最長冰期

約3.7億年前的晚泥盆紀，地球逐漸進入了晚古生代大冰期。這一冰期延續至約2.6億年前的二疊紀，是地球歷史上持續時間最長且有可能最劇烈的冰期。在這次冰期的巔峰時期，巨大的大陸冰蓋覆蓋了全球大部分地區，海平面下降超過100米。

這一冰期的開啟與結束標志著地球歷史上最顯著的氣候轉變之一，也是生命和環境演化的關鍵轉折點。這一時期對古生代末期的兩個重要階段產生了深遠影響：在冰期期間的石炭紀，形成了充滿巨型昆蟲的標志性“煤炭森林”；也為爬行動物在隨后的二疊紀的崛起鋪平了道路。

這一重大氣候轉變的關鍵驅動力被認為很可能是大氣中二氧化碳（CO?）濃度的變化。CO?濃度的變化在氣候冷暖交替中扮演了重要角色。盡管CO?在現代氣候變化中的作用已經被廣泛研究，但其在地質歷史的大部分時間的具體作用一直被“鎖在巖石中”，限制了我們對地球氣候變化機制的全面理解。

最近，一項發表在《自然·地球科學》的研究首次證明，CO?在這一冰期的形成與消退中扮演了核心角色。研究顯示，CO?一直是地球氣候和環境條件的調控者，對冰期的形成和終結具有決定性影響。

解鎖CO?的關鍵作用

大氣中的CO?是地球上最重要的溫室氣體。它能夠吸收熱量并將其中大部分輻射回地球，因此，當大氣中的CO?濃度上升時，地球的氣候就會隨之變暖。

然而，長期以來，晚古生代大冰期在氣候研究中一直存在許多謎團。在過去的研究中，對這一時期大氣中CO?濃度的估算值差異巨大，不同溫度重建模型的結果甚至可能相差20°C。

此外，傳統的通過冰川沉積物來追蹤冰期的方法，也因地質記錄的不完整性而存在偏差，難以準確重建氣候變化的細節。在試圖整合這些碎片化的信息時，往往會出現矛盾，例如，峰值冰期條件會與高CO?水平同時出現的現象。

新研究采用了新穎的地質化學分析方法，首次提供了一份覆蓋8000萬年的CO?濃度記錄，詳細追蹤了晚古生代大冰期的形成和消退過程。研究團隊利用儲存在腕足動物化石貝殼中的化學指紋（如硼同位素）來重建遠古時期的大氣CO?水平。

腕足動物化石。（圖/Ruben Marchesi）

腕足動物是一類古老的蛤樣生物，至今仍棲息在海洋中，其化石廣泛分布于不同地質時期，為揭示地球氣候和環境的演變提供了獨特的線索。

研究發現，在晚古生代的部分時間內，地球大氣中的CO?濃度相對較低（約330ppm），并在約2.98億年前的石炭紀與二疊紀交界處降至最低值（約200ppm）。這在地球歷史上是前所未有的。這種極低的CO?濃度，加上更年輕時期的太陽所輻射的熱量較低，導致了強烈的“冰窖”效應，使冰蓋一度擴展至地球的中緯度地區。

更令人意外的是，這項研究還揭示了冰窖時期的迅速終結。此前科學家普遍認為晚古生代大冰期是逐漸消退的，但這項研究表明，這一冰期在大約2.94億年前由于大規模火山活動而迅速結束。火山活動導致大氣CO?濃度在地質時間尺度上急劇上升（以地質時間尺度計算），地球隨之變得更加溫暖和干燥。

深遠影響

盡管過去幾十年科學家在重建地球近代（尤其是過去6000萬年）的CO?水平方面取得了顯著進展，但從巖石記錄中重建CO?水平仍被視為一大挑戰。

新研究所采用的創新方法突破了這一瓶頸，不僅為古生代大冰期的研究提供了貫穿始終的時間線，還證明了CO?水平是驅動遠古氣候變化的核心因素。這一突破為揭示地球早期氣候的復雜歷史提供了一把關鍵鑰匙。

精準掌握過去的CO?濃度及其變化，不僅是理解地球系統運行機制的基礎，也對探索CO?如何影響地球系統的方方面面至關重要。彌補現存的知識空白并不斷完善相關記錄，是深入探索CO?對地球氣候及其宜居性影響（無論是過去、現在還是未來）的關鍵所在。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41561-024-01610-2

https://news.st-andrews.ac.uk/archive/scientists-unlock-secrets-of-earths-climate-past/

https://theconversation.com/carbon-dioxide-has-been-regulating-earths-climate-for-hundreds-of-millions-of-years-new-study-246712

#圖片來源：

封面圖&首圖：David Adam Iurino (University of Milano) & Jurikova et al.