二氧化碳主导推动了地球4.85 亿年的气候变化

这一新认识强调了现代人为变暖的独特速度，给全球生态系统和海平面带来了风险。

由史密森尼学会和亚利桑那大学共同领导的一项新研究为我们提供了迄今为止最详细的资料，让我们了解地球表面温度在过去 4.85 亿年里是如何变化的。在9月19日发表在《科学》（Science）杂志上的一篇论文中，包括史密森尼国家自然历史博物馆（Smithsonian's National Museum of Natural History）的古生物学家斯科特-温（Scott Wing）和布赖恩-休伯（Brian Huber）在内的一组研究人员绘制了全球平均地表温度（GMST）在深层时间--地球绵延数百万年的远古时代--的变化曲线。

新曲线显示，在过去 5.4 亿年的地质年代中，地球温度的变化比人们之前想象的要大，在这段时间里，生命多样化，在陆地上繁衍生息，并经历了多次大灭绝。该曲线还证实，地球温度与大气中的二氧化碳含量密切相关。

由史密森尼学会和亚利桑那大学共同领导的一项新研究，为我们提供了迄今为止最详尽的地球表面温度在过去 4.85 亿年中的变化情况。在发表于《科学》（Science）杂志的一篇论文中，一个研究小组绘制了全球平均地表温度在深层时间--地球绵延数百万年的远古时代--的变化曲线。图片来源：史密森尼学会 Lucia RM Martino、James Di Loreto 和 Fred Cochard

研究小组利用一种叫做数据同化的方法绘制了温度曲线。这样，研究人员就可以将地质记录和气候模型中的数据结合起来，从而对古代气候有一个更全面的了解。

新论文的第一作者、美国国家自然历史博物馆和亚利桑那大学的前博士后研究员艾米丽-贾德说："这种方法最初是为天气预报而开发的。"在这里，我们不是用它来预测未来的天气，而是用它来预测古代的气候。"

了解现代气候变化的意义

研究地球温度如何随着时间的推移而波动，为了解现代气候变化提供了重要的背景资料。

博物馆的古植物学馆长荣说："如果你研究过去的几百万年，你不会发现任何东西看起来像我们对2100年或2500年的预期，"他的研究重点是古新世-始新世热极盛期，即5500万年前全球迅速变暖的时期。"你需要更进一步追溯到地球真正温暖的时期，因为这是我们更好地了解未来气候变化的唯一途径。

被称为有孔虫的单细胞微小生物的化石记录从今天一直延续到 5 亿多年前。虽然每种生物只有一个细胞，但它们利用海水中的矿物质在自身周围形成复杂的外壳。这些贝壳积聚在开阔海洋海底下的沉积层中，以及曾经被海洋淹没了数百万年的大陆地区。通过研究这些古老生物外壳的化学成分，科学家们可以了解早在人类进入地球之前的地球气候，并深入了解过去的气候是如何变化的。图片来源：Brian Huber，史密森尼学会

历史气候趋势与现代关切

新曲线显示，新生代期间的温度变化比以前想象的要大。在整个新生代，全球变暖潜势的跨度在52到97华氏度（11-36摄氏度）之间。极热时期往往与大气中温室气体二氧化碳含量升高有关。

亚利桑那大学古气候学家杰西卡-蒂尔尼（Jessica Tierney）是这篇新论文的合著者之一，她说："这项研究清楚地表明，二氧化碳是控制整个地质年代全球气温的主导因素。二氧化碳含量低时，气温低；二氧化碳含量高时，气温高。"

研究结果还显示，地球目前的全球平均温度为华氏59度（摄氏15度），比新生代大部分时间的温度都要低。但是，人为气候变化造成的温室气体排放目前正在以比新生代最快的变暖速度更快的速度使地球变暖。变暖的速度使世界各地的物种和生态系统面临危险，并导致海平面迅速上升。新生代的其他一些快速气候变化事件也引发了大规模物种灭绝。

蒂尔尼说："人类以及与我们共同生活在这个星球上的物种都适应寒冷的气候。将我们迅速置于温暖的气候中是一件危险的事情。"

史密森尼国家自然历史博物馆的"大卫-科赫化石展厅--深邃的时光"（David H. Koch Hall of Fossils-Deep Time）占地 31，000 平方英尺，是一个恐龙和化石展厅，它将带领参观者穿越深邃的时光，探索远古的生态系统，体验动植物的进化过程，并近距离接触约 700 件标本。图片来源：史密森尼学会 Lucia RM Martino、Fred Cochard 和 James Di Loreto

探索过去的气候，为未来提供信息

这篇新论文是2018年开始的一项持续研究工作的一部分，当时Wing、Huber和史密森尼学会的其他研究人员正在帮助开发博物馆的"大卫-科赫化石展厅--时间深处"。新展厅旨在通过强调地球气候在过去 5 亿年中的变化，将博物馆的化石置于背景之中。例如，一些标本--包括在阿拉斯加发现的棕榈叶化石--证明了在地球的过去，全球气温比现在要高得多。

研究小组希望为博物馆的参观者提供一条曲线，描绘出地球在新生代（约 5.4 亿年前开始，一直延续至今）的全球平均温度。但是，Wing 和 Huber 惊奇地发现，这一时期还没有可靠的温度曲线。这主要是由于化石记录的零散性。化石标本提供了一些有关远古温度的线索--例如，贝壳化石的化学成分提供了对遥远过去海洋温度的洞察力--但这些只是一个地区在单一时间的孤立快照。这就很难解读全球范围内的古代气温。

贾德说："这就好比，当你只有寥寥几块拼图时，却要努力想象出一幅 1000 块拼图的画面。"

史密森尼国家自然历史博物馆古生物学部研究收藏的化石。图片来源：Chip Clark

重建古代气温的挑战

为了绘制一条跨越深部时间的温度曲线，Wing、Huber和他们的同事启动了PhanTASTIC（新生代技术平均表面温度综合曲线）项目。2018 年，博物馆为来自全国各地的古气候学家举办了一次研讨会。2020年，贾德来到博物馆，担任PhanTASTIC博士后研究员，领导该项目。

为了绘制精确的曲线，PhanTASTIC 团队使用了数据同化技术。气象学家利用数据同化技术将温度、湿度和风速等各种因素的观测数据与天气模型结合起来，从而做出更准确的预报。同样，研究小组通过将地球不同地区的古代海洋温度相关数据与过去气候的计算机模拟相结合，重建了整个新生代不同时期的世界气候快照。

研究小组从五种不同的地球化学档案（或称"代用资料"）中整理出了 15 万多个已公布的数据点，这些数据点记录了保存在贝壳化石和其他类型的古代有机物中的古代海洋温度。他们在布里斯托尔大学的同事根据大陆位置和大气成分生成了 850 多个模型模拟，模拟了地球气候在遥远过去的不同时期可能出现的情况。然后，研究人员利用数据同化技术将这两种证据结合起来，绘制出一条更精确的曲线，显示地球温度在过去 4.85 亿年中的变化情况。

博物馆有孔虫（类似变形虫的单细胞生物）馆长休伯研究了微小的贝壳化石，以了解新生代最温暖的白垩纪时期的环境条件。

休伯说："我们都认为这不是最终的曲线。研究人员将继续发现更多关于深层过去的线索，这将有助于在未来修正这条曲线。"

编译自/ScitechDaily