古老線索揭秘末次冰期氣候

2020-09-05 光明科普

冰芯 圖片來源：Christoph Nehrbass-Ahles

今天，人為造成的二氧化碳濃度上升，比冰河時期二氧化碳濃度最大躍升要高6倍、快近10倍。

11.5萬至1.17萬年前，從北極到南半球亞熱帶地區，氣候突變同時發生。

近日，在刊登於《科學》的兩篇論文中，研究人員揭開了「古老氣候記憶」，追蹤了冰河時期二氧化碳濃度的變化，以及當時全球氣候變暖的足跡。

冰河時代通常被認為是永無止盡的嚴寒。但在這段時間裡，大量二氧化碳進入大氣層，為長達1萬年的嚴寒帶來了幾十年甚至幾個世紀的相對溫暖。但時間倒退得越遠，可用的信息就越少，識別這種短暫事件就越困難。

其中一篇論文的通訊作者、英國劍橋大學氣候物理學家Christoph Nehrbass-Ahles在接受《中國科學報》採訪時表示，因為只能獲得最近10萬年的高解析度（這裡指100年到10年的時間解析度）數據，而上一次溫暖的間冰期大約在12萬年前，這已經超過了可以獲得高解析度數據的時間窗口。

此外，由於對過去氣候的精確日期記錄相對較少，氣候突變是否同時發生也很難確定，「氣候記錄的精確年代測定是關鍵。我們需要確切地知道在每個地點發生突變的時間，以便加以比較。」另一項研究的通訊作者、澳大利亞墨爾本大學博士生Ellen Corrick告訴《中國科學報》。

消除汙染

通常，研究人員可以通過觀察從南極洲、格陵蘭島和低緯度地區高山鑽取的冰芯追蹤大氣中二氧化碳的波動。但一直以來難以獲得高解析度數據的部分原因是從冰中提取二氧化碳的技術造成了汙染。

為此，Nehrbass-Ahles團隊及瑞士伯爾尼大學等機構的合作者，提出了一種從古冰中提取二氧化碳的新方法，比之前技術的精確性高3倍。他們開發的碎冰技術不涉及金屬部件之間的摩擦，因為摩擦會產生二氧化碳。新方法允許他們測量濃度在百萬分之一（ppm）以內的二氧化碳。

隨後，研究小組分析了在南極洲東部一個最高點鑽取的3500米長的冰芯。結果顯示，樣本時間在45萬到33萬年前，這段時間包括了一個完整的冰河時代和前後間冰期。平均而言，每個數據點與其相鄰數據點之間的距離約為300年，在時間解析度上比以前的研究提高了4到6倍。

研究人員還認為二氧化碳的猛增是由大西洋洋流輸送帶變化造成的。當墨西哥灣流減弱時，暖流給北大西洋海域帶來的熱量就會減少。Nehrbass-Ahles說，海洋表面溫度的變化，反過來會導致熱帶地區天氣模式改變，引發溼地收縮。儲存在沼澤中的富含碳的物質發生分解，從而釋放出大量二氧化碳，使氣候變暖。

「這是我們第一次獲得高解析度的間冰期二氧化碳數據。」Nehrbass-Ahles說，「在所研究的時間及全部氣候條件下，二氧化碳都出現了百年尺度的躍增。這些數據對『訓練』氣候模型以更好地預測未來氣候非常有用。」

未參與該研究的美國威斯康星大學麥迪遜分校古氣候學家Shaun Marcott說，新分析顯示，地球氣候「變化的速度比我們之前認為的要快得多」，由此造成的生態系統變化雖然短暫，但可能影響深遠。

廣泛同步

來到地球另一端，同樣在最後一個冰河時期，這裡不僅迎來了溫暖的氣候，而且不同大陸同時面臨著氣候變化。

在最後一次冰河時期，格陵蘭島的快速變暖事件與整個歐洲大陸的溫度升高，以及亞洲和南美洲季風地區的降雨變化都有關聯。換句話說，當時地球大範圍氣候突變是同時發生的。

Corrick團隊及合作者收集了63份已發表的歐洲、亞洲和南美洲洞穴遺址石筍記錄。來自丹麥、英國、德國、中國、法國和瑞士等國的科學家已經為這些數據集工作了20年。

「石筍保存了洞穴形成時溫度和降雨量的信息。重要的是，我們還可以使用鈾釷年代測定法非常精確地測定其年代，從而比較不同地區氣候事件發生的時間。」Corrick說。

結果顯示，11.5萬到1.17萬年前，地球發生了超過25次突然變暖事件，其中23個是同步發生的。從北極到南部亞熱帶地區，「丹斯伽阿德—厄施格爾」氣候變暖事件期間，格陵蘭島變暖、歐洲變暖及降雨變化、亞洲季風加強和南美洲季風減弱，都是在幾十年內相繼發生的。

這些發現為開發預測未來氣候變化的數值模型提供了重要信息，並證明了深刻的氣候變化可能同時發生，這突出了氣候系統的不穩定性。

論文合作者、劍橋大學的Eric Wolff表示，這些發現解決了古氣候群落長期以來的難題，即熱帶和北極之間的氣候變化是同步的。

人為排放前所未有

此外，一個觸目驚心的結論是，今天人為造成的二氧化碳濃度上升比想像的更高、更快。

2008年，伯爾尼大學冰芯專家的研究顯示，過去80萬年裡大氣中二氧化碳濃度一直比今天低得多。從那時起，研究人員就在這些發現的基礎上進行了進一步研究。

Nehrbass-Ahles團隊發現，在其研究的12萬年間，出現了8次二氧化碳濃度迅速上升事件。而且有7次持續了100年以上，其中6次的二氧化碳濃度上升超過9ppm。相比之下，在工業革命初期人類活動向空氣中排放大量二氧化碳之前，大氣中二氧化碳的全球平均含量約為280ppm。

Nehrbass-Ahles表示，目前二氧化碳濃度的上升遠遠超過了前幾次間冰期，二氧化碳濃度的自然上升速度是過去十年中人類驅動速度的近1/10。而且，在過去的100年裡，二氧化碳濃度最大的增幅大約是15ppm，相當於過去6年裡人類活動造成的增加。

伯爾尼大學的Thomas Stocker說：「乍一看，這似乎不重要，但考慮到實現1.5攝氏度的氣候目標，這樣的增加無疑是巨大的，這項研究結果使我們在保護氣候方面面臨更大壓力。」（唐鳳）

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