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冰与碳之歌

气候变化是一个被严重政治化的科学问题,虽然很多人热衷于从经济与政治视角解读但大都对其背后的古气候学背景一无所知。公众一会被纪录片《难以忽视的真相》里那条高高上扬的二氧化碳浓度曲线说服,一会又被中生代远高于现在的温度的描述带偏,这都是正常的。高中教育水平以上的人往往优先理解原理,而事实的训练则需要系统学习。古气候学起码在我那个年代成长起的一代人记忆中更多是恐龙,然后就是电影《冰河世纪》里的猛犸象与原始人了,但这中间实际差了非常多事实。在这个过程中,最重要的两个关键词就是代表冰期的冰或者说水中的氧同位素与代表了大气二氧化碳浓度的碳或者说碳同位素。我会通过几篇今年的论文串联一些需要更新的背景知识与当前热点科学问题来讨论下片段,可以此为索引提取关键词继续探索。

新生代之前的地质年代

地质年代有着宙(eon)、代(era)、纪(period)、世(epoch)、期(age)、时 (chron)的分类。最早冥古宙连岩石都没形成,地球地质活动剧烈,天天被小行星与流星轰,最早的生命可能诞生于40亿年前,但直到38亿年前太阳系的大规模对轰才消停。之后的太古宙才出现了岩石与生命,距今35亿年生命学会了光合作用,氧化了10亿年的海水亚铁离子(包括产氧光合作用与不产氧光合作用)。到约25亿年左右,海洋亚铁离子耗尽后游离氧开始释放到大气(大氧化事件),此时地球的大气成分从甲烷开始部分换成了氧气,氧气把温室效应强的甲烷氧化成了相对弱的二氧化碳供蓝藻进行光合作用,也就出现了休伦冰期(第一次雪球地球)。之后又经历了约20亿年的满是藻菌元古宙才完成了全地球地壳与大气的氧化,在岩层中留下了一条明显的条状铁层(BIF,元古宙也有),也就是说好氧生物如果穿越到元古宙之前大概率得窒息而亡。在这个过程中,距今18亿到8亿年这个阶段生命一直默默进化但大气成分变化不大,被称为“无聊的十亿年”。然而到了距今8亿年左右出现了第二次雪球地球,也就是成冰纪大冰期,之后出现了埃迪卡拉多细胞生物群与寒武纪生命大爆发。

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地质年代示意图

从约5亿年前寒武纪大爆发开始,生命才真正意义上丰富多彩起来,而寒武纪的二氧化碳浓度大概是当前的20-35倍。我们现在的煤炭形成于约亿年前石炭纪与二叠纪的煤炭森林,石油则基本是有沉积岩开始形成的前寒武纪就开始形成,天然气跟石油煤炭经常伴生。二叠纪跟三叠纪之间经历了一次大灭绝事件,之后主龙类登上历史舞台,再经历一次三叠纪侏罗纪的大灭绝,恐龙才主宰世界。不过在下一次的K-T事件后,恐龙也灭绝了,在6600万年前,地球进入了新生代。在过去的五次大灭绝中,两次大灭绝撞上了冰期,一次撞上了火山喷发,一次原因不明,一次是陨石撞击。不论陨石撞击这种外部影响还是冰期、火山喷发这种内部影响,气候变化都起了作用。而我们目前也处于一次大灭绝事件之中,快于平均灭绝速度100倍,从1万年前的史前巨兽开始,这次大灭绝跟人类是脱不了关系的,毕竟显生宙新生代第四纪全新世人类文明诞生至今造成了83%野生动物的灭绝。

A graph showing Earth’s surface temperature over the past half a billion years

过去5亿年的温度变化。

现在我们讨论气候变化,超过6600万年意义其实不大,因为那之前哺乳动物都长得跟小猪差不多,恐龙如果演化出蜥蜴人才需要研究2.3到0.6万年的气候变化搞清楚团灭原因。而人类跟猿类在进化上分道扬镳则是发生在第四纪冰川之后,而现在地球上活蹦乱跳的智人则是约4万年前走出非洲征服全世界(其实应该是多次走出非洲,中间似乎还被尼安德特人打回去一次)。所以我们现在要讨论人的存活问题,最优先应该是讨论十万年甚至1万年新石器时代后的气候变化规律,然后是第四纪冰川后两三百万年的气候变化,最长到6600万年前,再长的话借鉴意义其实就不那么大了。而古气候学基本也就是对这一段进行重点关注的。

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新生代气温变化

古气候学

在古气候学出现前的十九世纪,西方世界对圣经里的大洪水深信不疑并认为人对气候是无法产生影响的。不过,古希腊时期泰奧弗拉斯托斯已经注意到局部气候变化,漫长农业文明时代更多侧重农业相关的气候规律,但人们也逐渐意识到改造森林为土地的过程会造成沙漠化。

古生物学研究气候记录的起点是对冰河时代的发现,1815年, Jean-Pierre Perraudin第一次提出冰川可能是阿尔派谷一些明显不属于当地巨石的来源。他观察到这些石头都分布在峡谷且表面带有冰川侵蚀痕迹,因此推测其可能是被冰川挖蚀后搬运过来的。他这个理论刚发表出来时并不受待见,但后来辗转说服了路易士·阿格西,后者将其发展为冰川学才逐渐被人接受。不过在如何解释冰川时代存在上,十九世纪科学家并未达成一致,有说太阳辐射的,有说火山喷发的,也是在这个时期人们意识到温室效应的存在。

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被冰川遗留下的石头,图片来自 Glacier Photo Collection

在冰川学说提出后,人们很快找到了另一种证据,那就是黄土。黄土广泛分布在欧亚大陆与北美,厚的地方能到三米且质地均匀,但有些地方则完全不存在。黄土其均匀的质地其实是冰川把石头磨出来的,然后冰融化时被水带到了冰川边缘。不过这个原因并不能解释黄土高原的形成,黄土高原的形成更复杂,也跨越了冰期。黄土的分布可以给出冰川边缘的位置分布,人们研究后同时发现冰川可能存在了不只一次,有三四次之多。

因为我们目前也算还在冰期里,两极有着常年不化的冰层,所以在气候变化研究中最常用也是最为人熟知的样品是格陵兰岛与南极的冰芯。现有最古老的冰芯也就能追溯到一两百万年而1万到100万年这段冰芯同位素测量精度有限。另一种常用来指示气候变化的记录仪是洞穴堆积物,也就是石笋与钟乳石。因为被洞穴保护,洞穴沉积物(Speleothem)受风化影响较小基本就是降水沉积出的碳酸钙,长得慢说明干旱,长得快则说明有强降水。通过测定其中铀钍的含量与比例,我们可以对洞穴沉积物定年,对于末冰期定年准确度在0.1%到1%。而其中的氧同位素比例则可以指示气温与降水信息。除了洞穴堆积物,海洋沉积物也是研究气候变化的天然样品。由于降水与地表径流不停将泥土与动植物残骸带到海洋并层层沉积,沉积物泥芯也就记录了不同地质年代的气候变化信息。有孔虫壳体是最常用的研究对象,而包含有孔虫壳体的海洋沉积物可以覆盖到上亿年的研究尺度。此外,珊瑚礁与树木年轮都可以作为气候变化的研究对象,只是能覆盖的年代跨度没有冰芯、洞穴沉积物还有海洋沉积物那么大。

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图2 冰芯,图片来自National Ice Core Laboratory

然而观察记录是一条腿,理论则是另一条腿,气候变化中目前看来最靠谱的理论就是塞尔维亚数学家米卢廷·米兰科维奇提出地球自转公转轨道的周期性变化理论。地球公转轨道的离心率变化周期大概是四十万年与十万年,地球转轴倾角的变化周期大概四万年,岁差变化周期大概两万年。这三个周期联动会导致地球接收到太阳的热量产生变化,进一步导致气候变化,被海洋沉积物与珊瑚礁的数据所证实。也就是说,在过去二百五十万年里,我们大概其实经历了100个冰期,远超之前所认为的三四个。同时,研究也发现主导周期是十万年那个,不过这个理论上解释不通,被称为十万年问题

Graphs of change in orbital parameters for the past 2.5 million years

然而,格陵兰与南极洲的冰芯却记录了最近一万年的一个快速气候变化,这点无法用上面的轨道理论来解释。目前研究认为温室气体排放与洋流可能是促成这个机制的原因。

哺乳动物时代

实验数据其实是有缺憾的,最主要是精度不够高,在一万到一百万年这个尺度上精度比较差,3300万年前的数据甚至是不全的。最近《科学》杂志发表了一篇文章,给出了6600万年高分辨的气候记录。这篇新发表的文章结合了理论与实验定年数据,用米兰科维奇模型矫正了多组海洋沉积物碳氧同位素数据,相当于两条腿走路,给出了更高精度的气候变化数据,应该是目前精度最高的数据。

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《科学》论文给出的碳氧同位素高精度变化图。

在相对高精度的数据上,研究人员进行了递归分析(recurrence analysis),说白了就是在一组时间序列上寻找模式突变的节点来划分不同阶段。结果他们给这6600万年分出了四个主要阶段:热室(hothouse)、温室(warmhouse)、凉室(coolhouse)跟冰室(icehouse)。这四个阶段中热室与温室发生在3400万年前,两个温室段中间夹一个热室段在温室阶段比现在高5摄氏度,热室阶段高10摄氏度,温室阶段碳氧同位素是正相关的而热室阶段则出现负相关。凉室始于3400万年前到330万年前为止,中间由于氧同位素在1390万年前的变动又分为两个阶段。冰室则对应了我们已知的上新世与更新世的分界线,其实这阶段的递归分析很难找到模式,暗示了330万年到现在我们的气候变化模式其实已经偏离了之前的轨道,而这330万年的大事则是第四纪冰川与灵长类制霸全球搞大灭绝。

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四种气候模式的递归分析

因为有了高精度数据,研究人员考察了不同周期的全球影响,认为低纬度气候变化是公转轨道离心率主导,中纬度是岁差而高纬度是地球转轴倾角来主导。整体来说还是公转轨道离心率主导,岁差影响非常弱,在最后的冰室阶段大气二氧化碳浓度下降,冰盖增加,增加了氧同位素的变异。就数据的预测性能而言,作者发现温室跟热室具备预测性而凉室与冰室预测性较差,因为这个模型是用天文周期矫正的,这个结果暗示了天文周期对温室与热室的影响更大些。过往研究其实更多认为极地冰盖是气候变化的主要动因,这篇研究则暗示了天文周期也在某些地质时期例如暖室阶段气候变化上起了重要作用。

智人文明时代

如果我们把视野聚焦到全新世,其实对我们这个物种意义更大,因为文明的诞生基本就是出现在这个阶段。全新世初期就是格陵兰期,距今一万年左右,这个阶段的命名源于北格陵兰冰芯项目,而北格陵兰冰芯项目的一项重要发现就是丹斯伽阿德-厄施格尔周期(DO),具体来说就是发生于末次冰期(11.5万年到1.2万年)的准周期为大概1500年的快速冷暖气候变化现象。

2003年 Stocker与Johnsen 提出了两极跷跷板模型(bipolar seesaw)来解释这个现象,认为北大西洋的温度变化与南极洋相关,变化量级类似但方向相反,例如北大西洋温度高的时候南极样温度低。这一机制主要通过加强的北大西洋经圈翻转环流(AMOC)来实现,格林兰岛温度升高是北大西洋经圈翻转环流从南部与热带带来的热量,冷却了绕南极流(ACC)的温度;当丹斯伽阿德-厄施格尔周期进入冷却期时,弱化的AMOC转而升高了绕南极流的温度。这个现象反映到地质记录上就是下图所示的格陵兰岛与南极在丹斯伽阿德-厄施格尔周期温度负方向变化趋势。

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不过,这个解释在更多意义上只能说是一个假说,因为两极温度逆向变化的现象更多是用两极的冰芯数据来证明,我们并不清楚两极中间的温带热带是否也有类似的同步。也就是说,我们需要更多证据来证明AMOC确实可以把热量变化从北极透过温带热带层层传导到南极。不过到这里就比较尴尬了,因为一来上面的同位素表示温度变化依赖的是冰芯,冰芯这玩意在温带寒带是不存在的,二来就是冰芯同位素定年存在千年级别的测量误差,而这些气候变化事件恰巧又是发生在千年这个时间尺度上,这样两极跷跷板这个现象甚至可能都是不存在的,也就更谈不上机制讨论了。

然而,已经有研究认为这样的急速气候变化肯定不仅仅影响两极的温度,研究者想通过更多其他区域的地质记录来推导是否全球尺度上都存在这样一个快速的气候变化现象。如果我们想观察百年千年这个相对高精度的气候变化,前面所说的洞穴沉积物可以给出相对准确的信息。而且洞穴沉积物在温带与热带都有,广泛分布在季风带区域,这样就有可能填上这块未知的空白。

研究人员分析了63篇发表过的高精度洞穴沉积物数据,主要考察了间冰期25次大事件与28次小事件。通过横向比对,发现分布在三个季风区的洞穴给出的年代变化互相符合度很高,都指示了间冰期的急速气候变化,如果对比格陵兰岛的冰芯数据,可以看到也能基本对上,但误差小了很多。这一方面说明冰芯数据其实准确度还行,另一方面也说明洞穴沉积物确实可以拿来回答丹斯伽阿德-厄施格尔周期中全球尺度的变化问题。

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有了基于全球尺度洞穴沉积物的相对精确的数据,研究人员进一步通过模型构建了丹斯伽阿德-厄施格尔周期在全球尺度的变化趋势。相关区域覆盖了北大西洋、欧洲-地中海区域、东亚、印度、南美、南大西洋、大洋洲还有南极洲。从图上我们可以看出这种急剧的气候变化是在约三百年中分三个阶段从北大西洋逐渐传导到南极洲的。在初始阶段,AMOC先在北太平洋北部形成暖化,造成南北大西洋的热对流。之后AMOC进一步增强了亚洲季风区并弱化了南亚季风区,在大气环流尺度上南极也开始受到影响。等AMOC进入间冰期后,这个过程开始深入影响到南极洲。由此,我们可以认为两极同步的现象与全球传导机制基本明朗了。

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不过,究竟是什么启动了AMOC的强化,目前还没有答案,可能是温室气体,可能是冰盖高度,可能是火山,也可能仅仅就是自震荡造成的。但无论如何,这篇研究给出了两极同步现象与机制的独立证据,方便了解全球尺度气候变化的更多细节。此外,相信高分辨洞穴沉积物数据也会被更多用在其他研究中。

碳时代

前面更多说了冰,碳的作用更多是在工业化时代后展示的。首先我们要知道旧石器时代以来,人类还从未面对当前的高温与大气二氧化碳浓度,我们事实上已经打破了自然界原有的碳循环规律,这意味着我们目前处于一个自己从未经历过的大气环境。另一个问题就是一提二氧化碳,更多人想到的是温室气体与温室效应(其实甲烷温室效应更重而畜牧业是重要来源,这是很多环保主义者吃素的原因),但二氧化碳溶于水是弱酸,大气二氧化碳浓度上升,海洋作为比陆地面积还大的地球水气界面自然要吸收更多的碳。此外,植物自然也会固碳。

Carbon dioxide over 800,000 years

最近80万年的二氧化碳浓度变化。

以前我们认为海洋大概吸收了大气二氧化碳的25%,不过最近的一份研究显示,经过温度梯度矫正的1992到2018年海洋大气二氧化碳通量比未矫正的数值几乎翻倍。这项研究主要矫正了海洋表面二氧化碳分布图(SOCAT)数据,研究者注意到之前的通量数据计算时没有考虑采样时采样深度对温度的影响。海洋表面温度数据实际是卫星数据转换的,而海洋表面温度事实是会更低一些,把这些都考虑进去后计算出了更大的二氧化碳通量。这个结果可以跟另一利用调查船采样估计出的独立研究结果基本对应,暗示着这个结果的高可靠性。从研究意义上而言,这个结果说明我们的碳排放对温室效应的影响被海洋吸收减弱了,有大约一半的二氧化碳排放最后是进入海洋的。但这些二氧化碳会导致另一个问题:海洋酸化。

海洋酸化比全球变暖的效果其实更明显,虽然海洋到目前为止还是碱性的,但氢离子浓度平均增长速率是过去两千万年平均增长速率的一百倍。这里面受影响最大的就是钙化者,也就是以碳酸钙为外骨骼的动植物。钙化者要想得到碳酸根要从周围海洋中找,碱性环境里碳酸根是不缺的,酸化后情况就很不理想了,被多出来的氢离子变成碳酸氢根了。工程作品上原材料短缺会出现豆腐渣工程,但对于生化反应就是豆腐脑工程了。海底火山,然后发现喷二氧化碳的那部分寸草不生,就是个死区。

最常见的钙化者是珊瑚礁,早在失败的“生物圈二号”的实验中,研究人员就发现空气中二氧化碳的上升导致珊瑚礁被毁了,真实世界中,珊瑚礁要拼命生长钙化才能维持现状,如果原料不足珊瑚礁这种生物多样性丰富的生态系统可能会不断萎缩然后100年后消失掉。没错,两千万年前地球海洋也曾达到当前酸化状态,但地质历史的单位都是百万年计,也就是生物会有较长时间去进化出应对机制。现在的问题是人类正在用年计的方式释放千万年计固定的碳,也就是燃烧化石燃料,这个速度生物进化是来不及的,来不及就灭绝。换句话说,也许碳对人类的直接影响是暖化或更多极端气候,但对海洋特别是深海生态系统而言几乎是近在眼前的灭顶之灾。

生态系统的变化对于很多人而言是无关紧要的,深海里发生的事看似离我们很远但总有些想不到的超距作用在发挥作用。现有药物中有近70%来自细菌、真菌还有植物产生的活性组分,从这个视角看,丢掉一个生态系统损失的应对未来危机的弹药库。假设某种超级细菌跟某种珊瑚虫共生,这种珊瑚虫会分泌某种药物分子控制超级细菌的种群,因此这种生物从来就没扩散出去过,然而酸化发生后这些人类潜在守护者消失了,超级细菌扩散入侵人类社会带来大流行。我们可能没等搞清楚来源就自己把自己间接灭绝了,人类最大的生存危机也许是外来的或新出现的,但更大概率是被生态系统用某种平衡掩盖的已有的问题。

冰与碳之歌

从地质年代上看,我们处于冰期,这意味着地球本身可以承担更高的温度。从发展水平上看,我们处于化石燃料为主要能源供给的碳时代,这意味着我们正在快速将植物几亿年固定下的碳重新转化为气态。但从人类自身而言,我们这个物种并未积累过应对当前气候变化的经验。当前很多环保政策被批与经济增长相对立,但只是个表象,经济增长说到底还是人类的生存问题,环保主张本质上也是关心生存问题。从科学研究来看,短期不论气温还是海洋酸化,都与人为因素脱不了干系,且变化速率极快,长期则都抵不过米兰科维奇的十万年模型。眼下我们需要做的就是在事态恶化前争取更多时间来想对策,结果可能是移民地下、海底或外太空,也可能是利用科技实现对气候的人为控制。不过,在达到这种文明程度之前,我们现在能源动力水平不够,理论储备也不够,工程技术也不够,社会运行的游戏规则中还存在严重的内耗,更不用说还有很多人面对的是明天的生存问题而不是几百上千年的所谓人类生存问题。复活节岛给我们展示了一个由于破坏环境而衰落的文明样本,而地球也是银河系中一座栖息文明的小岛,何去何从需要我们自己选择。也许费米悖论的答案很简单,不是不存在高等智慧,而是所有高等智慧都没发展到冲出自己的小岛就自然灭绝了。拥有智慧的个体也面对了智慧的诅咒,作为整体的文明总是在不同智慧的主张下犹豫前行,错过解决生存问题的最佳时机。

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最近两千年的温度变化。

文明的演化终点是生存问题的最终解决,也就是死亡或永生,这一过程将在地球上谱写冰与碳之歌。

参考资料