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摘要：
地質歷史時期，全球氣候出現過比現今更加溫暖的時候，也出現過更加寒冷的時候。如果說氣候變化就是全球平均溫度的上升和下降，那麼我們從何得知現代全球氣候變暖是正常的還是異常的呢？地質學家如何知道過去的氣候，尤其是人類歷史記錄之前的氣候是什麼樣的呢？ 根據百年尺度的氣候記錄工具——鑽孔、以及千年尺度的工具——樹輪的重建結果表明，全球氣候在中世紀暖期之後的大約400年間經歷了一次降溫，但是在1910年以來的一個世紀經歷了明顯的升溫，全球平均溫度升高了1～1.5℃。對於更長時間尺度的氣候記錄，目前只能透過冰芯、有孔蟲化石氧同位素、植物氣孔密度和海洋藻類碳同位素等載體，透過恢復大氣二氧化碳或甲烷濃度，來間接恢復地質歷史時期的全球氣候。南極冰芯的研究結果顯示在過去80萬年中，間冰期大氣二氧化碳的平均濃度為265ppm、甲烷的平均濃度為630ppb，而透過正常氣候演化達到現今二氧化碳濃度的機率是1/(5×10
32)，達到現今甲烷濃度的機率是1/(1×10197
)。這一結果表明人類排放的溫室氣體正在將地球推向異常氣候狀態，至少這種狀態在80萬年的尺度上是異常的。此外，從已有的地質記錄來看，現今全球變暖的速率及程度都是非常反常的。地質歷史時期，全球氣候的變化從沒有像近一個世紀以來如此劇烈，除非發生災難性地質事件，如流星撞擊，火山噴發等。因此，我們有必要也有義務採取行動來減緩全球變暖的速度。
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01 全球變暖是證據確鑿的
目前有眾多證據都表明全球氣溫正在升高，並且對我們的生存環境產生了很多影響。包括冰川消融、兩極冰蓋範圍縮小、海平面上升、極端天氣事件增加、山火更加頻繁、物種滅絕速度增加等等。2021年有兩份關於全球氣候變化的報告於8月出版。其中一份是聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告。另一份是中國國家氣候中心的報告，主要記錄的是中國的氣候資料。第一張圖展示的是全球1850年以來的氣溫變化，在1910年之前，雖然全球氣溫有升有降，但總體保持平穩，在這之後全球氣溫整體呈現上升趨勢（圖1a）。第二張圖是中國1900年以來的氣溫變化，我們看到了同樣的記錄（圖1b）。因此，不論是全球記錄還是區域記錄，它們都顯示出同樣的特徵，即在上個世紀中全球氣溫升高了1～1.5℃。
圖1 過去100年間全球和中國的氣溫變化（a修改自IPCC 2021年度報告，b修改自中國氣候變化藍皮書）
02 全球變暖是正常的嗎？
全球氣溫升高，我們說這不正常。但我們如何得知什麼樣的氣候變化是正常的呢？因此我們需要嘗試量化氣候變化，並進行定量化比較。透過一個多世紀的研究，研究人員發現了以下三種古氣候記錄工具，分別是鑽孔、樹輪和冰芯（George and Ault, 2014; González-Rouco et al., 2009; Thompson et al., 2013）。這三種古氣候記錄工具分別應用於不同年代學尺度的古氣候重建。如果我們只需要知道近500年來的全球氣溫變化，那麼我們可以運用已有的各種型別的鑽孔去得到相關資料。地球地表之下的熱狀態受地球內部熱量的傳導和地表溫度變化的控制。對於沒有內部熱源且沒有地表溫度變化的均質地殼，地下溫度隨深度線性增加。相對於短期氣候變化的時間尺度，該剖面可以被視為處於準穩態。由於熱擴散，地下溫度異常的幅度與地表溫度擾動的持續時間和幅度成正比。地表溫度的長期變化會傳播到地下，並被記錄為對地熱準穩態的瞬態擾動。因此，研究人員可以透過鑽孔中的溫度剖面資料來恢復大約500年的地表溫度變化。總結這些資料可以知道在大約150年前，全球溫度相對較低，被稱為小冰河時代，然而現今全球溫度已大幅回升1～1.5℃（圖2a）。如果想要更長時間的資料記錄，這時候我們就需要用到樹輪。樹輪是目前可以記錄近2000年以來全球氣溫變化的有效工具。當天氣暖和時，樹木生長得繁盛，它們的樹輪也更寬。當天氣較冷時，它們的樹輪則會變窄。研究人員的做法是透過收集地質歷史時期的樹芯，並測量樹木年輪的寬度，然後結合14C定年手段，就可以得到近2000年來的溫度變化圖（圖2b）。
圖2 （a）鑽孔的溫度剖面反演的地表溫度變化（修改自Jaume-Santero et al., 2016）；（b）樹輪記錄的過去近2000年的溫度變化（修改自IPCC 2021年度報告）
然而要獲得數千至數十萬年尺度的全球溫度記錄是非常困難的。這就是為什麼人們大多關注大約2000年來的樹輪記錄。因為樹輪是一個時間尺度較長，且能夠直接記錄氣溫變化的工具。如果想獲得數千至數十萬年尺度的全球溫度記錄，我們需要研究冰芯。儘管冰芯不能直接記錄當時的形成溫度，但從根本上與溫度有關。冰芯記錄的是溫室氣體濃度，比如二氧化碳和甲烷的濃度，而溫度與溫室氣體濃度是相關的。例如，格陵蘭冰蓋中冰芯的形成時代可以追溯到大約10萬或12.5萬年，而南極冰芯則可以追溯到80萬年前。因此，冰芯是目前溫室氣體濃度記錄時間最長的工具，也是溫室氣體濃度的連續記錄工具。圖3顯示的分別是80萬年以來南極冰芯的二氧化碳和甲烷濃度變化。在間冰期，二氧化碳和甲烷濃度較高，而在冰河時期大氣二氧化碳和甲烷濃度則較低。在過去的80萬年中，冰期和間冰期以十萬年的週期出現。這是由地球沿軌道運動導致的正常變化。我們可以看到，在過去80萬年中，大氣二氧化碳濃度的最大值為299ppm，大氣甲烷濃度的最大值為752ppb。資料表明2021年夏天地球大氣中二氧化碳的濃度為419ppm，而甲烷濃度為1875ppb，超出了過去80萬年期間地球大氣二氧化碳和甲烷的最大濃度。為了衡量現今大氣二氧化碳和甲烷濃度的異常程度。我們需要計算過去80萬年間冰期的平均二氧化碳濃度，及其高斯分佈的標準差。透過計算可以得到間冰期大氣二氧化碳的平均濃度為265ppm、甲烷的平均濃度為630ppb。計算結果表明要達到現今大氣二氧化碳濃度的機率需要在離平均值12個標準差（12σ）的範圍內，對於甲烷來說則是30個標準差（30σ）（圖3）。對於其機率我們可以採用如下機率密度函式計算：
式中x代表變數（現今值），μ代表平均值，σ代表標準差
透過計算如果要達到現今二氧化碳濃度的機率是1/(5×1032)，甲烷濃度的機率是1/(1×10197)。這就好比你和你的朋友都隨機選中了銀河系中的同一顆星星，抑或是地球上的同一粒沙子。這樣的可能性明顯非常非常小。毫無疑問，人類排放的溫室氣體正在將地球推向異常氣候狀態，至少這種狀態在80萬年的尺度上是異常的。
圖3 過去80萬年間南極冰芯的二氧化碳和甲烷濃度變化
03 地質歷史時期的氣候是否與現今氣候類似？
從地質證據來說，地質歷史時期的氣候與現今氣候相比非常不同。那麼，我們的地球是否曾經出現過溫度比現在還高的情況呢，答案是肯定的。晚白堊世以來深海底棲有孔蟲化石記錄的氧同位素（δ18O）證據表明，在早始新世時期，全球溫度是最高的，被稱為早始新世大暖期（Early Eocene Climate Optimum: EECO），從這之後全球逐漸降溫（Westerhold et al., 2020）。其中在始新世/漸新世轉換期（Eocene/Oligocene Transition），中新世大暖期（Miocene Climate Optimum）和中上新世暖期（Mid-Pliocene Warm Period）三個時期的降溫最劇烈（圖4）。在地質歷史時期，地球溫度的變化主要受控於大氣中二氧化碳濃度的變化。過去的65Ma以來，全球出現了多次溫室氣候事件：比如距我們最近約3Ma的上新世暖期（Pliocene Climatic Optimum）和距今17-14Ma的中新世暖期（Miocene Climate Optimum）。而按照目前的碳排放趨勢，未來100年後的地球大氣二氧化碳濃度會達到中新世暖期的水平。
圖4 深海底棲有孔蟲化石記錄的晚白堊世以來全球溫度變化情況（Westerhold et al., 2020）
作為大氣中主要的溫室氣體，大氣中二氧化碳濃度的變化調控著全球氣溫，也是我們釐清氣候突變觸發機制的關鍵所在。目前研究人員可以透過植物氣孔密度、海洋藻類碳同位素、海洋有孔蟲硼同位素、古土壤碳酸鹽碳同位素和其他一些手段（有機分子碳同位素等）來重建大氣中的二氧化碳濃度。IPCC總結了所有指標並重建了過去60Ma以來大氣二氧化碳濃度的變化情況。其結果顯示大氣二氧化碳濃度在約50Ma時達到了最大值（1500ppm），隨後一直在下降，並在經歷了多個冰期的旋迴之後達到了現今濃度（圖5a）。而現今大氣二氧化碳濃度與15Ma之前的濃度相當。以上是過去60Ma以來大氣二氧化碳濃度的變化，這段時間僅佔地球歷史的14.4%，那麼更遙遠的地質歷史時期大氣二氧化碳濃度是怎樣的呢？IPCC的重建結果表明，500Ma以來地球上出現了多次二氧化碳濃度很高的情況（比如說：早泥盆世、中晚三疊世、早白堊世、始新世等），並在～400Ma時達到了最高值（約為2000ppm），而在晚古生代時期是很低的（圖5b）。這可能與長期的生物演變有關。例如，陸生植物在大氣二氧化碳濃度高的時期（泥盆紀，～400Ma）大量發育，隨後消耗了大量的二氧化碳，從而導致了降溫，驅動了晚古生代冰期的出現。隨後又出現了侏羅紀時期的升溫事件，但是目前對於該時期的升溫機制還不是很清楚。不過，我們可以肯定的是這種變化是週期性的，而且似乎與長期的生物演變有關。
圖5 IPCC 2021年重建的早古新世（～60 Ma, a）和晚奧陶世（～450 Ma, b）以來全球大氣中二氧化碳濃度變化特徵（資料來自於Paleo-CO2.org）
從已有的地質記錄來看，現今的全球變暖也是非常反常的。地質歷史時期地球氣候的變化從沒有如此劇烈，除非災難性地質事件的出現，如流星撞擊，火山噴發等，而今天的氣候變化速度遠遠超過了地質歷史時期的記錄。由於氣候的變化主要與大氣中的二氧化碳濃度有關，我們可以看到人類活動釋放的二氧化碳含量與大氣中二氧化碳濃度之間的變化具有很好的相關性，全球所有的火山每年釋放的二氧化碳通量小於1Gt/yr，而人類活動釋放的二氧化碳通量可達到40Gt/yr，約為全球火山釋放通量的200倍（圖6a）。人類活動既可以釋放溫室氣體（比如甲烷、二氧化碳等），也可以釋放二氧化硫等冰室氣體導致全球降溫，當我們將所有因素（人類活動釋放的溫室氣體、自然因素、人類活動輸入大氣中的氣溶膠）都考慮進去，進行建模之後發現，模型得到的近年來全球氣溫變化與觀測資料具有很好的一致性（圖6b）。IPCC最新的模型結果表明：如果我們不採取措施的話，到2100年左右溫度要升高5℃；而如果各國遵守巴黎協定，到2100年左右我們基本可以將升溫幅度控制在2℃以下。
圖6 （a）1850年以來大氣中二氧化碳濃度變化與人類活動釋放的二氧化碳通量變化情況; （b）1850年以來人類活動引起的溫度變化與實際觀測結果之間的關係
04 減排建議
地質記錄告訴我們，全球氣溫變化對大氣二氧化碳濃度變化是非常敏感的，至少比模型預測的要敏感的多。我們在日常生活中應該怎樣做才能儘量減少自己對氣候變化的影響呢？Matthew J. Kohn教授給出了自己的一些建議：少吃肉、減少純淨水的使用（因為生產純淨水會釋放大量的二氧化碳）、儘量少使用私家車出行、多使用公共交通工具出行、限制長途旅行，從日常生活點滴中減少自己的碳排放量。
【講座影片回放：https://mp.weixin.qq.com/s/SMtqiVlLvvLSWWYIrcsPmg】
主要參考文獻（上下滑動檢視）
1.González-Rouco J F, Beltrami H, Zorita E, et al. Borehole climatology: a discussion based on contributions from climate modeling[J]. Climate of the Past, 2009, 5(1): 97-127.
2.Jaume-Santero F, Pickler C, Beltrami H, et al. North American regional climate reconstruction from ground surface temperature histories[J]. Climate of the Past, 2016, 12(12): 2181-2194.
3.George S S, Ault T R. The imprint of climate within Northern Hemisphere trees[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 89: 1-4.
4.Thompson L G, Mosley-Thompson E, Davis M E, et al. Annually resolved ice core records of tropical climate variability over the past ～1800 years[J]. Science, 2013, 340(6135): 945-950.
5.Westerhold T, Marwan N, Drury A J, et al. An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years[J]. Science, 2020, 369(6509): 1383-1387.
整理：何少雄、張少華（岩石圈室）
美編：陳菲菲
校對：李玉鈐、趙娜
