上新世能给我们带来什么关于未来地球变暖的启示

想象一下这样一个世界：极地冰盖融化，海平面上升，大气中充满约 400 ppm 的二氧化碳。听起来很熟悉？确实如此。我们正在经历它。但这一描述也与地球 300 多万年前的情况相符，当时正处于被称为上新世的地质时代中期。

为了了解地球在全球气温升高时会如何反应，科学家们正在研究过去的温暖时期。这些时期包括白垩纪的潮湿世界，例如大约 9000 万年前，以及古新世和始新世的交界时期，大约 5600 万年前。

但对许多研究人员来说，当今变暖的最佳参考是最近的上新世，持续了 530 万年至 260 万年前。上新世中期是大气中最后一次出现 CO₂水平与今天相似，捕获热量并使全球气温升高到地球现在的水平以上。

新的研究揭示了地球对上新世变暖的反应。一组科学家已经在整个北极地区展开调查，收集地质线索，以了解那里的温度可能比现在高出 19 摄氏度。变暖使树木向北蔓延，形成了北极森林，三趾马、巨型骆驼和其他动物在那里漫游。当闪电击中时，野火肆虐整个地区，向空中喷洒烟尘，改变了该地区的气候。

其他研究人员正在推动气候建模的前沿，模拟上新世气温飙升时海洋、大气和陆地的反应。一项新研究表明，气温可能引发海洋环流的巨大变化，在太平洋形成巨大的翻转洋流，类似于今天大西洋中驱动天气和气候的“传送带”。第二篇新论文指出，格陵兰岛和南极冰盖可能对上新世的热量有不同的反应，融化时间不同。

所有这些关于上一次大暖期的研究都在帮助科学家更深入地思考未来可能如何发展。这也许不是未来 100 年的路线图，但上新世可以大致预测数百至数千年后可能出现的高海平面、冰川消失和天气模式改变。

剑桥大学古海洋学家 Heather Ford 表示：“这是一个了解温暖气候如何运作的案例研究。这是我们对未来气候变化最接近的类比。”

走过历史

梳理上新世的历史有点像挖掘一个家族的过去。一群爱好者查阅家谱记录，收集谁在哪里生活、何时生活的数据。另一组人使用计算机软件和建模来寻找描述家族如何随时间成长和迁徙的广泛模式。

数据侦探们的工作始于散布在世界各地的上新世岩石和沉积物，就像城市图书馆档案中的家谱历史一样。1988 年，美国地质调查局启动了一个名为 PRISM 的项目用于上新世研究、解释和综合测绘，旨在收集尽可能多的有关上新世环境的地质线索。

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PRISM 计划最初专注于从北大西洋海底钻取的一系列深海岩心。不同类型的海洋生物在不同温度的水中生存。通过比较深海岩心保存的微生物物种相对丰度，PRISM 计划的科学家可以粗略地绘制出在过去不同时期嗜冷生物如何让位于嗜热生物（反之亦然）。项目早期成果1992 年美国地质调查局研究地质学家 Harry Dowsett 及其同事报告称，上新世期间，北大西洋高纬度地区的变暖现象加剧。

科学家们继续补充 PRISM 记录。一个国际团队从西伯利亚湖泊下方钻取了一个沉积物岩心，发现那里的夏季气温在中新世高达 15°C（约 59°F）。这是比今天高 8 度（SN：6/15/13，第 13 页)。其他研究人员发现了一些线索，例如泥炭沼泽中的植物化石，表明加拿大格陵兰岛附近现已冻结的埃尔斯米尔岛的年平均气温比今天高出 18 度（SN：4/6/13，第 9 页）。

现在，一群新的生物学家、地质学家和其他研究过去景观的专家联合起来一个名为“PoLAR-FIT”的项目，为《上新世景观和北极遗迹——冻结的时间》撰写论文。该团队之所以专注于北极，是因为正如今天的北极变暖速度比地球上其他地区更快一样，上新世北极的变暖速度也比全球其他地区更快。“这就是我们所说的极地放大，”团队成员、米苏拉蒙大拿大学古生态学家塔玛拉·弗莱彻 (Tamara Fletcher) 说。“上新世的放大程度甚至比我们今天看到的还要大。”

PoLAR-FIT 科学家前往北极收集该地区如何应对上新世气温上升的地质证据。例如，在埃尔斯米尔岛融化的永久冻土坡上，弗莱彻和同事们绘制了可追溯到上新世的沉积物中的黑色木炭层。每一层木炭都代表着一场烧毁古老森林的火灾。通过追踪埃尔斯米尔岛和其他附近岛屿的事件，弗莱彻的团队发现火势蔓延穿越现在的加拿大北极地区。

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野火改变了整个地貌的植被，可能改变了北极对气温升高的反应。大火中升起的烟尘会使天空变暗，可能导致当地或区域气候变化。“这对变暖有多重要？”科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的古气候学家贝特·奥托-布利斯纳问道。“这是我们仍在努力确定的事情。”弗莱彻、奥托-布利斯纳和同事在 10 月于西雅图举行的美国地质学会会议上描述了木炭的发现以及火灾影响的建模研究。

2012 年，约283,280 平方公里森林被烧毁俄罗斯。三年后，阿拉斯加有超过 20,230 平方公里被烧毁。去年夏天，发生山火在格陵兰岛西部的冰雪覆盖的土地上。“我们已经在北极看到了火，这在今天是不寻常的，”弗莱彻说。“但在上新世，这并不罕见。”

虽然这项研究没有预测随着气温升高北极将有多少地区被烧毁，但研究结果确实表明人们需要为未来更多的火灾做好准备。

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滞留的海洋热量

像弗莱彻这样的科学家是上新世的谱系学家，他们收集过去环境的记录。其他研究人员——计算机建模者——将这些旧记录放在更广阔的背景中，就像历史学家分析家谱以了解迁徙和变化的模式一样。

建模者首先从上新世温度数据开始，例如埃尔斯米尔岛或北大西洋的温度，这是通过植物化石或海底沉积物揭示的。科学家还可以估算出二氧化碳的含量₂通过观察上新世植物化石叶子上的孔洞密度等线索，可以了解当时大气中的情况，这些植物利用这些孔洞吸收二氧化碳₂. 估计各不相同，但大多数认为 CO₂在中上新世，其含量约为 350 至 450 ppm。

目前尚不清楚是什么原因导致了上新世时期的气体聚集；一种可能性是它来自陆地、海洋和大气之间碳循环方式的长期变化。但无论来源如何，高浓度的二氧化碳₂通过将热量困在大气中导致气温飙升。

上新世并不是今天的完美水晶球。首先，科学家知道为什么二氧化碳₂水平正在上升——化石燃料燃烧和其他人类活动（SN：5/30/15，第 15 页）随着工业革命的蓬勃发展，在 19 世纪，大气中的 CO₂当时的水平约为 280 ppm。如今，这一水平略高于 400 ppm，并且还在上升。

模拟上新世气候有助于揭示地球在类似条件下的反应。这意味着研究上新世大气、陆地表面以及吸收了大部分全球变暖的海洋的变化。“这是你可以通过研究过去的变暖事件来了解的事情，”福特说。“热量和碳在海洋中的移动方式有什么不同？”

福特已经开始与弗吉尼亚州费尔法克斯市乔治梅森大学的气候学家娜塔莉·伯尔斯合作，试图追踪上新世期间海洋主要水团是如何移动的。如今，北大西洋有一层深而冷的咸水层，这对海洋的“传送带”环流至关重要。在这种模式下，温暖的海水从热带向北流动，然后冷却，在到达高纬度地区时变得更咸、更稠密。冷水下沉并向南流动，在那里变暖、上升，然后重新开始循环。

这种传送带环流对今天的大西洋气候很重要，因为它使温暖的墨西哥湾流能够调节从美国东海岸到西欧的温度。伯尔斯和同事们现在发现，类似的模式可能存在于上新世的太平洋他们把它称为太平洋经向翻转环流，简称 PMOC，就像今天类似的大西洋环流被称为 AMOC 一样。

Burls 的团队通过模拟上新世海洋对高温的反应发现了这一现象。由于北极非常温暖，赤道与中高纬度地区之间的温差并不像今天这么大。温度梯度减弱意味着中纬度北太平洋降雨减少，蒸发增加。因此，其上层水域的盐度会更高。

当北太平洋海水变得足够咸时，它们就会冷却并下沉，形成一股巨大的洋流，这股洋流深入俄罗斯东北部海岸，并向南流动，直到海水变暖到足以再次上升到海面。现实世界的数据支持这一说法：深海太平洋沉积物中碳酸钙的积累表明，上新世海洋当时经历了巨大的转变，海水从海面一直翻腾到大约三公里深，就像传送带式环流所预期的那样。该团队在《科学》杂志上报告了这一发现科学进步在九月。

伯尔斯说，上新世太平洋发生的事或许能说明遥远未来的太平洋。随着当今气温的上升，大部分热量都被海洋表层吸收。短期内，这可以防止深海环流发生变化。“今天我们正迅速开启加热系统，深海需要一段时间才能适应，”伯尔斯说。

但从长远来看，数千年后，北太平洋的海水最终可能会变得足够温暖和咸度，从而形成 PMOC，就像上新世的情况一样。这可能会导致全球天气和气候模式发生重大变化。

陆桥和冰盖

其他建模者则将目光投向太平洋以外的地区，以加深对上新世世界不同地区行为的理解。最近，大约有十几个研究小组启动了一项名为 PlioMIP2 的新尝试，即上新世模型比较项目第二阶段，旨在模拟与今天有些相似的中上新世时期的气候，大约 320.5 万年前。

“我们正在努力尽可能真实地描绘出当时的生活状况，”英国利兹大学气候模型专家、该项目负责人艾伦·海伍德 (Alan Haywood) 说道。

在一项发现中，项目科学家发现，他们模拟的世界地理环境的微小变化会大大改善最终结果。早期的模型无法准确捕捉极地地区的升温程度。因此，PlioMIP2 研究人员更新了他们的起始条件。该小组没有假设上新世世界的陆地与今天完全相同，而是在北极地区进行了两项看似合理的小改变。研究人员通过关闭白令海峡在俄罗斯和阿拉斯加之间架起了一座陆桥，并增加了陆地以连接加拿大北极地区的几个现代岛屿，包括埃尔斯米尔岛。

奥托-布利斯纳表示，这种变化“看似微不足道，但实际上会对气候产生巨大影响”。例如，关闭白令海峡会切断一条水流，让来自太平洋的淡水流经北极并流入北大西洋。有了更新的地理环境，PlioMIP2 模型突然在模拟北极高地的热量方面做得更好了。

奥托-布利斯纳将于本月在新奥尔良举行的美国地球物理联合会会议上介绍该团队的研究结果。另一个 PlioMIP2 团队，多伦多大学的 Deepak Chandan 和 Richard Peltier 于 7 月报告了类似的发现过去的气候。他们也发现，关闭白令海峡使他们的模型能够更好地模拟北极变暖。

其他上新世建模者正在试图弄清楚地球上格陵兰岛和南极洲的巨大冰盖如何应对气温上升。地质证据表明，例如上新世的古老海滩，当时全球海平面比现在高出 25 米。如果格陵兰岛的冰全部融化，全球海平面将上升约 6 米；如果整个南极洲都融化，海平面将上升约 60 米。因此，这些冰盖的一部分（但不是全部）必定在很久以前的温暖时期融化了。

PlioMIP2 的几个研究小组正在模拟极地冰盖在上新世高温下的反应。“这将告诉我们应该有多担心，”Otto-Bliesner 说。

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一项新研究表明，北部和南部冰盖的行为可能彼此不同步。在对中新世至晚新世的模拟中，荷兰乌得勒支大学的气候建模师巴斯·德·波尔和同事发现，随着格陵兰岛的冰融化，南极洲的冰可能相对稳定，反之亦然。

海伍德说：“在不同的时间点，它们可能对海平面上升有贡献，也可能有负面影响。”他和同事在 10 月 30 日的《科学》杂志上报告了这一结果。地球物理研究快报。

这种不同步的融化表明上新世是一个复杂的时期。全球气温高并不意味着地球上所有的冰盖都融化了。（今天，格陵兰岛和西南极洲随着全球气温上升，冰层正在流失到海洋。

大约 260 万年前，上新世结束，因为 CO₂水平下降。与侵蚀岩石的化学反应可能吸收了大部分二氧化碳₂大气中的二氧化碳被排放到海洋中，从而消除了温室气体。地球进入了长期的降温趋势。自上新世末期以来，地球经历了一系列冰河时期。

但现在，温室气体再次涌入大气层。全球气温年复一年无情地上升。这使得过去的教训对未来更加重要。

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本文刊登于 2017 年 12 月 9 日的《科学新闻标题为“上新世的教训：过去的温暖时期为未来提供了一扇窗户。”