據(jù)世界氣象組織在2024年發(fā)布的年度《溫室氣體公報(bào)》，稱2023年溫室氣體濃度創(chuàng)下新紀(jì)錄，地球在未來多年內(nèi)都將面臨氣溫上升。氣候變暖早已成為全球共同面臨的重要課題。在未來，全球氣溫還會(huì)繼續(xù)上升嗎？會(huì)給人類帶來怎樣的影響？我們又該如何應(yīng)對(duì)？一系列問題引起氣候?qū)W家們長期而深入的研究。

近期，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員丁林，通過對(duì)產(chǎn)自青藏高原的4件牡蠣化石進(jìn)行深入研究，將距今約1.3億年前——早白堊紀(jì)時(shí)期的氣候進(jìn)行重建，首次揭示了溫室地球時(shí)期海洋表層溫度的季節(jié)性波動(dòng)歷史。這一重要成果不僅深化了我們對(duì)過去地球氣候變化的理解，更為預(yù)測未來全球變暖背景下的氣候季節(jié)性變化提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

認(rèn)知更新：“溫室地球”時(shí)期的氣候到底是怎樣的？

在地球46億年的漫長歷史演變中，白堊紀(jì)（約1.45億至6600萬年前）以極高的二氧化碳濃度而聞名（約為現(xiàn)在二氧化碳濃度的2—3倍），因此也被稱為“溫室地球”時(shí)期。此前，人們常認(rèn)為那時(shí)的地球沒有永久冰蓋，赤道與極地溫差極小，熱帶雨林甚至延伸至兩極。

然而，丁林院士團(tuán)隊(duì)的最新研究卻顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知：即便是在這樣的“超級(jí)溫室”時(shí)期，地球也曾經(jīng)歷過顯著的季節(jié)波動(dòng)，甚至存在過極地冰蓋。

這些發(fā)現(xiàn)不僅重塑了我們對(duì)遠(yuǎn)古氣候的認(rèn)知，更如同一面時(shí)空之鏡，既映照出當(dāng)代氣候變化的邏輯，也為預(yù)測未來全球變暖趨勢提供了關(guān)鍵線索。

牡蠣化石——遠(yuǎn)古氣候“記錄儀”

氣候?qū)W家們運(yùn)用多種手段重建過去的氣候變化，從廣為人知的樹木年輪、石筍等氣候代用指標(biāo)，到這次我們介紹的主角——生活在淺海潮間帶的貝類牡蠣。牡蠣的外殼主要由碳酸鈣構(gòu)成，覆有以年為周期形成的生長紋層，類似樹木年輪，夏季高溫時(shí)，殼體生長較快，結(jié)構(gòu)疏松，紋路較亮，冬季低溫時(shí)，殼體生長較慢，結(jié)構(gòu)致密，紋路較暗，這些明暗相間的紋路記錄著海水溫度、鹽度、化學(xué)成分的季節(jié)性變化。因此，氣候?qū)W家們通過提取牡蠣化石外殼上的信息，能夠解讀出遠(yuǎn)古氣候密碼。

牡蠣化石

（來源：參考文獻(xiàn)[2]）

研究團(tuán)隊(duì)本次采用了碳酸鹽團(tuán)簇同位素分析法，對(duì)牡蠣的化石外殼進(jìn)行納米精度的分析。碳酸鹽團(tuán)簇同位素指的是碳酸鹽礦物中碳-13和氧-18鍵的過剩豐度，碳-13和氧-18鍵在低溫環(huán)境下更穩(wěn)定，因此其數(shù)值與形成溫度呈直接負(fù)相關(guān)，這一技術(shù)解決了傳統(tǒng)溫度重建方法受到海水成分干擾的問題，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)古海水溫度的絕對(duì)定量重建。

溫度重建結(jié)果令人震驚：南半球中緯度地區(qū)（約南緯32度—35度）的海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性波動(dòng)。

在韋瑟特暖期，暖季（南半球夏季）溫度可達(dá) 28—33.5 攝氏度，冷季（南半球冬季）降至20.1—25.7 攝氏度；在韋瑟特冷期，冷季溫度進(jìn)一步驟降至15.1攝氏度，季節(jié)溫差擴(kuò)大至15.9攝氏度，并在此溫差基礎(chǔ)上，上下波動(dòng)4.9攝氏度，與現(xiàn)代同緯度海域（如南非西海岸）的季節(jié)溫差幾乎一致。

發(fā)生在白堊紀(jì)時(shí)期的韋瑟特事件（Valanginian Weissert)是一次顯著的全球冷卻事件，以海平面下降、極地冰蓋形成和大氣二氧化碳濃度降低為主要特征，韋瑟特“暖期”和“冷期”則是這一全球冷卻事件內(nèi)部的氣候波動(dòng)階段。

簡言之，在溫室時(shí)期，全球氣溫并不是線性增加的，而是呈現(xiàn)非常顯著的季節(jié)性差異，存在明顯的氣候震蕩。

氣候變化的驅(qū)動(dòng)因素——二氧化碳濃度

那么，究竟是什么原因造成了氣候如此顯著的季節(jié)性波動(dòng)呢？研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)比化石記錄和氣候模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大氣中二氧化碳濃度是導(dǎo)致氣候波動(dòng)的核心要素。

白堊紀(jì)的韋瑟特事件期間，大氣二氧化碳濃度呈現(xiàn)顯著波動(dòng)：暖期濃度約為1120ppm（parts per million，百萬分之一，接近于現(xiàn)代水平的3倍），而在冷期則降至560 ppm（約為現(xiàn)代水平的1.5倍）。

氣候模型顯示，二氧化碳濃度高低直接調(diào)控著地球的能量平衡：在二氧化碳濃度較高時(shí)，全球大氣環(huán)流增強(qiáng)，熱帶熱量向兩極輸送效率提高，中緯度季節(jié)溫差相對(duì)縮小，但極地仍可能存在季節(jié)性海冰；而在二氧化碳濃度較低時(shí)，溫室效應(yīng)減弱，兩極冷卻顯著，中緯度地區(qū)冬季溫度驟降，形成類似現(xiàn)代的“冰—反射率”反饋機(jī)制（即地球的能量主要來自太陽輻射，相對(duì)于海洋和陸地，冰面能將太陽輻射的大部分能量反射回宇宙，因此冰面覆蓋面積越大，地球能吸收的太陽輻射能量越低，會(huì)導(dǎo)致地球氣候進(jìn)一步變冷），甚至在南極有小規(guī)模冰蓋形成。

溫室效應(yīng)和“冰-反射率反饋”示意圖

（圖源：作者使用AI制圖后重繪）

另一方面，暖期高二氧化碳濃度促進(jìn)了熱帶向極地的熱量輸送，縮小了赤道與極地的溫差；而冷期環(huán)流減弱，中緯度地區(qū)成為熱量交換的 “緩沖區(qū)”，季節(jié)溫差隨之?dāng)U大。

以古鑒今：預(yù)測未來氣候變化及影響

精確定量重建白堊紀(jì)的氣候變化，為理解當(dāng)代氣候變化提供了珍貴的參照。盡管二者的驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在差異（白堊紀(jì)的二氧化碳波動(dòng)是自然過程，現(xiàn)代二氧化碳濃度升高則可能主要由人類活動(dòng)引發(fā)），但氣候系統(tǒng)對(duì)二氧化碳濃度變化的響應(yīng)規(guī)律卻具有相似性（見下表）。

白堊紀(jì)韋瑟特冷期與現(xiàn)代氣候特征對(duì)比

（表格來源：作者制作）

在白堊紀(jì)二氧化碳濃度為560ppm時(shí)，南極出現(xiàn)季節(jié)性冰蓋，而現(xiàn)今地球二氧化碳濃度已經(jīng)到達(dá)420ppm，并且正在以數(shù)倍于白堊紀(jì)時(shí)期的速度上漲，因此我們可以預(yù)見：

當(dāng)二氧化碳濃度突破600ppm時(shí)：接近白堊紀(jì)冷期的二氧化碳濃度，全球平均氣溫上升2—3攝氏度，南極冰蓋可能進(jìn)入不可逆的消融階段（白堊紀(jì)二氧化碳濃度為560ppm時(shí)南極出現(xiàn)季節(jié)性冰蓋），海平面可能上升幾十米，沿海城市將全部被淹沒。海洋表層水酸化（pH值下降0.3），浮游生物多樣性減少40%，東亞季風(fēng)增強(qiáng)，長江流域洪澇風(fēng)險(xiǎn)增加，北美西部干旱頻率翻倍。

當(dāng)二氧化碳濃度超過1000ppm時(shí)：接近白堊紀(jì)暖期的二氧化碳濃度，全球平均氣溫上升4—6攝氏度，極地永久無冰蓋覆蓋，此時(shí)中緯度地區(qū)季節(jié)溫差維持在10—15攝氏度，并可能出現(xiàn)常態(tài)化高溫事件，如2023年歐洲夏季的48℃高溫天氣，北美的“熱穹頂”事件（是一種極端氣候現(xiàn)象，其核心特征是高層大氣熱高壓系統(tǒng)停滯，形成類似穹頂?shù)姆忾]結(jié)構(gòu)，將熱空氣困在地表，導(dǎo)致持續(xù)性異常高溫，可引發(fā)森林火災(zāi)、沿海生物大量死亡）等，屆時(shí)將會(huì)對(duì)人類生存和地球生態(tài)帶來毀滅性影響。

圖片來源：中央電視臺(tái)

生態(tài)失衡：以牡蠣生長為例，白堊紀(jì)冷期的牡蠣生長速率顯示，冬季低溫使貝類生長停滯，而夏季高溫又加速其鈣化過程，這種極端的季節(jié)性波動(dòng)造成貝類殼體結(jié)構(gòu)異常和生長受阻，進(jìn)一步導(dǎo)致對(duì)生態(tài)鏈的影響，引發(fā)連鎖反應(yīng)——珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)全面崩潰。對(duì)于現(xiàn)代生態(tài)來說，熱帶氣旋強(qiáng)度增加，亞馬遜雨林可能由于干旱退化為稀樹草原。

解析過去，思考未來

當(dāng)科學(xué)家們凝視這些上億年前的牡蠣化石，它們不僅訴說著地球氣候的滄桑變遷，更如同一部震撼人心的啟示錄。白堊紀(jì)的溫室氣候向我們揭示：二氧化碳濃度升高時(shí)，全球氣溫并非簡單地線性攀升，“無冰地球”更非氣候穩(wěn)定的代名詞。相反，那段遠(yuǎn)古歲月警示我們，季節(jié)波動(dòng)、極端氣候、生態(tài)危機(jī)等可能以更狂暴的方式爆發(fā)。

而今天，全球二氧化碳濃度正以數(shù)倍于白堊紀(jì)時(shí)期的速度增長，遠(yuǎn)超白堊紀(jì)任何時(shí)期的自然波動(dòng)速率。如果說地質(zhì)歷史是一面鏡子，那么我們此刻的選擇將決定鏡中的未來圖景：是走向一個(gè)季節(jié)失衡、冰蓋消融的“新白堊紀(jì)”，還是通過減排行動(dòng)，為地球氣候爭取一個(gè)更溫和的轉(zhuǎn)型空間？答案不言而喻。

在氣候系統(tǒng)的漫長演化中，唯有尊重自然規(guī)律，才能在演變中存續(xù)。地球只有一個(gè)，我們需要及時(shí)審視、調(diào)整并努力維護(hù)我們與地球的關(guān)系，認(rèn)真做出每一個(gè)看似微小卻舉足輕重的選擇，才能與之共生共榮。

參考文獻(xiàn)：

[1]P. J. Valdes, C. R. Scotese, D. J. Lunt, et al. Deep ocean temperatures through time. Clim. Past 17, 1483–1506 (2021).

[2]He S, Wang T, Spicer RA et al., Back to an ice-free future: Early Cretaceous seasonal cycles of sea surface temperature and glacier ice. Sci. Adv, 11, eadr9417(2025).

出品：科普中國

作者：臧銅鋼（古氣候?qū)W碩士）

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