研究晚古生代大冰期已經(jīng)發(fā)生過的碳排放與全球變暖事件所造成的影響，將有益于我們更加深入地理解當(dāng)前在冰室氣候下地球系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)與反饋機(jī)制，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測全球氣候環(huán)境變化與生物多樣性的未來發(fā)展趨勢。

全球變暖將會導(dǎo)致什么樣的后果？地球上的生命將面對怎樣的生存環(huán)境？當(dāng)前的第四紀(jì)大冰期與全球變暖會產(chǎn)生沖突嗎？

近年來，全球氣候問題已經(jīng)成為各個國家關(guān)注的焦點。那么，氣候的變遷是否真的會帶來毀滅性的后果？關(guān)于這個問題的研究非常多，但預(yù)測的結(jié)果相差也很大。

5月上旬，科學(xué)期刊《美國科學(xué)院院報》刊發(fā)了來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡稱中科院南京地質(zhì)古生物所）與南京大學(xué)、美國加州大學(xué)戴維斯分校等合作的一項成果，他們認(rèn)為：約3億年前的晚古生代大冰期期間，曾發(fā)生一次短暫的巨量碳排放事件，引起了海洋缺氧及海洋生物多樣性顯著降低。

地球歷史上曾多次出現(xiàn)碳排放導(dǎo)致的升溫，而3億年前的這次事件之所以吸引科學(xué)家的目光，是因為當(dāng)時的地球環(huán)境與當(dāng)前非常類似。這一成果也是世界上首個以冰期為背景研究全球變暖的成果。

全球變暖惡果已經(jīng)顯現(xiàn)

北美的高溫、歐洲的暴雨、亞洲的洪災(zāi)……很多人可能還記得2021年，全球各地出現(xiàn)許多極端天氣。

而在大多數(shù)人視線之外的地方，環(huán)境變化同樣讓人擔(dān)憂：格陵蘭冰川加速融化、亞馬孫雨林頻現(xiàn)干旱、澳大利亞附近的珊瑚礁大面積死亡、西伯利亞永久凍土開始消融、大西洋環(huán)流自1950年開始變緩。

“根據(jù)相關(guān)研究報道，當(dāng)前，我們生活的地球或許正面臨著氣候變化的臨界點?！敝锌圃耗暇┑刭|(zhì)古生物所陳吉濤研究員告訴記者，當(dāng)今地球正處于從3400萬年前開始的新生代冰室氣候。然而近百年來，全球氣溫在冰室氣候大背景下快速升高，兩極冰川消融加劇，海平面上升，海洋缺氧程度加重，導(dǎo)致全球生物多樣性降低。

全球變暖原本是一種地球上的自然現(xiàn)象，根據(jù)科學(xué)家的研究結(jié)果，在地球46億年的歷史上，氣溫是呈現(xiàn)周期性變化的，而且絕大多數(shù)時間的溫度都比較高，此時地球表面沒有大陸冰川或者冰蓋的覆蓋，我們將這些時期稱為溫室期。

如果地球表面長期處于極其低溫的狀態(tài)，導(dǎo)致整個地球表面被冰雪所覆蓋，我們就會將這些時期稱為冰室期或大冰期。比如在前寒武紀(jì)大冰期，地球就遭受過一次嚴(yán)重的冰凍，這段時間地球的平均溫度可能一度跌到了零下50攝氏度左右，史稱“雪球地球”。

但不是所有大冰期都像“雪球地球”那樣冷。大冰期還分為冰期和間冰期，它們是交替出現(xiàn)的。目前地球正處于間冰期當(dāng)中，溫度要相對高一些。不過，現(xiàn)在地球上依然存在著不少的冰川和冰蓋，主要集中在格陵蘭和南北極區(qū)域，這也是冰期最顯著的特征。

那么，當(dāng)前的全球變暖，究竟會帶來什么樣的后果呢？

“根據(jù)當(dāng)前環(huán)境變化的觀察數(shù)據(jù)很難預(yù)測未來的長期趨勢。為了找到全球冰室氣候背景下的變暖與海洋缺氧、生物多樣性變化的內(nèi)在關(guān)系，更準(zhǔn)確地模擬和評估海洋缺氧程度，我們需要通過對地球歷史上冰室氣候的研究尋找答案。”陳吉濤說。

3億年前曾出現(xiàn)巨量碳排放

在3.6—2.8億年間的晚古生代，地球也出現(xiàn)過一次大冰期。這次大冰期是地球持續(xù)時間最長、規(guī)模最大的一次冰室氣候，也是陸生高等植物及陸地生態(tài)系統(tǒng)建立以來唯一一次記錄了地球由冰室氣候向溫室氣候轉(zhuǎn)變的地質(zhì)時期。當(dāng)時，地球的大氣二氧化碳和氧氣濃度也與現(xiàn)代相當(dāng)，因此這一時期可以與現(xiàn)今人類生存的冰室氣候環(huán)境很好地進(jìn)行類比。

陳吉濤認(rèn)為，研究晚古生代大冰期已經(jīng)發(fā)生過的碳排放與全球變暖事件所造成的影響，將有益于我們更加深入地理解當(dāng)前在冰室氣候下地球系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)與反饋機(jī)制，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測全球氣候環(huán)境變化與生物多樣性的未來發(fā)展趨勢。

3億年前的石炭紀(jì)，地球大陸與現(xiàn)在并不一樣，大片陸地集中在低緯度地區(qū)，我國的華南板塊則是大洋中的一個孤島。因此，華南板塊有大量的海相沉積地層，這為研究當(dāng)時的海洋環(huán)境提供了很好的樣本。

貴州羅甸納慶剖面發(fā)育了國際上鮮有的連續(xù)出露的石炭紀(jì)海相地層，完整記錄了石炭紀(jì)晚期海水的地球化學(xué)信息。

研究人員在此開展了近十年的地層學(xué)、古生物學(xué)、沉積學(xué)、沉積地球化學(xué)、數(shù)值模擬等多學(xué)科的綜合研究，首次發(fā)現(xiàn)了石炭紀(jì)晚期冰室氣候下的一次巨量碳排放事件。

為了精確還原當(dāng)時的環(huán)境變化，他們的采樣精度達(dá)厘米級，樣本經(jīng)過碳和鈾同位素及主微量元素等測試分析得出數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入全球碳循環(huán)模型（LOSCAR），對碳排放量及碳源進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并利用耦合的碳-鈾模型計算出當(dāng)時全球海洋缺氧程度，最后利用更綜合的地球系統(tǒng)模型（CESM）進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，最終建立了該事件中碳排放與海洋缺氧面積的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

研究結(jié)果顯示，石炭紀(jì)晚期（約3.04億年前）冰室氣候下，約9萬億噸碳在30萬年內(nèi)排向大氣，從而引起了當(dāng)時全球氣候的顯著變暖。這期間海水表面溫度升高約4攝氏度，全球海洋缺氧面積增長了18%，從4%擴(kuò)張至22%，海洋生物多樣性在短期內(nèi)顯著下降。

“根據(jù)我們的研究，當(dāng)時海洋中的有孔蟲、珊瑚、腕足類生物大量死亡。這些都是底棲生物，當(dāng)海洋缺氧后，首先波及到的就是這些行動能力相對有限的生物。”陳吉濤說。

研究全球變暖需考慮大氣候背景

研究人員推測，石炭紀(jì)晚期的巨量碳排放，與廣泛的火山噴發(fā)有關(guān)，據(jù)其他學(xué)者研究，現(xiàn)在的歐洲、澳大利亞等地區(qū)，當(dāng)時都曾發(fā)生大規(guī)?；鹕交顒?。

而石炭紀(jì)又是集中的成煤時期，大量的植物以固體碳的形式被埋藏在地下，巖漿噴發(fā)前可能侵入到這些煤層中，導(dǎo)致短期內(nèi)碳排放迅速增加。

為什么研究溫室氣體排放、全球變暖，需要考察地球大的氣候背景？陳吉濤表示，所謂差之毫厘謬以千里，冰室氣候與溫室氣候下，全球變暖帶來的后果很可能是大不相同的，必須予以科學(xué)的論證。

通過比較地質(zhì)歷史中不同氣候環(huán)境下的碳排放事件及其引起的全球變暖和海洋缺氧狀態(tài)，研究團(tuán)隊首次提出，在同樣的碳排放速率下，相較于溫室氣候，冰室氣候下的海洋可能會出現(xiàn)更嚴(yán)重的缺氧狀態(tài)。

他們推測，這主要有三方面的原因：第一，在冰室氣候的全球變暖期間，冰川融化導(dǎo)致地球表面反照率降低，從而推動溫度進(jìn)一步上升；第二，這次全球變暖事件減弱了北半球海洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流，增強(qiáng)了大洋溫躍層分層，從而減小了海洋表層海水的混合深度，導(dǎo)致海洋內(nèi)部氧氣含量降低；第三，全球變暖導(dǎo)致冰川消融，大片陸地暴露被風(fēng)化，造成磷和其他營養(yǎng)鹽進(jìn)入海洋，促進(jìn)了初級生產(chǎn)力而大量消耗了海水中的氧氣。

9萬億噸碳在30萬年內(nèi)排向大氣，聽起來數(shù)量驚人，但比起近200年人類活動造成的溫室氣體排放，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。

以2018年為例，全球排放的二氧化碳為340億噸，折算成固體碳約93億噸，而石炭紀(jì)晚期的巨量碳排放約為每年3000萬噸，前者為后者數(shù)百倍之多。

據(jù)世界氣象組織觀測，全球大氣中二氧化碳濃度在2019年就已突破410ppm（百萬分之410），為過去80萬年以來的新高。2022年3月，這一數(shù)據(jù)又上升到418.81ppm（百萬分之418.81）。

那么，當(dāng)前的全球變暖，會顛覆地球周期性變化嗎？根據(jù)科學(xué)家研究，如果當(dāng)前的碳排放速率不加以限制，地球歷史上的周期性氣候變化可能會被打破，地球或許會進(jìn)入溫室氣候狀態(tài)。