。

图2 SAT方法在IODP U1485钻孔末次间冰期和全新世时段温度重建中的应用（Bova et al., 2021）。（a、e）钻孔所在纬度（3 S）最相关季节（8月）和年均太阳辐射变化；（b、f）重建和模拟的季节性温度变化；（c、g）计算出的季节性偏差值（ΔSST）；（d、h）校正后的年均海表温度变化

该方法的原理是：假设海表温度线性响应太阳辐射变化，重建温度变化（SST SN ）与最相关的季节性太阳辐射的相关性，如高于其与年均太阳辐射的相关性，则认为重建温度存在季节性偏差；季节性偏差因子（ɑ s ）由SST SN 与季节和年均太阳辐射的偏差值（ΔI）的线性回归获得（SST SN = ɑ s ΔI + ε s ），由此，得出重建温度的季节性偏差值（ΔSST = ɑ s ΔI ），进而获得校正后的年均温（MASST = SST SN - ΔSST）。季节性偏差因子的计算，基于末次间冰期（距今128 000-115 000年前）的海温重建数据，选择末次间冰期，原因在于该时期太阳辐射的季节性差异比全新世的大，而冰盖、温室气体等其他因素对温度的影响更弱，因此更易识别出温度的季节性信号。

首先，作者把这一方法应用到了位于巴布亚新几内亚东北部的海洋钻孔（IODP Site U1485）末次间冰期和全新世的温度重建（图2）。结果显示，重建温度与八月的太阳辐射变化最为相关，具有很好的季节性信号；校正后的年均海表温度变化在两个时段均呈现上升趋势，与同一地区的模拟结果基本一致（图2）。利用同样的方法，作者把模拟的季节性温度进行了校正，得到的年均温度变化趋势与模拟输出结果相一致，因此验证了方法的可靠性（图2）。

其次，作者进一步把SAT方法应用到40 S-40 N之间的海表温度重建（图3b）。结果显示，多数重建结果存在季节性偏差，且主要偏向于夏秋季，导致重建结果存在早中全新世大暖期（图3a、图3b）；然而，校正后的年均温则显示，全新世呈持续升温趋势（图3b），与模拟结果基本一致（图3c）；进而证实“全新世温度谜题”，可能主要源于气候代用指标的季节性偏差。

图3 全新世40 S-40 N海表温度重建、校正结果，以及温度变化机制（Bova et al., 2021）。（a）前人重建的全球年均温度变化（Marcott et al., 2013；Kaufman et al., 2020）；（b）40 S-40 N海表温度重建结果（红线）和校正后的年均温度变化（蓝线）；（c）模拟的年均温度变化及温室气体的贡献；（d）全球冰量变化和温室气体辐射强迫变化

在上述基础上，作者揭示出全新世年均海表温度长期增加的机理，全新世早中期（距今12 000-6 500年前）主要受冰盖、太阳辐射等驱动；而温室气体主导了包括工业革命以来，最近6 500年的全球变暖（图3c、图3d）。

主要参考文献

Bova S, Rosenthal Y. Liu Z. et al. Seasonal origin of the thermalmaxima at the Holocene and the last interglacial [J]. Nature, 2021, 589(7843):548–553.

Kaufman D, McKay N, Routson C, et al. A global database of Holocenepaleotemperature records [J]. Scientific Data, 2020, 7(1): 115.

Liu Z, Zhu J, Rosenthal Y, et al. The Holocene temperature conundrum[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(34): E3501–E3505.

Marcott S A, Shakun J D, Clark P U, et al. A reconstruction ofregional and global temperature for the past 11,300 years [J]. Science, 2013,339(6124): 1198–1201.

（撰稿：张文超， 吴海斌 /新生代室）

校对：覃华清

在 块状金属玻璃(BMGs) 中引入更松散的原子堆积区域，可以促进塑性变形，使BMGs在室温下更具延展性。在此， 来自北京 科技 大学的吕昭平等研究者，提出了一种不同的合金设计方法，即掺杂非金属元素形成密集的填充图案。 相关论文以题为“Substantially enhanced plasticity of bulk metallic glasses by densifying local atomic packing”发表在Nature Communications上。

论文链接：

块状非晶玻璃从液态继承了无序的非晶结构。由于缺乏作为低势垒变形载体的晶体缺陷，如位错和堆垛缺陷，BMGs通常比它们的晶体对应物更强、更硬。然而，BMGs合金在室温下拉伸塑性极低，在载荷作用下往往发生灾难性破坏，严重阻碍了其广泛应用。与晶体相不同的是，BMGs的无序原子堆积不易定量描述，只有有限的方法来调整它们的结构-性能关系。因此， 调整BMGs的力学性能以克服其室温脆性，一直是一个长期存在的挑战。

在远低于玻璃化转变温度的BMGs中，塑性变形主要是由于局部扩散跃迁或被称为剪切转变区(shear transformation zone, STZs)的原子团簇的局部共同剪切事件，即一组原子共同克服了局部原子重排的能量势垒鞍点。 变形能力源于金属键合所固有的灵活性： 离域电子允许金属原子在彼此之间滑动而不受键合断裂的影响，而键合断裂有利于损伤而非剪切，例如在离子玻璃中。尽管局部剪切转变开始的位置仍然难以预测，但人们普遍认为，在BMGs中引入更松散的填充区域，可以有效地促进局部塑性事件。这些区域具有较高的局部势能，在加载时容易发生非弹性变形，表现为类液体行为。 因此，增加松散填充区域的数量，可以有效地提高BMGs的塑性。

这种材料设计路线，通过低温热循环或严重塑性变形等方法提高了BMGs的塑性，这些方法通常通过增加密度较低区域的可用性来增强结构波动。然而，目前大多数提高GMGSD塑性的方法，通常会由于引入更松散的填充区域而降低热稳定性和屈服强度。相比之下，松散填充区域的湮没通常被认为可以提高强度和硬度，并改善热稳定性，但往往会恶化塑性，正如BMGs中退火诱发的脆化所证明的那样。

在这里，研究者报告了一个新的设计概念，以改善BMGs的变形能力。研究者通过掺杂非金属元素(NMEs)来增加BMG的结构波动，这些元素具有较小的原子尺寸和与组成BMG的元素的混合负热 。研究者选择的候选元素是氧、氮、碳和硼，分别添加到Ti-、Zr-和Cu基BMGs中，同时，确定了特别合适的掺杂体系(范围从0.1%到0.3%)，因此，研究者观察到强度和延展性的显著提高。这可以归因于在非金属溶质周围形成的局部致密堆积区域(LDPRs)体积分数的增加，同时避免了脆性二次相的形成。这些LDPRs的邻近区域变得相对松散，从而增强了材料的结构波动，促进了局部剪切，极大地提高了材料的宏观塑性和韧性，并增强了强度。在热力学的指导下，根据与这些掺杂剂相关的适当的负混合热，该方法原则上是通用的，可以用于广泛改善MGs性能。

图1 基底与掺杂ZrTiHfCuNi BMGs材料的力学行为。

图2 基合金纳米压痕探针τmax的相对频率分布。

图3 研究了基合金和O0.2、B0.2、O0.3掺杂合金的低温比热容实验数据。

图4 低温下BMGs中γ弛豫的研究。

图5 基合金和O掺杂合金的局部原子堆积和剪切响应的MD模拟。

图6 增强BMGs结构异质性的两种方法示意图。

综上所述，目前的研究结果表明了如何通过不同的设计概念成功地克服BMGs的室温脆性。这是通过形成塑料顺应区，形成周围的密集填充团簇包含间隙掺杂剂。在这种方法中，小的间隙原子被称为“簇形成者”，因为它们体积小，热力学上的考虑，以及它们部分的共价键贡献。由此产生的结构不均一性的增加被证明是大幅度提高BMGs塑性的有效方法，在没有损失的情况下，而是在强度上增加。因此，适当掺杂氧、硼、碳、氮等NMEs，可以同时提高塑性、强度、热稳定性，甚至增强GFA。 这种组合在玻璃成型、可塑性、强度和成本之间取得了良好的平衡，为符合塑料和耐损伤的BMGs开辟了全新的合成、加工和应用范围。 （文：水生）