全球变暖：从地质角度看全球变暖

【编者按】自上世纪90年代以来，有关全球变暖的争论愈演愈烈，至今已经成为一个重要的政治与生态话题。“复旦通识”组织“全球变暖”系列，邀请不同高校相关学科的教师撰文，从各自的专业领域与学术兴趣出发，围绕全球变暖这一席卷国际政治和社会舆论的重大公共议题，进行不同角度的观察与讨论，思考“人类命运共同体”将如何面对这一可能即将席卷全球的危机。

“全球变暖”研究缘起和简要历程

20世纪90年代以来，“全球变暖”争论愈演愈烈，现今已是一个席卷国际政治和社会舆论的重大公共议题。但在40-50年以前，科学家群体谈论的题目并非“全球变暖”，而是“全球变冷”，原因有三。一是1970年代人类有了航天遥感技术，首次可以进行全球地表观测，发现大规模工业粉尘排放阻挡了太阳光入射，引起北半球持续数年的降温现象(图1)；二是古海洋学的发展揭示了地表气候的冰期/间冰期旋回规律，每个间冰期持续的时间都比较短。按照这个规律，目前已经持续了一万多年的间冰期可能就要结束了，地表气候将缓慢进入下一个冰期；三是当时美苏两大集团冷战正酣，全社会被核大战和核冬天的阴影笼罩。在这种背景下，西方地质学界致函当时的美国总统尼克松，呼吁关注核战可能导致的“全球大变冷”趋势，以至大众媒体报道的都是诸如“如何在将临的冰期中幸存下来”等耸人听闻的信息。

在一片喧闹和疑惑中，不乏远见卓识之士，美国地球化学家华莱士·布洛克(Wallace Broecker，图2)就是其中最有影响的一位。早在1975年，他就发表文章指出，人类排放的二氧化碳引起的温室效应将导致全球变暖，这一趋势将很快压倒目前的降温趋势，我们事实上正站在全球变暖的起点！20世纪80年代开始，全球地表平均温度开始快速拉升，到1990年代末，平均表温升高幅度已经达到0.5oC！这一事实完全证实了当初布洛克的猜测。至此，“全球变暖”也从科学议题正式扩大成为政治和公共议题。1997年，141个国家和地区签署《京都议定书》，呼吁限制发达工业国家的碳排放量。

进入21世纪，科学界发现地表暖化出现减速甚至停滞现象。从1997-1998年的超级厄尔尼诺事件开始，出现了一个长达15年的“全球变暖停滞期” (图1)，由此引发一轮大讨论。但在这段时间里，自然因素却是有利于全球降温的，比如太阳活动处于极弱期，全球火山活动加剧。但经过严密计算，发现这两个降温因素并不足以抵消温室气体持续排放带来的增温效应。那么多余的热量去哪里了？经过大规模监测追踪，发现原来热量进入了大洋深处。海洋是一个庞大的热能储库，自工业革命以来，超过90%的人为温室效应能量进入了海洋内部，而滞留在地表的不足10%的热量引发全球1.3oC的升温和越来越频发的极端气候事件。如果海洋把这90%热量还给地表，引发的气候效应将难以想象。2015-2016年的超级厄尔尼诺活动再次改变大洋状态，之后全球地表温度又开始新一轮的大幅拉升(图1)。

图1 工业革命以来大气二氧化碳浓度和全球平均地表温度波动记录。原始数据来自美国大洋与大气管理局网站(www.noaa.gov)。

图2 美国科学院院士华莱士·布洛克(1931-2019)，哥伦比亚大学教授，被誉为Lamont海洋实验室的灵魂，以研究全球气候变化、海洋化学、海洋环流等课题驰名科学界。照片来自网络。

冰期旋回中的温度和二氧化碳变化

过去一百多年以来，大气二氧化碳浓度和全球表温的紧密相关关系(图1)，让人下意识地就认为两者之间存在因果联系，即二氧化碳浓度上升推动增温。但抛开表面现象，两者关系事实上十分复杂。在数年至数十年的时间尺度内，地球气候系统的驱动因素有许多，例如太阳活动强度、火山喷发规模、温室效应等。气候系统包含大气、森林、海洋、冰盖等不同子系统，子系统之间存在规模不等的物质和能量交换。碳在不同子系统内部的停留时间也差别巨大。因此定量研究碳排放与全球气候变化是个很有挑战性的课题。联合国政府间气候变化评估委员会（IPCC）一致致力于利用复杂的数值模型预测不同碳排放规模带来的未来地球升温幅度，但预测结果误差很大。在科学界，仍有相当多的科学家质疑全球变暖是由人类活动引起。

地质记录则提供了一个很好的时间窗口，供我们观察和审视过去的二氧化碳与气候变化的关系。南极洲和北极格陵兰岛几千米厚的冰川沉积提供了这些远古记录。这些冰川是过去几十万年以来降雪不断累积形成的。降雪刚落在冰面上的时候，内部疏松，跟大气可以直接交流。随着新的降雪在上面不断堆积，下面积雪开始压实，空隙变小，最后在冰川内部形成许多密闭的气泡(图3)。这些气泡就是远古大气的“化石”，当中就封存着古大气的化学组成信息！科学家在冰川高原上钻取出了几千米长度的冰芯，目前可以恢复出过去80万年以来的大气二氧化碳浓度波动历史(图3)。同时，冰块本身由氢和氧两种元素组成，氢和氧的同位素分馏与降雪时的大气温度有关。因此，利用氢、氧同位素又可以重建极地大气温度历史。

令人惊讶的是，过去80万年以来，温度和二氧化碳浓度波动呈现出一种近乎完美的吻合关系(图3)。我们可以把过去80万年划分为8个冰期-间冰期旋回，每个旋回持续时间8-12万年，平均为10万年。其中前四个冰期旋回振幅比较小，最近四次振幅很大。以最近四次冰期为例，大气二氧化碳浓度为180-190 ppm (即万分之2.8和2.9)，到间冰期时，上升到280-290 ppm。冰期-间冰期旋回中100 ppm的浓度变化，相当于大气层中多了2000亿吨的碳，对应于南极大气温度上升9-12oC。由于我们身处间冰期，对现今的气候比较熟悉，但冰期时的地球面貌就完全是另一幅景观。由于寒冷，冰期地球上的冰川规模巨大，现今的北欧、加拿大和美国北部，都压在数千米厚的冰层之下。全球海平面下降了120米，我国东海大陆架全部出露成为陆地，海岸线一直推进到现今的冲绳群岛附近。冬季时，横扫东亚大陆的西伯利亚高压和寒潮比现今严酷许多，中国内陆出现严重的干旱和荒漠化现象。热带地区近地面大气温度也大幅下降了4-6oC。因此，冰期与间冰期地球气候状态的差别非常显著。

值得注意的是，工业革命以来，二氧化碳浓度从280 ppm上升到410 ppm, 上涨幅度为130 ppm，这已经超过了冰期-间冰期旋回的振幅(图3)。另外，410 ppm的二氧化碳浓度是过去80万年以来地球从未有过的峰值，有人推测这甚至是过去1000万年以来的峰值？这么高的二氧化碳浓度到底意味着怎样的气候效应呢？这是压在科学家心头一个未解和沉重的话题。以12万年前的间冰期为例，当时二氧化碳浓度仅仅比我们身处的间冰期高5-7 ppm(图3)，极地冰盖就因为比较温暖的环境发生了小范围的崩解，导致全球海平面上涨了2-5米。

但为何现今如此高的大气二氧化碳浓度峰值还未引起气候从间冰期向冰期转型呢？一种观点认为，在冰期-间冰期旋回中，我们研究的对象是地球气候在千年-万年时间尺度上的变化，不能直接对标于目前几十年-百年等级的气候变化。此外，在冰期-间冰期旋回中，气候变化和二氧化碳波动，到底谁是因、谁是果，目前还没有结论，因此不能简单外推。

另一种观点恰恰相反，认为目前大气二氧化碳浓度升高已经影响到气候系统的各个层面，从海洋受热体积膨胀到极地冰架加速崩塌，从北极夏季海冰面积萎缩到极地生态系统变迁，从海洋酸化、珊瑚礁大规模白化到极端气候事件频率上升等等，都是这种表现。但这仅仅只是开始，二氧化碳的气候效应还未充分展现。只要给予充分时间，即便二氧化碳浓度不再增加，气候变化的趋势和程度还会继续深化。另外，有很多证据表明地球气候系统是一个非线性系统。这意味着到了某个临界点，气候状态会突然从一种模式快速跳跃到另一种模式。目前我们似乎逼近了这个临界点，气候状态的跳变可能会很快来临。

图3 过去80万年以来大气二氧化碳浓度和南极大气温度的波动历史。原始数据来自Lüthi et al.(2008, Nature, 453, 379-382)和美国大洋与大气管理局网站(www.noaa.gov)。

工业革命以来，人类释放二氧化碳的规模和速度是如此之大，除了刚才谈到的冰期旋回，地质历史上另一个能与之相对比的事件还要追溯到5500万年前的古新世-始新世极热事件。不知由何种因素触发，当时海底陆坡上埋藏的天然气水合物大规模崩解，据估计在数千年时间里，一共有3.5万亿吨的碳被释放到大气中；与此对应，同期的全球平均气温比背景值高出5-10oC，海洋大幅度酸化导致底栖生物发生集群性绝灭(图4)，陆地动植物群落也发生重大绝灭和变革，极地和热带海洋温差减小，海洋洋流系统改组，全球极端水文事件强度增大，陆地上暴雨、泥石流、滑坡崩塌等地质灾害频发……之后又过了十多万年，地球气候状态才恢复到背景值。一百多年以来人类活动累计释放的碳为4000多亿吨，比古新世-始新世极热事件低一个数量级。但是人类释放碳的速率，却比古新世-始新世极热事件高一个数量级。如果延续目前碳排放的加速度趋势，最快在140年之后，也就是大约5代人的时间，我们的碳排放总规模将达到古新世-始新世极热事件时的规模。

但大气温度和大气二氧化碳浓度一定是正相关的吗？前面谈到的80万年的冰芯记录似乎证明了轨道尺度上两者的正相关关系，但如果放眼整个新生代的气候演变历史，特别是始新世-渐新世之交（约34百万年前）南极冰盖形成之后，深海底栖有孔虫d18O（氧稳定同位素）记录反映的全球逐渐变冷的趋势与构造尺度上相对平稳的大气二氧化碳浓度记录似乎又没有什么关系（Zachos et al., 2008, Nature，451， 279-283）,最近1千2百万年来全球不同海区的海水表层温度记录也与大气二氧化碳浓度记录不怎么吻合（Herbert et al., 2016，Nature-Geoscience，9，843-849）。

长时间尺度上的地质记录告诉我们，地球气候状态并非是稳定的，而是可以经历幅度巨大的变化，从一种状态跳跃到另一种状态，除此之外还有偶发性的环境灾难事件。短时间尺度上的历史观测同时也表明，大气二氧化碳浓度有可能是触发气候变化的一个扳机。尽管全球变暖与大气二氧化碳之间的关系仍然不明，但从现在开始进行策略讨论、制定减缓碳排放的政策也是一种明智之举。

图4 5500万年前灾难性的碳释放事件，导致海洋大幅度酸化和底栖生物集群绝灭。利用先进的钻探技术，从海洋深处获取长达数千米的岩芯。发现发生该事件时，正常浅灰色的碳酸盐沉积物被红褐色粘土沉积代替，经过长达十多万年时间才又恢复正常。原始图片来自Zacho et al. (2005, Science, 308, 1611-1615)，经编辑修改。

本专栏内容由复旦大学通识教育中心组稿。