關於地球未來變暖，上新世可以告訴我們什麼

想像這樣一個世界：極地冰蓋正在融化，海平面正在上升，大氣中充滿了約百萬分之四百的二氧化碳。聽起來很熟悉嗎？它應該。我們就這樣生活著。但這描述也與 300 萬年前的地球相符，也就是上新世地質時代的中期。

為了了解隨著全球氣溫上升，我們的星球會如何反應，科學家正在研究過去的溫暖時期。其中包括白堊紀的蒸氣世界，例如大約 9,000 萬年前，以及古新世和始新世的邊界，大約 5,600 萬年前。

但對於許多研究人員來說，當今暖化的最佳參考是最近的上新世，它持續了 530 萬年至 260 萬年前。上新世中期是大氣中二氧化碳的最後一次出現₂那時的水平與今天相似，吸收了熱量並使全球溫度升高到地球現在的水平以上。

新的研究正在闡明地球如何應對上新世的溫暖。一群科學家已分散到北極各地，收集地質線索，了解那裡的氣溫可能比現在高出攝氏 19 度。溫暖的氣候使得樹木向北延伸，形成了北極森林，三趾馬、巨型駱駝和其他動物在其中漫步。當閃電襲來時，野火就會席捲大地，向空氣中噴出煙灰，改變該地區的氣候。

其他研究人員正在推動氣候模式的前沿，模擬上新世氣溫飆升時海洋、大氣和陸地的反應。一項新的研究表明，溫暖如何可能引發了海洋環流的巨大變化，在太平洋中形成巨大的翻轉流，類似於今天大西洋中驅動天氣和氣候的「傳送帶」。第二篇新論文顯示格陵蘭島和南極冰蓋可能對上新世的高溫有不同的反應，在不同時間熔化。

所有這些對上一次大暖期的研究正在幫助科學家更深入地思考未來可能會如何發展。它可能不是未來 100 年的路線圖，但上新世是一個粗略的指南，了解數百至數千年後可能出現的高海平面、消失的冰和改變的天氣模式。

「這是一個了解溫暖氣候如何運作的案例研究，」劍橋大學古海洋學家希瑟·福特說。 “這是我們對未來氣候變遷最接近的模擬。”

走過歷史

整理上新世的歷史有點像是挖掘一個家庭的過去。一群愛好者仔細查看家譜記錄，收集有關誰住在哪裡、何時居住的數據。另一組使用電腦軟體和建模來尋找描述家庭如何隨著時間的推移而成長和移動的廣泛模式。

資料偵探的工作始於上新世的岩石和沈積物，這些岩石和沈積物散佈在世界各地，就像城市圖書館檔案中的家譜歷史一樣。 1988年，美國地質調查局開始了一個名為 PRISM 的項目，用於上新世研究、解釋和天氣測繪，旨在收集盡可能多的有關上新世環境的地質線索。

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成立之初，PRISM 專注於從北大西洋海底鑽探的一系列深海岩心。不同類型的海洋生物在不同溫度的水中繁衍生息。透過比較深海核心中保存的微小生物物種的相對豐度，棱鏡科學家可以粗略地繪製出過去不同時間喜冷生物如何讓位於溫暖生物（反之亦然）的情況。該計畫的早期成果美國地質調查局研究地質學家 Harry Dowsett 及其同事於 1992 年報告的研究表明，在上新世期間，北大西洋高緯度地區的暖化加劇。

科學家繼續添加棱鏡記錄。一個國際團隊從西伯利亞湖下方鑽取了沉積岩芯，發現上新世中期夏季氣溫高達 15°C（約 59°F）。那是比今天溫暖8度（SN：2013 年 6 月 15 日，第 14 頁13）。其他研究人員發現了一些線索，例如來自泥炭沼澤的植物化石，這些線索表明加拿大格陵蘭島附近現已結冰的埃爾斯米爾島的年平均氣溫是比今天高18度（SN：2013 年 4 月 6 日，第 14 頁9）。

現在，一群新的生物學家、地球科學家和其他研究過去景觀的專家聯合起來，共同研究過去的景觀。一個名為 PolAR-FIT 的項目，上新世景觀和北極遺跡——時間凍結。團隊之所以關注北極，是因為正如今天的北極暖化速度比地球其他地區快一樣，上新世北極的暖化速度也比全球其他地區快。 「這就是我們所說的極地放大，」米蘇拉蒙大拿大學的團隊成員兼古生態學家塔瑪拉·弗萊徹說。 “上新世的情況比我們今天看到的還要放大。”

PoLAR-FIT 科學家前往北極收集有關該地區如何應對上新世氣溫上升的地質證據。例如，在埃爾斯米爾島融化的永久凍土斜坡上，弗萊徹和同事一直在繪製可追溯到上新世的沉積物中的黑色木炭層。每一層木炭代表燃燒古老森林的火焰。透過追蹤埃爾斯米爾和其他附近島嶼的事件，弗萊徹的團隊發現火勢蔓延橫跨現在的加拿大北極地區。

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野火改變了整個地區的植被，可能改變北極對氣溫上升的反應。火災產生的煙灰會使天空變暗，可能導致當地或區域的天氣變化。 “這對變暖有多重要？”科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心的古氣候學家貝蒂·奧托-布萊斯納問道。弗萊徹、奧托-布萊斯納及其同事於 10 月在西雅圖舉行的美國地質學會會議上描述了木炭的發現以及火災影響的模型研究。

2012年，約283,280平方公里的森林被燒毀在俄羅斯。三年後，阿拉斯加的面積超過 20,230 平方公里。去年夏天，發生了野火在格陵蘭島西部的冰冷景觀中。 「我們已經在北極看到了火災，這在今天是不尋常的，」弗萊徹說。 “但這在上新世並不罕見。”

雖然這項工作並沒有預測隨著氣溫上升，北極將有多少地區燃燒，但研究結果確實表明，人們需要為未來更多火災做好準備。

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被困海洋熱量

像弗萊徹這樣的科學家是上新世的系譜學家，收集過去環境的記錄。其他研究人員——電腦建模者——將這些舊記錄置於更廣泛的背景下，就像歷史學家分析家譜以了解移民和變化的模式一樣。

建模者從上新世溫度資料開始，例如植物化石或海底沉積物揭示的埃爾斯米爾島或北大西洋的溫度。科學家還可以估計有多少二氧化碳₂透過觀察上新世植物葉子化石中孔的密度等線索，在當時的大氣中發現了這些孔，這些孔吸收了二氧化碳₂。估計各不相同，但大多數建議使用 CO₂上新世中期的含量約為 350 至 450 ppm。

目前尚不清楚上新世期間天然氣累積的原因。一種可能性是它來自陸地、海洋和大氣之間碳循環方式的長期變化。但無論來源為何，高含量的二氧化碳₂透過捕獲大氣中的熱量導致溫度飆升。

對今天來說，上新世並不是一個完美的水晶球。首先，科學家知道為什麼二氧化碳₂水平現在正在增加——化石燃料的燃燒和其他人類活動（SN：2015 年 5 月 30 日，第 14 頁15）。隨著工業革命的蓬勃發展，在 19 世紀，大氣中的二氧化碳₂濃度約 280 ppm。如今，這一水準略高於 400 ppm，並且還在不斷上升。

對上新世氣候進行建模有助於揭示地球在類似條件下的反應。這意味著要研究上新世大氣、陸地表面和大部分海洋的變化，這些變化吸收了地球暖化的大部分影響。 「透過研究過去的溫暖事件，你可以理解這一點，」福特說。 “熱量和碳在海洋中的移動方式有何不同？”

福特已經開始與維吉尼亞州費爾法克斯喬治梅森大學的氣候學家娜塔莉布爾斯合作，試圖追蹤上新世期間海洋主要水團的變化。如今，北大西洋有一個又深又冷的鹹層，對海洋的「傳送帶」環流至關重要。在這種模式下，溫暖的海水從熱帶向北流動，然後在到達高緯度時冷卻並變得更鹹、更稠密。冷水下沉並向南流動，在那裡變暖並上升，然後再次開始循環。

這種傳送帶環流對於當今的大西洋氣候非常重要，因為它使溫暖的墨西哥灣流能夠調節從美國東海岸到西歐的溫度。伯爾斯和同事現在發現了類似的模式上新世期間可能存在於太平洋。他們稱之為太平洋經向翻轉環流（PMOC），就像今天類似的大西洋環流被稱為 AMOC 一樣。

伯爾斯的團隊透過模擬上新世海洋對更高溫度的反應發現了這種現象。由於北極非常溫暖，赤道與中高緯度地區的溫差並不像今天那麼大。較弱的溫度梯度意味著北太平洋中緯度地區降雨量減少，蒸發量增加。結果，其最上面的水域會變得更鹹。

當北太平洋海水變得足夠鹹時，它們會冷卻並下沉，形成一股巨大的洋流，深入俄羅斯東北部海岸並向南流動，直到海水變暖到足以再次上升到水面。現實世界的數據支持了這一說法：太平洋深海沉積物中碳酸鈣的積累表明，上新世海洋當時經歷了巨大的變化，海水從表面一直翻騰到約三公里深，正如預期的那樣來自傳送帶式循環。研究小組報告了這項發現科學進步九月。

伯爾斯說，上新世太平洋發生的事情可能會告訴我們遙遠的未來的太平洋。隨著今天氣溫的上升，大部分熱量被海洋表層吸收。從短期來看，這有助於防止深海環流的變化。 「今天我們很快就開始加熱，深海需要一段時間才能適應，」布爾斯說。

但從長遠來看，幾千年後，北太平洋的海水最終可能會變得溫暖和含鹽到足以形成PMOC，就像上新世一樣。這可能會導致全球天氣和氣候模式發生重大變化。

陸橋和冰原

其他建模者則將目光投向太平洋以外的地區，以加深對上新世世界不同地區行為方式的了解。最近成立了大約十幾個研究小組一項名為 PlioMIP2 的新成果，或上新世模型比對項目，第二階段，對大約 320.5 萬年前的上新世中期與今天有些相似的時期的氣候進行建模。

「我們正在努力描繪出當時生活的最佳畫面，」英國利茲大學氣候建模師、這項工作的領導者艾倫·海伍德 (Alan Haywood) 說道。

在一項發現中，專案科學家發現，他們建模的世界的地理上的微小變化會對最終結果產生很大的改善。早期模型無法準確捕捉極地地區升溫的程度。因此 PlioMIP2 研究人員更新了他們的起始條件。該小組沒有假設上新世世界的陸地與今天相同，而是對北極進行了兩項看似合理的小變化。研究人員透過關閉白令海峽在俄羅斯和阿拉斯加之間建立了一座陸橋，並增加了陸地來連接加拿大北極地區的一些現代島嶼，包括埃爾斯米爾島。

奧托-布萊斯納說，這種變化「看起來很小，但實際上會對氣候產生巨大影響」。例如，關閉白令海峽就切斷了來自太平洋的相對淡水流經北極並進入北大西洋的水流。隨著地理的更新，PlioMIP2 模式在模擬北極高緯度地區的熱量方面突然表現得更好。

奧托-布利斯納將於本月在新奧爾良舉行的美國地球物理聯盟會議上介紹該團隊的研究結果。另一個 PlioMIP2 小組、多倫多大學的 Deepak Chandan 和 Richard Peltier 在 7 月報告了類似的發現過去的氣候。他們也發現關閉白令海峽使他們的模型能夠更好地模擬北極加熱。

其他上新世建模者正試圖弄清楚格陵蘭島和南極洲的巨大冰原可能如何應對氣溫上升。地質證據，例如上新世的古老海灘，顯示當時的全球海平面比今天高25米。如果格陵蘭島所有的冰都融化，全球海平面將上升約六公尺；如果整個南極洲都消失了，它將貢獻約60公尺。因此，這些冰蓋的部分（但不是全部）一定是在很久以前的溫暖時期融化的。

PlioMIP2 的幾個研究小組正在模擬極地冰蓋在上新世高溫下的反應。 「它會告訴我們應該擔心到什麼程度，」奧托-布萊斯納說。

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一項新的研究表明，北部和南部冰蓋的表現可能不一致。在對上新世中晚期的模擬中，荷蘭烏得勒支大學的氣候模型師Bas de Boer及其同事發現，隨著格陵蘭島的冰融化，南極洲的冰本來可以相對穩定，反之亦然。

海伍德說：“在不同的時刻，他們可能會支持或反對海平面的故事。”他和同事們在 10 月 30 日報告了結果地球物理研究通訊。

這種不同步的融化顯示上新世是一個複雜的時期。全球氣溫很高並不代表地球上所有的冰蓋都會同等程度地融化。 （今天，格陵蘭島和西南極洲隨著全球氣溫上升，冰正在流失到海洋中.)

上新世在大約 260 萬年前結束，因為二氧化碳₂水平下降。侵蝕岩石的化學反應可能吸收了大部分二氧化碳₂離開大氣層並將其隱藏在海洋中，消除溫室氣體。地球進入長期變冷趨勢。自上新世末期以來，地球經歷了一系列的冰河時期。

但現在，溫室氣體又湧入大氣中。全球氣溫年復一年無情地上升。這使得過去的教訓對未來更加有意義。

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本文發表於 2017 年 12 月 9 日號科學新聞標題是「上新世的教訓：過去的溫暖時期為未來打開了一扇窗」。