據世界氣象組織在2024年發布的年度《溫室氣體公報》，稱2023年溫室氣體濃度創下新紀錄，地球在未來多年內都將面臨氣溫上升。氣候變暖早已成為全球共同面臨的重要課題。在未來，全球氣溫還會繼續上升嗎？會給人類帶來怎樣的影響？我們又該如何應對？一系列問題引起氣候學家們長期而深入的研究。

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

認知更新：“溫室地球”時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（約1.45億至6600萬年前）以極高的二氧化碳濃度而聞名（約為現在二氧化碳濃度的2—3倍），因此也被稱為“溫室地球”時期。此前，人們常認為那時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，丁林院士團隊的最新研究卻顛覆了傳統認知：即便是在這樣的“超級溫室”時期，地球也曾經歷過顯著的季節波動，甚至存在過極地冰蓋。

這些發現不僅重塑了我們對遠古氣候的認知，更如同一面時空之鏡，既映照出當代氣候變化的邏輯，也為預測未來全球變暖趨勢提供了關鍵線索。

牡蠣化石——遠古氣候“記錄儀”

氣候學家們運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，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，殼體生長較快，結構疏松，紋路較亮，冬季低溫時，殼體生長較慢，結構致密，紋路較暗，這些明暗相間的紋路記錄著海水溫度、鹽度、化學成分的季節性變化。因此，氣候學家們通過提取牡蠣化石外殼上的信息，能夠解讀出遠古氣候密碼。

牡蠣化石

（來源：參考文獻[2]）

研究團隊本次采用了碳酸鹽團簇同位素分析法，對牡蠣的化石外殼進行納米精度的分析。碳酸鹽團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鍵在低溫環境下更穩定，因此其數值與形成溫度呈直接負相關，這一技術解決了傳統溫度重建方法受到海水成分干擾的問題，首次實現了對遠古海水溫度的絕對定量重建。

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

在韋瑟特暖期，暖季（南半球夏季）溫度可達 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，冷季溫度進一步驟降至15.1攝氏度，季節溫差擴大至15.9攝氏度，并在此溫差基礎上，上下波動4.9攝氏度，與現代同緯度海域（如南非西海岸）的季節溫差幾乎一致。

發生在白堊紀時期的韋瑟特事件（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部的氣候波動階段。

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

氣候變化的驅動因素——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性波動呢？研究團隊通過對比化石記錄和氣候模擬的結果，發現大氣中二氧化碳濃度是導致氣候波動的核心要素。

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

氣候模型顯示，二氧化碳濃度高低直接調控著地球的能量平衡：在二氧化碳濃度較高時，全球大氣環流增強，熱帶熱量向兩極輸送效率提高，中緯度季節溫差相對縮小，但極地仍可能存在季節性海冰；而在二氧化碳濃度較低時，溫室效應減弱，兩極冷卻顯著，中緯度地區冬季溫度驟降，形成類似現代的“冰—反射率”反饋機制（即地球的能量主要來自太陽輻射，相對于海洋和陸地，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，會導致地球氣候進一步變冷），甚至在南極有小規模冰蓋形成。

溫室效應和“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；而冷期環流減弱，中緯度地區成為熱量交換的 “緩沖區”，季節溫差隨之擴大。

以古鑒今：預測未來氣候變化及影響

精確定量重建白堊紀的氣候變化，為理解當代氣候變化提供了珍貴的參照。盡管二者的驅動機制存在差異（白堊紀的二氧化碳波動是自然過程，現代二氧化碳濃度升高則可能主要由人類活動引發），但氣候系統對二氧化碳濃度變化的響應規律卻具有相似性（見下表）。

白堊紀韋瑟特冷期與現代氣候特征對比

（表格來源：作者制作）

在白堊紀二氧化碳濃度為560ppm時，南極出現季節性冰蓋，而現今地球二氧化碳濃度已經到達420ppm，并且正在以數倍于白堊紀時期的速度上漲，因此我們可以預見：

當二氧化碳濃度突破600ppm時：接近白堊紀冷期的二氧化碳濃度，全球平均氣溫上升2—3攝氏度，南極冰蓋可能進入不可逆的消融階段（白堊紀二氧化碳濃度為560ppm時南極出現季節性冰蓋），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%，東亞季風增強，長江流域洪澇風險增加，北美西部干旱頻率翻倍。

當二氧化碳濃度超過1000ppm時：接近白堊紀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，此時中緯度地區季節溫差維持在10—15攝氏度，并可能出現常態化高溫事件，如2023年歐洲夏季的48℃高溫天氣，北美的“熱穹頂”事件（是一種極端氣候現象，其核心特征是高層大氣熱高壓系統停滯，形成類似穹頂的封閉結構，將熱空氣困在地表，導致持續性異常高溫，可引發森林火災、沿海生物大量死亡）等，屆時將會對人類生存和地球生態帶來毀滅性影響。

圖片來源：中央電視臺

生態失衡：以牡蠣生長為例，白堊紀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，這種極端的季節性波動造成貝類殼體結構異常和生長受阻，進一步導致對生態鏈的影響，引發連鎖反應——珊瑚礁生態系統全面崩潰。對于現代生態來說，熱帶氣旋強度增加，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

當科學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。白堊紀的溫室氣候向我們揭示：二氧化碳濃度升高時，全球氣溫并非簡單地線性攀升，“無冰地球”更非氣候穩定的代名詞。相反，那段遠古歲月警示我們，季節波動、極端氣候、生態危機等可能以更狂暴的方式爆發。

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

在氣候系統的漫長演化中，唯有尊重自然規律，才能在演變中存續。地球只有一個，我們需要及時審視、調整并努力維護我們與地球的關系，認真做出每一個看似微小卻舉足輕重的選擇，才能與之共生共榮。

參考文獻：

[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（古氣候學碩士）

監制：中國科普博覽