微观化石贝壳揭示古代气候变化模式

Josiah01

在古新世末期和始新世初期，即距今 5900 万至 5100 万年前，地球经历了剧烈的变暖期，既有持续数百万年的渐进期，也有被称为超热期的突然变暖事件。
导致全球气温升高的原因是二氧化碳（CO 2）和其他温室气体的大量排放，但地质构造活动等其他因素也可能起了作用。
犹他大学地球科学家领导的新研究将这一时期的海面温度与大气 CO 2水平进行了对比，表明两者密切相关。随着我们继续以地球历史上前所未有的规模向大气排放温室气体，这些发现还提供了案例研究，以测试碳循环反馈机制和敏感性，这对于预测人类活动引起的气候变化至关重要。
该研究发表在美国科学院院刊上。
“我们对这些全球碳排放事件感兴趣的主要原因是因为它们可以为未来的变化提供类比，”主要作者、地质和地球物理系博士后研究员达斯汀·哈珀 (Dustin Harper) 表示。“我们确实没有一个具有完全相同背景条件和碳排放率的完美模拟事件。”
但周一发表的研究表明，两个古代“热极大期”期间的排放与今天的人为气候变化足够相似，可以帮助科学家预测其后果。
研究小组分析了从太平洋海底高原钻取的岩芯中回收的微观化石，以描述这些有壳生物生存时的海洋表面化学特征。他们使用复杂的统计模型，重建了 600 万年期间的海面温度和大气 CO 2水平，这涵盖了两次极热期，即 5600 万年前的古新世-始新世极热期 (PETM) 和 5400 万年前的始新世极热期 2 (ETM-2)。
研究结果表明，随着大气中二氧化碳浓度的上升，全球气温也在上升。
犹他州大学地质学和地球物理学教授、报告合著者加布里埃尔·鲍恩说：“我们的地球和大气受到二氧化碳影响的方式有多种，但在每种情况下，无论二氧化碳的来源是什么，我们都会看到对气候系统造成类似的影响。”
“我们感兴趣的是气候系统对二氧化碳变化的敏感程度。我们在这项研究中发现，当我们观察这些长期变化时，会发现存在一些差异，可能敏感度会略低一些，与给定量的二氧化碳变化相关的变暖程度会降低。但总体而言，我们看到了一系列常见的气候敏感度，”鲍恩说。
如今，与化石燃料相关的人类活动释放的碳比古代极热事件中释放的速度快 4 到 10 倍。然而，古代事件中释放的碳总量与人类排放量的预测范围相似，这可能让研究人员得以一窥我们和子孙后代可能面临什么样的后果。
首先，科学家必须确定5000多万年前全球变暖时期气候和海洋发生了什么变化。
“这些事件可能代表了中等到最坏情况的案例研究，”哈珀说。“我们可以调查它们，以回答碳排放会导致什么样的环境变化？”
在古新世至上古热时期，地球非常温暖。两极没有冰盖覆盖，海洋温度高达华氏 90 多度。
为了确定海洋中的二氧化碳含量，研究人员开始研究有孔虫化石残骸，有孔虫是一种类似浮游生物的有壳单细胞生物。研究小组根据国际海洋探索计划先前在太平洋两个地点提取的岩心开展了这项研究。
哈珀表示，有孔虫壳中积累了少量的硼，其同位素可以替代有孔虫壳形成时海洋中的二氧化碳浓度。
“我们测量了贝壳的硼化学成分，并能够利用现代观测结果将这些值转化为过去的海水条件。我们可以得到海水中的二氧化碳，并将其转化为大气中的二氧化碳， ”哈珀说。“目标研究间隔的目标是为 PETM 和 ETM-2 建立一些新的二氧化碳和温度记录，这代表了现代变化的两个最佳类比，同时也提供了对气候系统的长期背景评估，以便更好地理解这些事件的背景。”
哈珀研究的岩心取自亚热带北太平洋的沙茨基海隆，这里是回收反映远古状况的海底沉积物的理想地点。
碳酸盐壳如果沉入深海就会溶解，因此科学家必须寻找像沙茨基海隆这样的水下高原，那里的水深相对较浅。数百万年前，当那里的居民还活着时，有孔虫壳记录着海面状况。
“然后它们死亡并沉入海底，沉积在大约两公里深的水下，”哈珀说。“我们能够检索到死亡化石的完整序列。在海洋中部的这些地方，来自大陆的沉积物供应并不多，所以主要就是这些化石，仅此而已。这为我们想要做的事情提供了一个非常好的档案。”