互动科普

全球变暖：速度比幅度更致命

古新世—始新世最热事件是地球史前最后一次大变暖。新证据让人惊讶：与我们当今面临的气候变暖相比，这次气候变暖的速度就是小巫见大巫了。研究这次事件对我们今后应对气候变暖借鉴良多。

撰文 李·R·坎普（Lee R.Kump）

翻译 冉隆华

前往挪威斯瓦尔巴德群岛的最大岛屿斯匹次卑尔根岛的人，大多是冲着北极熊而去的，而我却是冲着岩石而去的。2007年夏天，我和同事们——都是地质学家和气候科学家——搭乘飞机抵达这个偏远的北极岛屿，去寻找当时人们认为是地球史上最突然的全球气候变暖事件的确切证据。岛上的岩石露头可能隐藏着上述线索，而要从我们落脚的朗伊尔废弃煤矿的老旧工房到达那里，得在崎岖的山路上跋涉两个小时。因此经过一夜休整，我们一早出发。踏着被雪和枯萎植物覆盖的路面，我想象在那个时候，这里可能满是棕榈树和蕨类植物，还有鳄鱼出没。

如果回到那时，也就是大约5 600万年前，我可能汗流浃背，而不是瑟瑟发抖。研究表明，在几千年时间里——只是地质时期的一瞬——全球气温上升了5℃，标志着地球发烧，这就是科学家们熟知的古新世—始新世最热事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum，PETM）。陆地和海洋气候带都向两极移动，迫使动植物迁移、进化适应或消亡。一些最深海区域酸化缺氧，杀死了生活在那里的许多生灵。大约20万年过后，地球才自然退烧。

古新世—始新世最热事件与现今的人为气候变化具有一些惊人相似之处。最值得注意的是，那次变暖背后的罪魁祸首是吸热温室气体大量进入大气层和海洋，其数量可以比肩未来几百年我们持续燃烧化石燃料可能排放的温室气体。确切了解古新世—始新世最热事件时期的变暖过程，可能有助于我们预测自己的未来情况。尽管至今该事件还存在许多悬而未决的问题，人们最多只是对它作了一些理论预测，但新研究已使事件越来越清晰。这些研究表明，与我们即将面临的全球变暖相比，最后一次全球大变暖的后果相形见绌——它们再次支持了这个预言：如果我们不改变做法，人类将遭遇灾难。

温室协同效应

今天，研究人员认为古新世—始新世最热事件是这样的：与当前气候危机一样，从某种意义上说，古新世—始新世最热事件也是始于化石燃料燃烧。当时，超大陆泛古陆（Pangaea）处于分离的最后阶段，地壳撕裂，形成了东北部大西洋。结果，巨量熔岩和热量上升覆盖欧洲和格陵兰的大陆，烘烤富碳沉积物、也许还有临近地表的一些煤和石油。这样，被烘烤的沉积物释放大量强效温室气体——二氧化碳和甲烷。根据巨大的喷发量判断，火山最开始喷出的温室气体，大约相当于上千亿吨碳，这个数量足以使全球气温提高2℃。但是，大多数分析（包括我们所作的分析）表明，可能还有其他因素推动古新世—始新世最热事件达到其最热点。

火山造成的变暖使更多温室气体释放出来，古新世—始新世最热事件的第二个也是更强烈的变暖阶段由此开始。海水自然的流动把热量传递到较冷的海床，使埋藏在海床中的大量冷冻甲烷水合物沉积物失去稳定性。随着甲烷水合物融化，甲烷气体涌向海洋表面，向大气里添加更多的碳。甲烷吸热比二氧化碳厉害得多，但甲烷会很快转化为二氧化碳。当然，只要甲烷还在释放，甲烷气体浓度就会持续升高，强烈放大温室效应，温度迅速上升。

随着甲烷水合物诱发变暖达到顶峰，其他一系列正反馈可能随之发生，让海洋碳库向陆地释放更多碳。干燥、烘烤和燃烧任何生物或者曾经是生物的物质，都要释放温室气体。这将引起地球许多地区，包括美国西部和欧洲西部长期干旱，很可能使森林和泥炭地干燥，并在某些情况下引发大面积火灾，向大气释放更多二氧化碳。那些泥炭和煤层闷燃——据现在研究所知，闷燃持续了数百年时间，可能使温室气体变得更浓烈。

两极地区永久冻土的融化也可能加剧了变暖趋势。永久冻土把死亡植物冰封了数百万年，就像冰箱里的冷冻汉堡包。把冷冻汉堡包放在厨柜上，它就要腐烂。同样的道理，永久冻土解冻，微生物就会消耗融化的残留物，释放大量甲烷。科学家们担心，北极解冻释放的甲烷可能大大强化当下化石燃料诱发的气候变暖。而在古新世—始新世极热事件期间，永久冻土融化的潜在贡献甚至更大。当时地球更为温暖，即使在古新世—始新世最热事件之前，南极也没有像今天这样，冻土上覆盖着冰盖。但那时南极大陆仍然存在永久冻土——被放在橱柜上”解冻。

在温室气体释放开始的时候，海洋会吸收许多二氧化碳（以及后来转化为二氧化碳的甲烷）。最初，这种自然碳捕获有助于抵销气候变暖。但是，太多的温室气体渗入深海，导致碳酸过剩，也就是被称为酸化的过程。此外，随着深海变暖，氧含量减少（这种维持生命的气体在温暖的海水里溶解度比在较冷的海水中小）。这种变化是有孔虫（foraminifera）这种微生物的灾难，有孔虫生活在海底及沉积物中。化石记录表明，有孔虫无力应对这种局面：30%～50%的有孔虫消失了。

层积物岩芯中的证据

1990年，人们清楚认识到了大量的温室气体释放触发了古新世—始新世最热事件。当时，美国加利福尼亚州的两位研究人员根据沉积物岩芯中几百万年的气候记录首次确定了这一事件，该芯钻取于南极附近海床。但很多细节还不那么明了：例如到底释放了多少气体、哪种气体是主要成分、气体喷涌持续了多久、促成因素是什么。

在随后的几年里，科学家又分析了另外数百个深海沉积物岩芯，以寻找答案。沉积物是一层一层地慢慢积累起来的，它们捕获了许多矿物质，包括海洋生物遗骸，这些物质保留了沉积物形成时期周边海洋、大气以及生命构成的标志特征。例如，不同生命形式、同位素或者骨骼中氧原子的比例都揭示了水温。

如果保存完好，这些沉积物岩芯就能提供完美的气候历史记录。但是，许多沉积物岩芯（包括古新世—始新世最热事件时期沉积物岩芯）的保存状况不是很好，有些部分缺失了，剩余部分也随着岁月流逝而发生了变化。通常情况下，海底沉积物富含碳酸钙矿物——抗酸剂药片中也是这种化合物。在古新世—始新世极热事件时期，海洋酸化溶解了岩层沉积物中的许多碳酸盐，正是那些岩层代表了古新世—始新世极热事件时代的最极端条件。

为此，2007年，在世界大学联盟（Worldwide Universities Network，WUN）的主持下，我和同事与一组来自英国、挪威和荷兰的研究人员齐聚斯匹次卑尔根。我们有理由相信，采自北极这部分区域的岩芯——由淤泥和黏土组成——可以提供更完整的记录，并最终回答有关那次变暖事件一些悬而未决的问题。实际上，我们打算从侵蚀高原而不是海底获取样本。我们寻找的沉积物位于古老的海洋盆地，自古新世—始新世极热事件以来，地质构造力发生作用，使该区域抬升，高出海平面；后来，冰期的冰川把它雕琢成斯匹次卑尔根广泛分布的陡峭高山和峡谷。

在第一次朗伊尔考察之旅后，我们制定实地考察和岩石取样计划时得到一个发现，省去了许多辎重。我们从当地一位思想超前的地质学家那里得知，他就职的一家挪威矿业公司此前已经钻取了覆盖古新世—始新世最热事件时代的沉积物岩芯。他自己保存了数千米沉积物岩芯，希望科学家们发现它们的用武之地。他把我们带到该镇郊外一幢金属棚内，沉积物岩芯保存在屋里，它们被切成1.5米长的柱形，贮存在数百个扁木箱里。2007年考察剩下的工作和2008年第二次考察要做的工作，就是从这些层积物岩芯中有针对性地选定样本。

回到实验室，我们用了几年时间从这些样本中提取特殊化学信号，它们可以告诉我们地球进入和走出古新世—始新世最热事件的状态。为了更多地了解大气温室气体含量，我们研究了碳同位素比例变化情况——这些数据几乎全是我们从保存在黏土中的痕量有机物中收集起来的。提取和分析了200多层层积物岩芯后，我们可以拼合出这些因素随时间变化的图形。正如我们推测的那样，在大约5 600万年前的岩层中，碳同位素标志特征发生了急剧转变。

最糟糕的结局

我们采集的北极层积物岩芯原来非常特别。它们是古新世—始新世极热事件发生和平息全过程的第一次记录，提供了温室气体释放到大气中这段时间的全景图。我们推测，这些气候记录前所未有的准确性终将为温室气体释放数量、来源和持续时间等问题提供迄今为止最准确的答案。但是，要获得这些结果，我们不能仅仅从层积物岩芯物质成分和浓度进行推算。我们请我在宾夕法尼亚州立大学的研究生崔英（Ying Cui）运行复杂的计算机模型，模拟变暖过程。这个模型的基础是我们对北极层积物岩芯碳同位素特征变化和深海岩芯海床碳酸盐溶解程度的认识了解。

崔英尝试过以多种情景去推演古新世—始新世极热事件全过程，每个情景计算机都要耗时一个月去计算。例如，一些情景假设甲烷水合物作用更大，另一些情景假设二氧化碳影响更大。在最符合物理证据的情景里，大气和海洋中要增加3万亿吨到10万亿吨碳，这比火山爆发和甲烷水合物能够提供的碳量多，所以永久冻土、泥炭和煤炭必定牵涉其中。和以前根据其他岩芯同位素标志特征和计算机模型进行的估计相比，这个数字要偏高一些。不过，最让我们感到吃惊的是，这种温室气体释放大约持续了2万年——是人们先前推测的时间长度的2倍～20倍。这个漫长的持续时间意味着，古新世—始新世最热事件期间，温室气体释放速度低于每年20亿吨——仅仅是当今化石燃料燃烧温室气体排放量的一小部分。事实上，当今二氧化碳浓度上升速度可能比古新世—始新世最热事件期间快10倍。

这种新认识对未来具有深远意义。化石记录告诉我们，对于生命形式和生态系统的影响，气候变化的速度比气候变化的程度影响更大。正如你喜欢朋友拥抱而不是肚子挨拳那样，与突然变化相比，生命对缓慢变化更适应。白垩纪时期突然转变成温室气候（白垩纪至早第三纪极端气候事件）就是这样的例子（白垩纪结束于6 500万年前，一般认为，当时一颗小行星撞击地球，导致恐龙灭绝）。白垩纪气候变暖程度接近古新世—始新世最热事件，但是，前者是在数百万年而不是几千年期间变暖，没有发生显著的生物灭绝事件：地球及其栖息生物有足够时间进行调整适应。

多年来，科学家们认为，古新世—始新世最热事件是反面极端事件最典型例子：这是有史以来最快的气候变化，可与最悲观的未来预测相提并论。从这个角度看，古新世—始新世极热事件的后果似乎没有想象的那么糟糕。除了深海有孔虫遭遇不幸，所有动物和植物似乎都战胜了热浪幸存下来——尽管为了生存下来，它们不得不进行很大的适应性变化。一些生物变小了，特别是古新世—始新世极热事件期间的哺乳动物都小于其前辈和后代。它们之所以这样进化，大概是因为小个体散热能力比大个体强。穴居昆虫和蠕虫也变小了。

大规模向极地迁移挽救了其他生物。有些生物扩大了生存领地，甚至更加兴旺。在海上，通常生存于亚热带的双鞭甲藻（dinoflagellate Apectodinium）蔓延到了北冰洋。在陆上，许多以前只生活在热带地区的动物，例如海龟和有蹄哺乳动物，首次迈向了北美和欧洲。对哺乳动物而言，这种扩张创造了进化和填补新生态位的无数机会，对人类具有深远影响：这种广泛的多样化就包括了灵长类动物的起源。

太快了？

现在我们认识到，在古新世—始新世最热事件中，气候变暖的速度最多只能说是温和的、实际上并不那么快，那些以此为依据，认为气候变暖基本无害，从而为继续使用化石燃料找借口的人必须反思了。相比之下，目前正在发生的气候变化速度惊人。在几十年时间内，森林砍伐、汽车和燃煤电厂使大气中的二氧化碳增加了30%以上。目前，全球每年向大气排放90亿吨碳。将人口增长和发展中国家工业化考虑在内的预测表明，在所有化石燃料耗尽之前，全球向大气排放碳的速度可能会达到每年250亿吨。

解决气候变化潜在影响的科学家和政策制定者通常着眼于最终结果：多少冰会融化，海平面要升高多少？研究古新世—始新世最热事件得到的新教训是，他们还应该问：这些变化发生的速度如何，地球生物有调整适应的时间吗？如果变化发生太快，或者在迁移和适应上障碍太大，生命就会消失：动植物将灭绝，世界的面貌将改变数千年。

我们处于新一轮地球发热早期，很难预测未来状况。但是我们已经知道了一些事情。正如联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新报告所总结的那样，生态系统对气候变暖反应很敏感。明显证据表明，海洋表层已经酸化并对海洋生物造成压力（参见《环球科学》2010年9期《酸死的海洋》一文）。物种灭绝速度上升，气候带移动已经迫使尚存动植物迁移，常常造成携带疾病的害虫和其他入侵物种在新地区盛行。与古新世—始新世极热事件时期的动植物不同，现在还有公路、铁路、水坝和城镇阻碍动植物向气候更适宜的地区迁徙。如今，大多数大型动物由于周围栖息地丧失而被局限在很小区域内，在许多情况下，它们迁移到新生存区域的机会是零。

此外，冰川和冰盖不断融化，促使海平面上升；珊瑚礁日益遭受疾病和变热压力；干旱和洪涝事件越来越普遍。事实上，降雨模式的转变和海岸线上升跟极地冰川融化一样，可能导致史无前例的人类大规模迁徙。有些问题已经开始出现（参见《环球科学》2011年第2期《气候难民逃往何方》一文）。

当前全球变暖速度大大超越古新世—始新世极热事件时期，不过，要避免我们面临的灾难为时尚不太晚。要避免灾难，世界各国必须立即行动起来，降低大气二氧化碳浓度，这样才能确保古新世—始新世最热事件是地球历史上最后一次严重的变暖事件。