地球氣候的自然變化方式，以及我們是否應該對全球變暖負責

譯者：icosohedral

原文：https://www.quantamagazine.org/how-earths-climate-changes-naturally-and-why-things-are-different-now-20200721/

地球曾是個雪球，也曾是個溫室，如果在人類之前的氣候就是如此多變，那我們如何能確信自己應該為全球變暖負責呢？

部分原因在於，我們可以清晰的得到人類活動排放的二氧化碳與工業化以來1.28攝氏度(持續上升中)的全球暖化之間的因果聯繫。二氧化碳分子可以吸收地表反射的紅外輻射，所以隨著大氣中的二氧化碳含量增加，將會有更多的熱量被保留在地球中。

古氣候學家們對地球歷史上的氣候變化也做了詳盡的研究，以下是主要的10種氣候自然變化方式，以及它們與當今氣候變化的對比。

太陽周期規模：0.1到0.3攝氏度的降溫時間：每隔幾個世紀會有30-160年的太陽活動衰減

每隔11年，太陽的磁極翻轉，造成以11年為周期的太陽明暗變化。但這個變化幅度非常小，對地球氣候影響不大。

更強烈的變化是被稱作「太陽極小期(grand solar minima)」的一個周期，在數十年間太陽活動明顯減弱。該周期在過去的1.1萬年裡發生了25次，最近的一次發生在1645到1715年間，此次事件被稱作「蒙德極小期 (Maunder Minimum)」。在蒙德極小期中，太陽的能量比現代平均水平降低了0.04%到0.08%。科學家們長期以為，是蒙德極小期帶來了15到19世紀的「小冰期」，但他們後來發現這個事件對地球的影響很小，並且時間點也不準確，這個小冰期發生原因可能更多是火山活動的作用。

在過去的半個世紀裡太陽略微變暗了一些，然而地球的溫度卻在持續上升，所以全球變暖的責任不能推給太陽。

火山硫規模：大約0.6到2攝氏度的降溫時間：持續1到20年

在公元539/540年，薩爾瓦多的伊洛潘戈火山噴發，強烈的噴發柱甚至波及地球的平流層。隨後，寒冷的夏季、乾旱、饑荒和瘟疫席捲了全球。

大型火山噴發能把高反射性的硫酸液滴送入平流層，從而會阻擋太陽光，降低氣溫。接著，海洋中的冰塊增加，進一步把更多的太陽光反射回太空，於是放大並延長了全球的氣候變冷。

伊洛潘戈火山噴發在20年裡造成了大約2攝氏度的降溫。在時間上離我們更近的，發生在1991年的菲律賓皮納圖博火山噴發造成了全球氣溫下降0.6攝氏度，此次降溫持續了15個月。

火山噴發釋放進平流層的硫化物可以顯著的改變氣候，但從地球歷史的角度上來看，這種影響非常小並且持續時間很短。

短期氣候波動規模：小於0.15攝氏度時間：2到7年

除了季節變化之外，還有一些其它的短周期活動能夠對降水和氣溫產生影響。最強烈的是厄爾尼諾-南方濤動現象(El Niño–Southern Oscillation)，它涉及太平洋熱帶的洋流變化，以2到7年的周期顯著影響北美地區的降水。北大西洋濤動(The North Atlantic Oscillation)和印度洋偶極(Indian Ocean Dipole)同樣也會造成巨大的區域性影響，並且它們也能與厄爾尼諾-南方濤動現象相互作用。

這些相互關聯的周期現象似乎讓我們難以判斷人類對氣候造成的影響，難以確定我們對氣候的影響是否具有統計學上的顯著性，或者更多只是自然中不為人知的氣候波動。但事實上，人類造成的氣候變化已經遠遠超出了天氣與季節溫度變化的範圍，美國氣候協會在2017年總結道，「通過觀測數據無法得出一個可靠的，能夠解釋當今氣候變化的自然周期。」

軌道擺動規模：在過去的10萬年周期裡大約6攝氏度，隨地質時間變化。時間：有規律，23,000、41,000、100,000、405,000 和 2,400,000年的重疊周期

地球的運行軌道會周期性的擺動，並受到太陽、月球和其它行星相對位置的影響，這種周期性的軌道變化被稱作是「米蘭科維奇循環(Milankovitch cycles)」，它最多能使地球中緯度地區的太陽光照變化25%，進而引發氣候波動。這些周期一直在持續循環，你可以在懸崖或是道路挖掘時看到不同周期造成的沉積分層。

地球在更新紀時期的冰期就歸因於米蘭科維奇循環：地球軌道變化引發了北半球夏季平均溫度的變化，北美、歐洲和亞洲的冰蓋也隨之大面積形成或消融。由於二氧化碳在溫暖海洋中的溶解度更小，大氣中二氧化碳含量也會隨地球軌道變化而發生改變，從而放大氣候的波動。今天的地球正在接近北半球光照最小期，所以假如沒有人類活動產生的二氧化碳影響，我們將在隨後的1500年左右進入一個新的冰期。

上面是地球三種不同的擺動：1. 軌道離心率，地球自身公轉軌道形狀的變化。2. 進動，地球自轉軸的方向變化。3. 轉軸傾角，地球自轉軸相對於軌道平面的傾角變化。

太陽的長期光度變化規模：無實質上的溫度影響時間：持續進行

除了短期的光度波動外，太陽每100萬年會增加0.009%的亮度，如今它的亮度已經比45億年前剛形成時增加了48%。

科學家們推測青年時期太陽暗淡的光照會使地球在最初的20多億年裡保持冰封狀態，但奇怪的是，地質學家們發現了在34億年的海浪衝擊下形成的巖石。早期地球不同尋常的溫暖氣候或許可以通過較少的陸地侵蝕、更晴朗的天空、白天較短和特定的大氣構成得到解釋。

而在地球的最近20億年裡，氣溫仍保持穩定，這主要是因為地球的風化作用起到了恆溫器的效果，它降低了更強太陽光照帶來的氣候影響。

二氧化碳與風化作用規模：減緩其它氣候變化的影響時間：大於10萬年

由於二氧化碳可在大氣中長時間存在，它能保留一部分從地表反射到太空的熱量，所以大氣二氧化碳水平是控制地球氣候的最主要因素。火山活動、巖石變質以及沉積物中碳的氧化都會將二氧化碳釋放到大氣之中，但同時二氧化碳與矽酸鹽反應會生成石灰巖，從而固定二氧化碳，將其埋入地底。這種平衡類似一個恆溫器：當氣候變暖，化學反應更加強烈，有更多的二氧化碳參與到石灰巖的生成中，於是暖化幅度就被抑制了；當氣候變冷，化學反應不那麼活躍，就減緩了冷卻。於是，在長期時間尺度下，地球氣候保持相對穩定，為我們提供了一個適宜生存的環境。此外，平均二氧化碳水平也隨著太陽亮度的增長而在穩定的降低。

然而，這種風化作用恆溫器需要數十萬年時間來對大氣中二氧化碳含量的變化作出反應。海洋的調節作用更快一些，但也需要近千年的時間，並且海洋對二氧化碳的吸收可能會過度，造成海洋酸化。如今每年燃燒化石燃料釋放的二氧化碳要比火山活動高出100倍——遠遠超過了海洋以及風化作用的調節範圍，這也是氣候變暖，而海洋卻持續酸化的原因。

板塊構造規模：在過去的5億年裡大概30攝氏度時間：數百萬年

地殼的變動可以緩慢的改變風化作用的溫度控制效果。

地球在過去的5000萬年裡正逐漸變冷，這是因為板塊間的衝撞使化學上比較活躍的巖石——比如玄武巖或火山灰——暴露在溫暖潮溼的熱帶環境，增加了它們與大氣中二氧化碳的反應機率。此外，在過去2000萬年裡，喜馬拉雅、安第斯、阿爾卑斯以及其它一些山脈的形成也增加了巖石侵蝕速率，促進了風化作用。另一讓地球冷卻的因素是3570萬年前南美大陸和塔斯馬尼亞(現在位於澳大利亞南部)從南極大陸的分離，這個事件創造了一個環繞南極大陸的洋流。這個全新的洋流促進了這片海域的環流，增加了浮遊生物的數量，從而增加了二氧化碳的消耗。此後，南極洲冰蓋大幅增長。

在早先的侏羅紀和白堊紀時期，因為強烈的火山活動和較少的風化作用，恐龍得以漫步在南極大陸。當時大氣中的二氧化碳水平大約為1000ppm(parts per million，百萬分之一)，相比之下，現代二氧化碳平均水平只有415ppm。這個無冰的世界要比現代氣溫高出5到9攝氏度，當時的海平面也比現在高大約76米。

小行星撞擊規模：大約20攝氏度的降溫，隨後5攝氏度的升溫(參考6500萬年前的希克蘇魯伯隕石撞擊)時間：持續數個世紀的降溫，隨後10萬年的升溫(參考6500萬年前的希克蘇魯伯隕石撞擊)

迄今為止，地球撞擊資料庫(Earth Impact Database)確認了190個撞擊坑，除了6500萬年前滅絕恐龍的希克蘇魯伯隕石撞擊之外，其它撞擊事件都沒有對地球氣候造成明顯影響。計算機模型顯示，希克蘇魯伯撞擊產生了大量的灰塵和硫化物，它們被送入高空並遮擋了太陽光，隨後地球溫度下降超過20攝氏度，同時海洋也明顯酸化。地球經過數個世紀才恢復到撞擊之前的溫度，並且由於撞擊事件中墨西哥灣的蒸發的大量石灰巖，隨後的氣溫提升了5攝氏度。與這次撞擊同時發生的，位於印度的火山活動是否參與了氣候變化還有待考察。

生物演化規模：隨事件而異。在晚奧陶紀(4.45億年前)大約5攝氏度的降溫。時間：數百萬年

有時候，新物種形成也會打破地球的溫度平衡。能進行光合作用的藍細菌出現在大約30億年前，它釋放出的氧氣顯著的改變了地球大氣的構成。隨著藍細菌的興盛，大氣中氧氣含量從24億年前開始上升，同時甲烷和二氧化碳水平明顯下降。甲烷和二氧化碳的下降促使地球進入了一個嚴峻的，長達2億年的「雪球」時期。7.17億年前多細胞生物的大規模演化也引發了另一次「雪球」氣候，這次是由於生物吸收了大氣中的碳，這些碳元素隨著生物殘骸沉入深海，減少了大氣中的碳含量。

在奧陶紀時期，陸生植物出現，陸地生物圈開始成形。陸生植物將碳埋入地底，並從陸地中吸收養分，隨後這些養分經河流衝入海洋，也促進了海洋中生物的活動。這些變化或許引發了4.45億年前的冰期。在之後的泥盆紀，樹的出現進一步降低了大氣中二氧化碳含量，生物演化與造山運動聯手造就了古生代的冰河時期。

大規模熔巖規模：3-9攝氏度的升溫時間：數十萬年

規模非常巨大的熔巖被稱作是大型火成巖區，它造成了地球史上多次大滅絕。這些火成活動非常致命，它能帶來許多可怕的事件(比如酸雨、酸霧、汞中毒或是臭氧層破壞)，同時它也會釋放大量甲烷與二氧化碳到到大氣中，這些氣體的釋放要快於風化作用的調節速度，從而造成全球溫度升高。

在二疊紀 - 三疊紀滅絕事件中，地底熔巖引燃了西伯利亞的煤炭，使大氣中二氧化碳含量上升到8000ppm，全球氣溫上升5到9攝氏度，81%的海洋生物消失。在5600萬年前的古新世－始新世極熱事件中，北大西洋底部油層中的甲烷受熔巖影響釋放入大氣之中，造成了5攝氏度的升溫並使海洋酸化，隨後短吻鱷和棕櫚樹在北極海岸興盛起來。在三疊紀末期至侏羅紀早期，也發生了類似的化石碳礦床釋放，繼而引發了全球氣溫升高，部分海洋區域荒蕪以及海洋酸化。

假如你感覺上述幾種氣候變化方式看起來很眼熟，這是因為如今人類正在對地球做同樣的事。

正如一個研究三疊紀－侏羅紀滅絕事件的團隊在《自然-通訊》中寫道，「我們估計，三疊紀末期每個熔巖柱釋放到大氣中的二氧化碳與21世紀人類活動的排放量相當。」