二氧化碳升高，地球会“发烧”吗？古气候研究告诉你答案

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。

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。

研究这个问题，首先，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。在古新世至上古热时期，地球温度非常高。两极没有冰盖覆盖，海洋温度高达35 ℃左右。

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带壳单细胞生物。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。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。

研究人员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。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。

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。

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。通过研究过去的气候变化，科学家可以更好地估计地球气候对二氧化碳水平变化的敏感度。这些发现可以为了解我们的星球如何应对未来的温室气体排放提供宝贵的信息。研究过去的气候事件可以帮助我们确定地球系统可能发生快速和不可逆转变化的阈值。

参考文献：Dustin T. Harper, Bärbel Hönisch, Gabriel J. Bowen, Richard E. Zeebe, Laura L. Haynes, Donald E. Penman, James C. Zachos. Long- and short-term coupling of sea surface temperature and atmospheric CO 2 during the late Paleocene and early Eocene. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (36) DOI: 10.1073/pnas.2318779121

一、什么是古新世和始新世？

古新世和始新世都是地质年代中新生代古近纪的两个时期。这两个时期在地球历史上都发生过非常重要的气候和生物演化事件，研究这两个时期对我们理解地球气候变化和生命演化具有重要意义。

1、古新世（Paleocene）

• 时间范围： 大约6600万年前至5600万年前。
• 标志性事件： 恐龙灭绝后，哺乳动物开始迅速分化，占据了生态系统中的许多重要地位。
• 气候特点： 相对温暖湿润，但比随后的始新世略冷。

2、始新世（Eocene）

• 时间范围： 大约5600万年前至3400万年前。
• 标志性事件： 出现了许多现代哺乳动物的祖先，如灵长类、有蹄类等。气候达到新生代的最高峰，随后开始逐渐冷却。
• 气候特点： 非常温暖湿润，极地地区可能都没有冰川。

3、两者之间的区别与联系

• 时间顺序： 古新世早于始新世。
• 气候变化： 从古新世到始新世，地球气候逐渐变暖，并在始新世达到峰值。
• 生物演化： 哺乳动物在两个时期都经历了快速演化，但始新世是哺乳动物多样性迅速增加的时期。
• 重要事件： 古新世-始新世极热事件（PETM）是发生在两个时期交界处的一次全球性快速变暖事件，对地球生物圈产生了深远影响。

通过研究古新世和始新世，我们可以了解地球气候系统的变化规律， 这些时期气候变化剧烈，可以帮助我们更好地理解气候系统的敏感性和响应机制；预测未来气候变化： 研究过去的极端气候事件，可以为我们预测未来气候变化提供参考。揭示生物演化的规律： 哺乳动物在这一时期快速分化，研究这一过程有助于我们了解生物演化的机制。

二、什么是“耦合”？

在研究海表温度和大气CO2的关系时，提到“耦合”是指海表温度和大气CO2浓度之间存在相互影响的关系。也就是说，海表温度的变化会影响大气CO2的浓度，而大气CO2浓度的变化也会反过来影响海表温度。这种相互作用形成了一个复杂的反馈机制，共同驱动了地球气候的变化。

耦合，简单来说，就是两个或多个事物之间相互影响、相互作用的关系。这种关系可以是紧密的，也可以是松散的。

耦合程度直接影响系统的复杂性。耦合度高的系统往往更复杂，更难以理解和维护。耦合度高的系统，一个模块的故障可能引发连锁反应，导致整个系统崩溃。耦合度低的系统，更容易进行模块化设计，更容易扩展和维护。

三、海表温度和大气二氧化碳有什么关系？

海表温度和大气二氧化碳之间存在着非常密切的相互作用关系，这种关系可以概括为一个相互影响的“耦合”系统。

1、海表温度升高对大气二氧化碳浓度的影响

• 海洋吸收二氧化碳能力下降： 海水温度升高，二氧化碳在水中的溶解度降低，海洋吸收大气中二氧化碳的能力减弱，导致大气中二氧化碳浓度增加。
• 海洋生物活动变化： 海水温度升高会影响海洋生物的生长和代谢活动，进而影响海洋生物对碳的吸收和释放，从而间接影响大气中的二氧化碳浓度。
• 海底甲烷释放： 海水温度升高可能导致海底甲烷水合物分解，释放出大量的甲烷，甲烷在大气中氧化后会转化为二氧化碳，进一步加剧温室效应。

2、大气二氧化碳浓度升高对海表温度的影响

• 温室效应增强： 大气中二氧化碳浓度升高，增强了温室效应，导致地球表面温度升高，海表温度自然也会随之升高。
• 海洋环流变化： 大气二氧化碳浓度升高引发的全球变暖会改变海洋环流，进而影响热量的输送，导致某些海域的海表温度升高。
• 海冰融化： 海冰融化会吸收更多的太阳辐射，导致海表温度升高，同时也会改变海水的盐度和密度，进而影响海洋环流。

海表温度和大气二氧化碳之间的关系是一个复杂的系统，它们相互影响、相互作用。二者之间的这种耦合关系是导致全球气候变暖的重要原因之一。

总之，海表温度和大气二氧化碳之间的耦合关系是一个非常重要的科学问题，对我们理解地球气候系统和应对气候变化具有重要意义。了解海表温度和大气二氧化碳之间的关系，有助于我们更深入地理解气候变化的原因和机制。通过建立气候模型，模拟海表温度和大气二氧化碳之间的相互作用，可以预测未来气候变化的趋势。认识到二者之间的耦合关系，有助于我们采取更有针对性的措施，减缓气候变化。

四、大气中的二氧化碳浓度增加会对地球的气候产生什么影响？

气中的二氧化碳浓度增加会造成温室效应加强，全球变暖、海洋酸化等问题

1、温室效应加强，全球变暖

• 太阳辐射： 太阳辐射能穿透大气层到达地球表面，使地球表面升温。
• 红外辐射： 地球表面吸收太阳辐射后，重新向外辐射红外线。
• 二氧化碳的作用： 大气中的二氧化碳能够吸收地球表面辐射出的部分红外线，就像一层“温室薄膜”，将热量阻挡在大气层内，导致地球温度升高。
• 全球变暖的影响： 全球变暖会引起一系列气候变化，如海平面上升、极端天气事件增多、冰川融化等。

2、海洋酸化

• 二氧化碳溶于海洋： 大气中过多的二氧化碳会溶解到海洋中，形成碳酸。
• 海洋酸度增加： 碳酸的形成会增加海洋的酸度，影响海洋生态系统，尤其是珊瑚礁和海洋生物。
• 生态系统破坏： 海洋酸化会破坏海洋生物的钙化过程，导致珊瑚白化、贝壳类生物生长缓慢甚至死亡，从而破坏整个海洋生态系统。气候变化会改变生态系统的组成和功能，导致生物多样性丧失。

大气中二氧化碳浓度增加是导致全球气候变暖的主要原因。全球变暖会带来一系列严重的环境问题，对人类社会和生态系统造成巨大的威胁。因此，减少二氧化碳排放，减缓全球变暖，是人类面临的紧迫任务。

五、我们能从过去的极端气候事件中学习到什么？

《Long- and short-term coupling of sea surface temperature and atmospheric CO 2 during the late Paleocene and early Eocene》这篇文章，揭示了二氧化碳与温度的耦合关系， 古代气候变化过程中，大气二氧化碳浓度与海表温度之间存在密切的正相关关系；气候系统的敏感性， 古新世和始新世期间发生的快速变暖事件表明，气候系统对温室气体浓度变化非常敏感；极端气候事件的触发机制， 通过研究这些事件，我们可以深入了解触发极端气候事件的潜在机制。

这些信息对于我们理解当前全球变暖的成因和后果具有重要意义，也为我们应对气候变化提供了重要的科学依据。通过分析历史上的气候数据，我们可以认识气候系统的复杂性、了解气候变化的速度和幅度、评估气候模型的可靠性、为未来气候变化做好准备、寻找减缓气候变化的途径。

1. 认识气候系统的复杂性

• 非线性反馈： 气候系统中的各个要素之间存在复杂的相互作用，一个小小的变化可能引发连锁反应，导致气候系统的剧烈波动。
• 临界点： 气候系统中存在一些临界点，一旦越过这些临界点，气候系统可能发生不可逆转的变化。

2. 了解气候变化的速度和幅度

• 快速变暖事件： 过去的气候记录显示，地球气候系统可以在相对较短的时间内发生剧烈的变化。
• 海平面上升： 历史上的冰期和间冰期交替过程中，海平面曾发生大幅度的升降。

3. 评估气候模型的可靠性

• 模型验证： 通过将气候模型的模拟结果与历史气候数据进行对比，可以评估模型的可靠性。
• 改进模型： 基于对历史气候事件的深入理解，可以不断改进气候模型，提高其预测未来气候变化的能力。

4. 为未来气候变化做好准备

• 风险评估： 通过研究历史上的极端气候事件，我们可以评估未来可能发生的极端气候事件的类型和强度。
• 适应策略： 针对可能发生的极端气候事件，提前制定适应策略，减轻其带来的负面影响。

5. 寻找减缓气候变化的途径

• 历史经验： 历史气候数据可以为我们提供减缓气候变化的启示，例如，过去的大规模火山喷发曾导致全球气温下降。
• 政策制定： 基于对历史气候变化的深入理解，可以制定更加科学有效的减缓气候变化的政策。

总结来说，研究过去的极端气候事件，有助于我们更好地理解气候系统的运作规律，提高对未来气候变化的预测能力，并为应对气候变化挑战做好准备。

六、思考

古新世和始新世的气候事件是否具有代表性？这些事件能否为我们预测未来极端气候事件提供可靠的参考？

如何将古气候研究的成果更好地融入到气候模型中，提高模型对未来气候变化的预测能力？

海表温度与大气二氧化碳之间的反馈机制是否具有非线性特征？在不同的气候条件下，这种反馈的强度和方向是否会发生变化？

不同海域的海表温度与大气二氧化碳之间的耦合关系是否存在显着的区域差异？这种差异的成因是什么？

这种耦合关系在不同时间尺度上（如季节、年际、年代际）是否存在差异？这种差异对长期气候变化的影响如何？

除海表温度和大气二氧化碳外，还有哪些因素会影响这种耦合关系？例如，海洋环流、风场、云量等？

这些有趣的问题，就交给你来解决了~~~

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