如何更好重建地質歷史時期的全球氣候

最新研究成果刊登於GRL

預測未來地球氣候的關鍵，首先需要能夠利用過去準確的溫度記錄。通過重建過去的緯度溫度梯度（赤道和兩極之間的平均溫度之差），研究人員可以通過預測大氣流動，來判斷熱帶和極圈之間的溫帶地區所在的位置。但困難之處在於，許多現有數據偏向特定區域或特定類型的環境，而無法完整描繪地球古代的溫度。

近期，來自美國雪城大學地球與環境科學系的研究人員，在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）上發表了一項名為「解釋古代海洋表層溫度的動力學框架」的研究，目的是解決現有古氣候數據與整個地球歷史上給定緯度上「真實」平均溫度之間的偏差。

海洋環流及地球不同緯度海水錶層溫度

研究人員認為，準確估算古代海洋的溫度至關重要，因為它們是重建過去全球氣候條件的最佳工具，其中包括平均全球溫度和緯度溫度梯度等指標。而一旦能夠建立氣候模型，則提供了預測未來世界的一把情景。這一研究中用來預測未來的模型，能夠很好地模擬，因此這一研究結果的意義非常重要。在這項研究中，最重要的是要有來自過去的全面，採樣良好的數據。

為了確定古代溫度，地質學家採用了一些替代指標，這些替代指標是化學或生物標記物，記錄了保存在海底或大陸上的沉積物的溫度。由於古老的海底沉積物最終會進入地幔重熔再循環，因此海底沉積物的數據有一個「有效期」。因此，大多數古代溫度替代指標來自大陸邊緣或內陸淺海中積累的沉積物，在這些沉積物中可以記錄持續更長時間的信息。

研究人員使用來自現代海洋的溫度數據揭示了一致，可預測的模式，其中海洋表面比該緯度的預期溫度更高或更低，或多或少是存在季節性差異的。而最大偏移恰好代表著地質歷史時期中的兩種不同環境，知道兩種環境與全球平均水平有何偏差，能更好的解釋所獲得的數據。

a.現代海洋溫度採集點位置 b.地質歷史時期獲取的溫度

上圖a是現代海洋數據採樣點，而b中彩色點是地質歷史時期的數據與黑白色現代數據的對比，發現過去的研究數據基本都落在了季節性偏暖的水溫區，說明來自淺海或局限海（例如，地中海和波羅的海）的數據顯示，海表溫度比全球平均海洋表層溫度要高。而這一發現的理論意義是，即過去對古生代（約5.4億-2.5億年前）全球海洋表層平均溫度的估計是不切實際的，因為當時大部分數據來自淺海。

即使在2.5億年之後的研究中，絕大多數的海面溫度估算值也來自沿海地區，他們證明與全球海洋溫度相比，它們在系統上也存在偏差。

為了更準確地記錄給定緯度下的平均海洋溫度，研究人員必須考慮古溫度數據的不完整性。這項研究工作突顯了科學界需要將採樣工作集中於那些欠採樣環境。新的採樣工作至關重要。

在過去的幾十年中，古氣候界在理解古代氣候方面取得了重大進展。新的，更快，更便宜的分析技術，以及能回收海洋沉積物巖心的考察活動激增，產生了對古代海表溫度估算的大量數據。儘管取得了這些進步，但在同一時間間隔內來自不同位置的溫度估計之間和/或溫度估計與氣候模型結果之間仍然存在重大分歧。

而這項研究為調和這些差異提供了一個框架。