二氧化碳升高会使地球温度升高多少度？5600万年前古气候的警示

地球历史上曾经历过多次剧烈的气候变化事件，其中距今约5600万年前的古新世-始新世极热事件（PETM）是最引人注目的一次全球变暖事件，这一时期全球地表温度在短时间内上升了5-8°C，深海温度上升了4-6°C，导致大量生物灭绝和生态系统重组，而且，这一事件与当前引起的气候变化有着惊人的相似之处，都是由大气中温室气体浓度急剧升高驱动的。

近日，美国国家科学院院刊上的一项研究，通过分析太平洋深海沉积物中的微体化石化学组成，精确量化了这一事件中大气CO₂浓度与海表温度的关系，揭示了地球气候系统对温室气体增加的响应机制，为预测当前人类活动导致的气候变化提供了重要参考。

古新世-始新世是地球历史上一个异常温暖的时期，是新生代最温暖的时期之一。在这段长期变暖背景下，还发生了多次极热事件的短期全球变暖事件，这些事件持续时间相对较短，但温度上升幅度显著。其中约5600万年前PETM事件和约5400万年前ETM-2事件是规模最大、研究最充分的两个事件。

研究团队通过分析太平洋深海钻探计划（ODP）1209和1210站位的沉积物岩芯，获取了距今5900万年至5300万年间的高分辨率气候记录，这些沉积物中保存的浮游有孔虫壳体包含了珍贵的地球化学信息，特别是硼同位素（δ¹¹B）和镁钙比值（Mg/Ca），能够准确反映当时的海水pH值和温度变化。

为了重建远古气候，研究采用了多指标贝叶斯分层模型，这种方法同时考虑了浮游有孔虫的三种地球化学指标：镁钙比、硼同位素碳氧同位素。通过建立这些指标与环境参数之间的数学关系，能够更准确地反演过去的气候状况。

镁钙比（Mg/Ca）这个比值会随着水温升高而增加，是重建古温度的可靠指标。硼同位素（δ¹¹B）能够反映海水pH值变化，进而推算出大气CO₂浓度。碳氧同位素（δ¹³C和δ¹⁸O）提供关于碳循环和温度的信息。

模型通过整合不同分辨率、不同敏感性的多种代用指标，同时量化所有已知的不确定性，能大大提高了古气候重建的可靠性，使科学家首次能够区分长期气候趋势与短期极端事件的差异。

研究通过分析这些微体化石，研究团队获得了两个重要发现，一个是PETM期间大气CO₂浓度从约1185ppm急剧上升到2473ppm，增加了约1倍，不过，这种急剧上升CO₂是从哪来的呢？为什么会出现这么多CO₂？是火山喷发导致或者是天然气水合物释放吗？纯火山喷发CO₂的δ¹³C值相对较高，约-6‰（相对PDB基准值），甲烷水合物的δ¹³C值极低，约-60‰。

研究团队分析了碳同位素组成（δ¹³C）发现，PETM期间释放的碳具有约-35‰的δ¹³C值，与这两者均不完全相符，可能是火山喷发和天然气水合物释放混合原因。

研究认为，最可能的解释是北大西洋火成岩的火山活动，当炽热的岩浆侵入富含有机质的沉积岩层时，会释放大量甲烷和CO₂，研究估算PETM期间共释放了约5800亿吨碳，这与IPCC预测的最坏排放情景SSP3-7.0的排放量相当。

图：记录的汇编🔽

晚古新世和早始新世沙茨基海隆（ODP 1209 和 1210 站）、鲸湾海脊（ODP 1262、1263 和 1265 站）和印度洋（ODP 758 站和 IODP U1443 站）替代记录的汇编。混合层浮游有孔虫 δ 11 B（本研究；6、7）和Anagnostou 等人在 53.2 Ma 前坦桑尼亚钻探项目 (TDP) 35-1 站 Acarinina solved δ 11 B ( 8 ) ( A ) 。整体碳酸盐δ 13 C（本研究；9 ) ( B )。插图显示了 55 Ma 前的古地理（10）和站点位置（C）。混合层浮游有孔虫 Mg/Ca（本研究；6、11）（D）。（*）表示印度洋 Mg/Ca 汇编包括Morozovella velascoensis和Morozovella subbotinae ，它们具有等效的Mg/Ca-温度响应（12）。δ 18 O 底栖（13、14）和浮游（本研究；6、11、15）汇编（ E ） 。气候事件以黄色阴影条突出显示。

而气候敏感性是研究的重点，研究发现温度对CO₂倍增的响应随观测时间尺度而变化。长期变暖趋势与短期极热事件的碳来源有所不同，长期变暖可能与构造活动导致的风化作用减弱有关，而短期极热事件则更可能是碳循环正反馈的结果。这种差异说明，在地质时间尺度上，地球系统负反馈机制如硅酸盐风化、有机碳埋藏会逐渐抵消部分温室效应。

在PETM这样的短期几千年尺度事件中，赤道太平洋地区的气候敏感性为5.3°C/CO₂倍增，大气CO₂浓度从1185 ppm增至2473 ppm；而在长达600万年的古新世-始新世长期变暖中，敏感性降至3.5°C/CO₂倍增。

此外，PETM短期碳释放量估计约5800亿吨碳，与IPCC第六次评估报告中的SSP3-7.0排放前景相当，对现在人类活动引起的变化而言，PETM这样的短期敏感性更具参考价值，因为工业革命以来的变暖仅发生在几百年内，远快于地质时间尺度上的调节过程。但当前大气CO₂浓度上升速率比PETM期间快了约10倍，这种前所未有的变化速度可能使生态系统面临更严峻的适应挑战。

图：气候敏感性图🔽

区域低纬度至中纬度太平洋气候敏感度，包括晚古新世至早始新世 (LPEE；灰色；中位数 = 3.5 °C)、古新世-始新世极热事件 (PETM；红色分布，中位数 = 5.3 °C) 和始新世极热事件 2 (ETM-2；蓝色，中位数 = 5.1 °C)，来自事件前和峰值事件正向代理系统模型太平洋 SST 和 CO 2的后验分布。 (*) 红色虚线分布和中位数 (5.7 °C) 表示使用我们的 CO 2重建和 Tierney 等人 ( 56 ) 的全球平均地表温度 (GMST) 计算的 PETM 地球系统敏感度 (ESS)。 ( † ) Tierney 等人 ( 56 )的中值 PETM ESS （红色虚线为 6.5 °C）。

❓思考题：百万年尺度的长期气候敏感性比短期极热事件的气候敏感性如何？

A.更高
B.更低
C.相同
D.无法比较

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