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摘要：地質(zhì)歷史時(shí)期，全球氣候出現(xiàn)過(guò)比現(xiàn)今更加溫暖的時(shí)候，也出現(xiàn)過(guò)更加寒冷的時(shí)候。如果說(shuō)氣候變化就是全球平均溫度的上升和下降，那么我們從何得知現(xiàn)代全球氣候變暖是正常的還是異常的呢？地質(zhì)學(xué)家如何知道過(guò)去的氣候，尤其是人類歷史記錄之前的氣候是什么樣的呢？ 根據(jù)百年尺度的氣候記錄工具——鉆孔、以及千年尺度的工具——樹(shù)輪的重建結(jié)果表明，全球氣候在中世紀(jì)暖期之后的大約400年間經(jīng)歷了一次降溫，但是在1910年以來(lái)的一個(gè)世紀(jì)經(jīng)歷了明顯的升溫，全球平均溫度升高了1～1.5℃。對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候記錄，目前只能通過(guò)冰芯、有孔蟲(chóng)化石氧同位素、植物氣孔密度和海洋藻類碳同位素等載體，通過(guò)恢復(fù)大氣二氧化碳或甲烷濃度，來(lái)間接恢復(fù)地質(zhì)歷史時(shí)期的全球氣候。南極冰芯的研究結(jié)果顯示在過(guò)去80萬(wàn)年中，間冰期大氣二氧化碳的平均濃度為265ppm、甲烷的平均濃度為630ppb，而通過(guò)正常氣候演化達(dá)到現(xiàn)今二氧化碳濃度的概率是1/(5×1032)，達(dá)到現(xiàn)今甲烷濃度的概率是1/(1×10197)。這一結(jié)果表明人類排放的溫室氣體正在將地球推向異常氣候狀態(tài)，至少這種狀態(tài)在80萬(wàn)年的尺度上是異常的。此外，從已有的地質(zhì)記錄來(lái)看，現(xiàn)今全球變暖的速率及程度都是非常反常的。地質(zhì)歷史時(shí)期，全球氣候的變化從沒(méi)有像近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)如此劇烈，除非發(fā)生災(zāi)難性地質(zhì)事件，如流星撞擊，火山噴發(fā)等。因此，我們有必要也有義務(wù)采取行動(dòng)來(lái)減緩全球變暖的速度。
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全球變暖是證據(jù)確鑿的
目前有眾多證據(jù)都表明全球氣溫正在升高，并且對(duì)我們的生存環(huán)境產(chǎn)生了很多影響。包括冰川消融、兩極冰蓋范圍縮小、海平面上升、極端天氣事件增加、山火更加頻繁、物種滅絕速度增加等等。2021年有兩份關(guān)于全球氣候變化的報(bào)告于8月出版。其中一份是聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的報(bào)告。另一份是中國(guó)國(guó)家氣候中心的報(bào)告，主要記錄的是中國(guó)的氣候數(shù)據(jù)。第一張圖展示的是全球1850年以來(lái)的氣溫變化，在1910年之前，雖然全球氣溫有升有降，但總體保持平穩(wěn)，在這之后全球氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（圖1a）。第二張圖是中國(guó)1900年以來(lái)的氣溫變化，我們看到了同樣的記錄（圖1b）。因此，不論是全球記錄還是區(qū)域記錄，它們都顯示出同樣的特征，即在上個(gè)世紀(jì)中全球氣溫升高了1～1.5℃。
圖1 過(guò)去100年間全球和中國(guó)的氣溫變化（a修改自IPCC 2021年度報(bào)告，b修改自中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū)）
全球氣溫升高，我們說(shuō)這不正常。但我們?nèi)绾蔚弥裁礃拥臍夂蜃兓钦５哪?？因此我們需要嘗試量化氣候變化，并進(jìn)行定量化比較。通過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了以下三種古氣候記錄工具，分別是鉆孔、樹(shù)輪和冰芯（George and Ault, 2014; González-Rouco et al., 2009; Thompson et al., 2013）。這三種古氣候記錄工具分別應(yīng)用于不同年代學(xué)尺度的古氣候重建。如果我們只需要知道近500年來(lái)的全球氣溫變化，那么我們可以運(yùn)用已有的各種類型的鉆孔去得到相關(guān)數(shù)據(jù)。地球地表之下的熱狀態(tài)受地球內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)和地表溫度變化的控制。對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部熱源且沒(méi)有地表溫度變化的均質(zhì)地殼，地下溫度隨深度線性增加。相對(duì)于短期氣候變化的時(shí)間尺度，該剖面可以被視為處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。由于熱擴(kuò)散，地下溫度異常的幅度與地表溫度擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和幅度成正比。地表溫度的長(zhǎng)期變化會(huì)傳播到地下，并被記錄為對(duì)地?zé)釡?zhǔn)穩(wěn)態(tài)的瞬態(tài)擾動(dòng)。因此，研究人員可以通過(guò)鉆孔中的溫度剖面數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)大約500年的地表溫度變化?？偨Y(jié)這些數(shù)據(jù)可以知道在大約150年前，全球溫度相對(duì)較低，被稱為小冰河時(shí)代，然而現(xiàn)今全球溫度已大幅回升1～1.5℃（圖2a）。如果想要更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄，這時(shí)候我們就需要用到樹(shù)輪。樹(shù)輪是目前可以記錄近2000年以來(lái)全球氣溫變化的有效工具。當(dāng)天氣暖和時(shí)，樹(shù)木生長(zhǎng)得繁盛，它們的樹(shù)輪也更寬。當(dāng)天氣較冷時(shí)，它們的樹(shù)輪則會(huì)變窄。研究人員的做法是通過(guò)收集地質(zhì)歷史時(shí)期的樹(shù)芯，并測(cè)量樹(shù)木年輪的寬度，然后結(jié)合14C定年手段，就可以得到近2000年來(lái)的溫度變化圖（圖2b）。
圖2 （a）鉆孔的溫度剖面反演的地表溫度變化（修改自Jaume-Santero et al., 2016）；（b）樹(shù)輪記錄的過(guò)去近2000年的溫度變化（修改自IPCC 2021年度報(bào)告）
然而要獲得數(shù)千至數(shù)十萬(wàn)年尺度的全球溫度記錄是非常困難的。這就是為什么人們大多關(guān)注大約2000年來(lái)的樹(shù)輪記錄。因?yàn)闃?shù)輪是一個(gè)時(shí)間尺度較長(zhǎng)，且能夠直接記錄氣溫變化的工具。如果想獲得數(shù)千至數(shù)十萬(wàn)年尺度的全球溫度記錄，我們需要研究冰芯。盡管冰芯不能直接記錄當(dāng)時(shí)的形成溫度，但從根本上與溫度有關(guān)。冰芯記錄的是溫室氣體濃度，比如二氧化碳和甲烷的濃度，而溫度與溫室氣體濃度是相關(guān)的。例如，格陵蘭冰蓋中冰芯的形成時(shí)代可以追溯到大約10萬(wàn)或12.5萬(wàn)年，而南極冰芯則可以追溯到80萬(wàn)年前。因此，冰芯是目前溫室氣體濃度記錄時(shí)間最長(zhǎng)的工具，也是溫室氣體濃度的連續(xù)記錄工具。圖3顯示的分別是80萬(wàn)年以來(lái)南極冰芯的二氧化碳和甲烷濃度變化。在間冰期，二氧化碳和甲烷濃度較高，而在冰河時(shí)期大氣二氧化碳和甲烷濃度則較低。在過(guò)去的80萬(wàn)年中，冰期和間冰期以十萬(wàn)年的周期出現(xiàn)。這是由地球沿軌道運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的正常變化。我們可以看到，在過(guò)去80萬(wàn)年中，大氣二氧化碳濃度的最大值為299ppm，大氣甲烷濃度的最大值為752ppb。數(shù)據(jù)表明2021年夏天地球大氣中二氧化碳的濃度為419ppm，而甲烷濃度為1875ppb，超出了過(guò)去80萬(wàn)年期間地球大氣二氧化碳和甲烷的最大濃度。為了衡量現(xiàn)今大氣二氧化碳和甲烷濃度的異常程度。我們需要計(jì)算過(guò)去80萬(wàn)年間冰期的平均二氧化碳濃度，及其高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)計(jì)算可以得到間冰期大氣二氧化碳的平均濃度為265ppm、甲烷的平均濃度為630ppb。計(jì)算結(jié)果表明要達(dá)到現(xiàn)今大氣二氧化碳濃度的概率需要在離平均值12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（12σ）的范圍內(nèi)，對(duì)于甲烷來(lái)說(shuō)則是30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（30σ）（圖3）。對(duì)于其概率我們可以采用如下概率密度函數(shù)計(jì)算：
式中x代表變量（現(xiàn)今值），μ代表平均值，σ代表標(biāo)準(zhǔn)差
通過(guò)計(jì)算如果要達(dá)到現(xiàn)今二氧化碳濃度的概率是1/(5×1032)，甲烷濃度的概率是1/(1×10197)。這就好比你和你的朋友都隨機(jī)選中了銀河系中的同一顆星星，抑或是地球上的同一粒沙子。這樣的可能性明顯非常非常小。毫無(wú)疑問(wèn)，人類排放的溫室氣體正在將地球推向異常氣候狀態(tài)，至少這種狀態(tài)在80萬(wàn)年的尺度上是異常的。
圖3 過(guò)去80萬(wàn)年間南極冰芯的二氧化碳和甲烷濃度變化
從地質(zhì)證據(jù)來(lái)說(shuō)，地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候與現(xiàn)今氣候相比非常不同。那么，我們的地球是否曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)溫度比現(xiàn)在還高的情況呢，答案是肯定的。晚白堊世以來(lái)深海底棲有孔蟲(chóng)化石記錄的氧同位素（δ18O）證據(jù)表明，在早始新世時(shí)期，全球溫度是最高的，被稱為早始新世大暖期（Early Eocene Climate Optimum: EECO），從這之后全球逐漸降溫（Westerhold et al., 2020）。其中在始新世/漸新世轉(zhuǎn)換期（Eocene/Oligocene Transition），中新世大暖期（Miocene Climate Optimum）和中上新世暖期（Mid-Pliocene Warm Period）三個(gè)時(shí)期的降溫最劇烈（圖4）。在地質(zhì)歷史時(shí)期，地球溫度的變化主要受控于大氣中二氧化碳濃度的變化。過(guò)去的65Ma以來(lái)，全球出現(xiàn)了多次溫室氣候事件：比如距我們最近約3Ma的上新世暖期（Pliocene Climatic Optimum）和距今17-14Ma的中新世暖期（Miocene Climate Optimum）。而按照目前的碳排放趨勢(shì)，未來(lái)100年后的地球大氣二氧化碳濃度會(huì)達(dá)到中新世暖期的水平。
圖4 深海底棲有孔蟲(chóng)化石記錄的晚白堊世以來(lái)全球溫度變化情況（Westerhold et al., 2020）
作為大氣中主要的溫室氣體，大氣中二氧化碳濃度的變化調(diào)控著全球氣溫，也是我們厘清氣候突變觸發(fā)機(jī)制的關(guān)鍵所在。目前研究人員可以通過(guò)植物氣孔密度、海洋藻類碳同位素、海洋有孔蟲(chóng)硼同位素、古土壤碳酸鹽碳同位素和其他一些手段（有機(jī)分子碳同位素等）來(lái)重建大氣中的二氧化碳濃度。IPCC總結(jié)了所有指標(biāo)并重建了過(guò)去60Ma以來(lái)大氣二氧化碳濃度的變化情況。其結(jié)果顯示大氣二氧化碳濃度在約50Ma時(shí)達(dá)到了最大值（1500ppm），隨后一直在下降，并在經(jīng)歷了多個(gè)冰期的旋回之后達(dá)到了現(xiàn)今濃度（圖5a）。而現(xiàn)今大氣二氧化碳濃度與15Ma之前的濃度相當(dāng)。以上是過(guò)去60Ma以來(lái)大氣二氧化碳濃度的變化，這段時(shí)間僅占地球歷史的14.4%，那么更遙遠(yuǎn)的地質(zhì)歷史時(shí)期大氣二氧化碳濃度是怎樣的呢？IPCC的重建結(jié)果表明，500Ma以來(lái)地球上出現(xiàn)了多次二氧化碳濃度很高的情況（比如說(shuō)：早泥盆世、中晚三疊世、早白堊世、始新世等），并在～400Ma時(shí)達(dá)到了最高值（約為2000ppm），而在晚古生代時(shí)期是很低的（圖5b）。這可能與長(zhǎng)期的生物演變有關(guān)。例如，陸生植物在大氣二氧化碳濃度高的時(shí)期（泥盆紀(jì)，～400Ma）大量發(fā)育，隨后消耗了大量的二氧化碳，從而導(dǎo)致了降溫，驅(qū)動(dòng)了晚古生代冰期的出現(xiàn)。隨后又出現(xiàn)了侏羅紀(jì)時(shí)期的升溫事件，但是目前對(duì)于該時(shí)期的升溫機(jī)制還不是很清楚。不過(guò)，我們可以肯定的是這種變化是周期性的，而且似乎與長(zhǎng)期的生物演變有關(guān)。
圖5 IPCC 2021年重建的早古新世（～60 Ma, a）和晚奧陶世（～450 Ma, b）以來(lái)全球大氣中二氧化碳濃度變化特征（數(shù)據(jù)來(lái)自于Paleo-CO2.org）
從已有的地質(zhì)記錄來(lái)看，現(xiàn)今的全球變暖也是非常反常的。地質(zhì)歷史時(shí)期地球氣候的變化從沒(méi)有如此劇烈，除非災(zāi)難性地質(zhì)事件的出現(xiàn)，如流星撞擊，火山噴發(fā)等，而今天的氣候變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地質(zhì)歷史時(shí)期的記錄。由于氣候的變化主要與大氣中的二氧化碳濃度有關(guān)，我們可以看到人類活動(dòng)釋放的二氧化碳含量與大氣中二氧化碳濃度之間的變化具有很好的相關(guān)性，全球所有的火山每年釋放的二氧化碳通量小于1Gt/yr，而人類活動(dòng)釋放的二氧化碳通量可達(dá)到40Gt/yr，約為全球火山釋放通量的200倍（圖6a）。人類活動(dòng)既可以釋放溫室氣體（比如甲烷、二氧化碳等），也可以釋放二氧化硫等冰室氣體導(dǎo)致全球降溫，當(dāng)我們將所有因素（人類活動(dòng)釋放的溫室氣體、自然因素、人類活動(dòng)輸入大氣中的氣溶膠）都考慮進(jìn)去，進(jìn)行建模之后發(fā)現(xiàn)，模型得到的近年來(lái)全球氣溫變化與觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的一致性（圖6b）。IPCC最新的模型結(jié)果表明：如果我們不采取措施的話，到2100年左右溫度要升高5℃；而如果各國(guó)遵守巴黎協(xié)定，到2100年左右我們基本可以將升溫幅度控制在2℃以下。
圖6 （a）1850年以來(lái)大氣中二氧化碳濃度變化與人類活動(dòng)釋放的二氧化碳通量變化情況; （b）1850年以來(lái)人類活動(dòng)引起的溫度變化與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系
地質(zhì)記錄告訴我們，全球氣溫變化對(duì)大氣二氧化碳濃度變化是非常敏感的，至少比模型預(yù)測(cè)的要敏感的多。我們?cè)谌粘Ｉ钪袘?yīng)該怎樣做才能盡量減少自己對(duì)氣候變化的影響呢？Matthew J. Kohn教授給出了自己的一些建議：少吃肉、減少純凈水的使用（因?yàn)樯a(chǎn)純凈水會(huì)釋放大量的二氧化碳）、盡量少使用私家車出行、多使用公共交通工具出行、限制長(zhǎng)途旅行，從日常生活點(diǎn)滴中減少自己的碳排放量?！ ?/span>
【講座視頻回放：https://mp.weixin.qq.com/s/SMtqiVlLvvLSWWYIrcsPmg】
主要參考文獻(xiàn)（上下滑動(dòng)查看）
1.González-Rouco J F, Beltrami H, Zorita E, et al. Borehole climatology: a discussion based on contributions from climate modeling[J]. Climate of the Past, 2009, 5(1): 97-127.
2.Jaume-Santero F, Pickler C, Beltrami H, et al. North American regional climate reconstruction from ground surface temperature histories[J]. Climate of the Past, 2016, 12(12): 2181-2194.
3.George S S, Ault T R. The imprint of climate within Northern Hemisphere trees[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 89: 1-4.
4.Thompson L G, Mosley-Thompson E, Davis M E, et al. Annually resolved ice core records of tropical climate variability over the past ～1800 years[J]. Science, 2013, 340(6135): 945-950.
5.Westerhold T, Marwan N, Drury A J, et al. An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years[J]. Science, 2020, 369(6509): 1383-1387.
整理：何少雄、張少華（巖石圈室）
美編：陳菲菲
校對(duì)：李玉鈐、趙娜
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