古氣候調(diào)查對(duì)人類(lèi)敲響了警鐘

■文 / Paul Voosen 譯 / 胡德良 薛秀真

華盛頓特區(qū)的史密森學(xué)會(huì)國(guó)家自然歷史博物館改建的化石大廳不僅僅是一個(gè)恐龍骨頭庫(kù)，還展示地球氣候在歷代經(jīng)歷了怎樣的變遷，如何推動(dòng)生命發(fā)生了根本變化，以及在現(xiàn)代，人類(lèi)作為一種生命形式反過(guò)來(lái)又是如何改變氣候的。

斯科特·武英（Scott Wing）和布萊恩·胡貝爾（Brian Huber）分別是這家博物館的古植物學(xué)家和古生物學(xué)家。為講述地球氣候變遷的故事，他們想利用圖表繪制出過(guò)去5億年左右地球表面平均溫度的波動(dòng)情況。此外，這兩位研究人員認(rèn)為：溫度曲線可以用來(lái)反駁氣候變化論反對(duì)者的主張——全球變暖并不值得關(guān)注，因?yàn)閿?shù)百萬(wàn)年前地球氣溫要高得多。武英和胡貝爾希望能夠展示這樣的事實(shí)：遠(yuǎn)古時(shí)期曾經(jīng)發(fā)生過(guò)極端的氣溫事件，以及那些事件之間的快速切換如何導(dǎo)致了大規(guī)模的物種滅絕。武英說(shuō)：“突然的氣候變化會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的不良反應(yīng)，各種動(dòng)植物真的會(huì)難以適應(yīng)?！?/p>

然而實(shí)際上，制作這樣的圖表具有挑戰(zhàn)性，研究人員付出了巨大努力才重建了氣候記錄。雖然這項(xiàng)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完成，但是目前的研究表明：跟原以為的情況相比，一些古老的氣候事件甚至更為極端。

溫室時(shí)期的線索：棕櫚樹(shù)生長(zhǎng)在接近地球兩極的地區(qū)。同樣，對(duì)于古代的冰期，也很容易進(jìn)行跟蹤研究。但是，其他方面就沒(méi)有什么可以確定的了，尤其是跨越了5.41億年的顯生宙早期，情況更是如此。古氣候科學(xué)家們都在研究各自選定的時(shí)間段，并使用各自的專(zhuān)業(yè)性溫度指標(biāo)，例如化石珊瑚中的生長(zhǎng)帶，但是這些指標(biāo)經(jīng)常存在沖突?？的腋裰菝椎?tīng)柖厥行l(wèi)斯理大學(xué)的古氣候?qū)W家戴納·羅耶（Dana Royer）說(shuō)：“我們相互之間不會(huì)進(jìn)行那么多交談?！?/p>

2018年武英和胡貝爾組建了一個(gè)名為“夢(mèng)幻團(tuán)隊(duì)（Phantastic）”的松散合作機(jī)構(gòu)，致力于打造一份嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臍夂蛴涗洝Ｓ?guó)布里斯托爾大學(xué)的古氣候建模師丹·倫特（Dan Lunt）說(shuō)：“多數(shù)與會(huì)人員都受到啟發(fā)，表示要為這個(gè)事業(yè)做些貢獻(xiàn)?！?/p>

溫度曲線的價(jià)值不僅僅在于展示本身，而大氣中二氧化碳也存在同樣的曲線。亞利桑那大學(xué)圖森分校古氣候?qū)W家杰西卡·蒂爾尼（Jessica Tierney）認(rèn)為將兩者結(jié)合起來(lái)，可以看出過(guò)去二氧化碳引起的氣候變暖幅度是多少。她說(shuō)：“跟先前的模型相比，最新氣候模型的預(yù)測(cè)似乎表明變暖幅度更大了。因此，利用古氣候資料來(lái)約束氣候模型變得越發(fā)重要了，我們必須進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。”

圖表說(shuō)明：左側(cè)為華氏度，右側(cè)為相應(yīng)的攝氏度；下部為距今多少年（單位：百萬(wàn)年），最右側(cè)為當(dāng)今；虛線之上的部分為高溫線，代表著世界上沒(méi)有極地冰蓋的時(shí)期；虛線之下的部分為低溫線，代表著世界上存在極地冰蓋的時(shí)期。供圖：史密森學(xué)會(huì)國(guó)家自然歷史博物館。

高溫線

初步的全球溫度曲線表明，在陸地植物吸收二氧化碳（CO2）和極地冰蓋形成之前，海洋生物在極端高溫下產(chǎn)生多樣化①、②?；鹕奖l(fā)和侵蝕作用使二氧化碳水平上下波動(dòng)③，但是哺乳動(dòng)物是在溫暖時(shí)期進(jìn)化出來(lái)的④?，F(xiàn)在，人類(lèi)正在迅速地使氣候變暖⑤。

但是，遠(yuǎn)古的全球氣溫是難以搞定的，因?yàn)闅鉁仉S著地點(diǎn)不同和季節(jié)變化而變化，而且還因?yàn)殡S著時(shí)間向過(guò)去推移，衡量溫度的指標(biāo)會(huì)逐漸消失：樹(shù)木年輪只能追溯到數(shù)千年的過(guò)去，而冰芯只能追溯一百萬(wàn)年左右的時(shí)間。盡管如此，海底微小的化石貝殼中存在氧同位素，這種同位素可以提供相當(dāng)可靠的長(zhǎng)期記錄。含有較輕氧同位素的水分子蒸發(fā)得更快，并最終被封鎖在冰蓋中。因此，化石中輕重同位素的比例可以表明全球冰的體積有多大，這大致可以指示溫度的高低。

然而，年齡超過(guò)1億年左右的海底很少，這樣的海底被板塊構(gòu)造的不斷擾動(dòng)所吞噬。為了進(jìn)行更加深入的研究，得克薩斯農(nóng)工大學(xué)地球化學(xué)家伊?！じ窳_斯曼（Ethan Grossman）正在尋找在陸地上的海洋化石——主要是牙齒，以及被稱(chēng)為腕足類(lèi)的已滅絕雙殼動(dòng)物，這些化石往往來(lái)自古代超大陸內(nèi)部形成的孤立淺海。為了從海洋化石中收集溫度信息，科學(xué)家們不得不假設(shè)當(dāng)時(shí)的海水類(lèi)似于當(dāng)今的海水，各種氧同位素處于平衡狀態(tài)。

這種“海水問(wèn)題”已有幾十年的歷史了。但是，“夢(mèng)幻團(tuán)隊(duì)”的科學(xué)家們正在使用另外一種溫度計(jì)量方法來(lái)攻克這個(gè)問(wèn)題。這種方法是基于一種被稱(chēng)為“ 團(tuán)簇同位素（clumped isotopes）”的新技術(shù)，可測(cè)量?jī)煞N或多種稀有同位素的豐度。他們使用敏感的質(zhì)譜儀，分析化石貝殼中的碳酸鹽分子，這些碳酸鹽分子含有與重碳結(jié)合的重氧同位素，重碳會(huì)在溫度較低的情況下形成。如果化石在被埋葬的過(guò)程中一直暴露于高溫高壓下，那么結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。但是，研究人員已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何識(shí)別變質(zhì)的標(biāo)本。麻省理工學(xué)院的地質(zhì)學(xué)家克里斯汀·伯格曼（Kristin Bergmann）正在利用團(tuán)簇同位素技術(shù)來(lái)準(zhǔn)備過(guò)去10億年的溫度記錄資料，她說(shuō)：“我們已經(jīng)進(jìn)駐可以應(yīng)用該技術(shù)的地方。”

通過(guò)跟紐約州立大學(xué)石溪分校的地球化學(xué)家格雷戈里·亨克斯（Gregory Henkes）以及其他人合作，格羅斯曼仔細(xì)檢查了自己的化石標(biāo)本，拋棄了那些顯示出變化跡象的標(biāo)本，分析了剩余標(biāo)本中的團(tuán)簇同位素。去年，格羅斯曼和亨克斯在《地球和行星科學(xué)快報(bào)》 （Earth & Planetary Science Letters）上報(bào)道說(shuō)：分析結(jié)果與現(xiàn)有的氧同位素測(cè)量結(jié)果相符，均揭示出一個(gè)驚人的情況：大約4.5億年前，海水的平均溫度為35-40℃，比現(xiàn)在溫度高出20℃。然而，當(dāng)時(shí)海洋生物茁壯成長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)了多樣化。格羅斯曼說(shuō)：“對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是令人不安的，我們報(bào)告的這些高溫對(duì)于現(xiàn)代生物來(lái)說(shuō)是很極端的。”

為了將這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為全球溫度曲線，研究人員需要填補(bǔ)地理和時(shí)間方面的數(shù)據(jù)空缺。伊利諾伊州西北大學(xué)埃文斯頓分校的地質(zhì)學(xué)家克里斯托弗·斯科提斯（Christopher Scotese）是“夢(mèng)幻團(tuán)隊(duì)”的一位合作者，他提出一種將有限數(shù)據(jù)分布到全球圖景的簡(jiǎn)單方法：利用極地冰蓋是否存在來(lái)指示地球在赤道和兩極之間是否存在過(guò)大的溫差。

其他合作者正在使用稀少的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)對(duì)古氣候進(jìn)行模擬，就像利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)天氣模型進(jìn)行實(shí)際校驗(yàn)一樣。同時(shí)，布里斯托爾的倫特和保羅·瓦爾德斯（Paul Valdes）正在根據(jù)地面實(shí)況進(jìn)行一系列古氣候模擬，他們的模擬有數(shù)百次之多。根據(jù)這些模擬，他們已經(jīng)能夠推斷整個(gè)地球的溫度，可以說(shuō)明顯生宙大多數(shù)時(shí)間段的情況。

武英稱(chēng)：“該研究匯集了不同類(lèi)型的觀察、不同類(lèi)型的模擬、不同類(lèi)型的程序，可能還有不同的假設(shè)?！币坏皦?mèng)幻團(tuán)隊(duì)”的研究工作成熟之后，我們計(jì)劃取代測(cè)試版。格羅斯曼稱(chēng)，即使是這幅草圖，也應(yīng)該能夠使人們清醒起來(lái)。他說(shuō)：“這種研究能夠使人們感覺(jué)到進(jìn)入溫暖時(shí)期是多么地容易，因?yàn)榈厍蚰壳耙呀?jīng)變暖了！”