6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

過去6600萬年以來,大型恐龍絕滅,被子植物、哺乳類和鳥類繁盛,是地質歷史中的新生代。新生代早期兩極沒有冰蓋,晚期兩極出現大規模冰蓋。溫室氣體濃度一度超過2000ppmv,而到末次冰期不足200ppmv。古氣候學家一直希望獲得新生代以來的氣候變化記錄,來理解現代的地球氣候演化規律和發展趨勢。

整整100年前,米蘭科維奇提出地球軌道參數變化,包括偏心率、傾角以及歲差,影響了地球表面獲得的太陽輻射緯度和季節分配,驅動了地球氣候准周期變化(Milankovitch, 1920)。過去50年中,米蘭科維奇假說不但成了一種古氣候研究的理論範式,而且也為古氣候研究提供了天文定年方法。

從1980年代中期開始,古氣候學者利用深海沉積物的碳、氧同位素記錄來集成重建新生代氣候歷史。迄今最有影響的集成曲線是2001年 UCSC古海洋學教授Jim Zachos團隊發表在Science上的論文(Zachos et al。, 2001a)。這篇文章很大程度上奠定了學界對新生代氣候演化的整體認識。但當時,天文定年時間標尺剛剛邁進了古近紀門檻(Zachos et al。, 2001b),新生代早期的時間標尺主要依賴於生物地層和磁性地層,還有不少分歧。

在過去20年里,全球新獲得的深海沉積鑽孔極大地彌補了這些缺憾(圖1),天文時間標尺逐漸跨過新生代,向古生代延伸。新的集成曲線呼之欲出。

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖1 CENOGRID鑽孔分布(Westerhold et al。, 2020附件)

最近,這項工作由德國不來梅大學海洋環境科學中心(MARUM)的Thomas Westerhold領銜完成,論文9月11日在Science發表(Westerhold et al。, 2020)。

他們在超過1000個深海沉積鑽孔中挑選出14個鑽孔,仔細檢查並修正了這些岩芯的拼接方式,選擇兩個長壽的有孔蟲屬Cibicidoides和Nuttallides的氧、碳同位素記錄重建氣候歷史。根據初步的時間標尺,補充測試了部分晚中新世到早始新世的樣品,來保證足夠的時間分辨率。他們收集了所有記錄已有的天文時間標尺,並且把這些時間標尺統一調整到La2010b的軌道方案,最終獲得了一條經過天文調諧定年的,連續覆蓋整個新生代全球氣候參考曲線CENOGRID(CENOzoic Global Reference benthic foraminifer carbon and oxygen Isotope Dataset)(圖2)。

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖2 CENOGRID數據集(Westerhold et al。, 2020)

數據集由23629個數據點組成,時間分辨率漸新世以來高達2ka,古新世和始新世為4.4Ka,估計年代誤差古新世-始新世為10萬年,漸新世-中中新世為5萬年,晚中新世-更新世為1萬年。這是全球第一條完整覆蓋新生代的高清晰度同位素地層參考曲線。

全球氣候是一個復雜的動態系統,在萬年到百萬年尺度上,對准周期性的天文強迫有復雜的非線性響應。為研究CENOGRID的時域特徵,研究團隊進行了重現分析(recurrence analysis, 也稱遞歸分析)。重現分析可以揭示系統的非線性動力學過程,以及非線性相互作用信息,重現圖是對時間序列的內部結構及可預測性的可視化。

CENOGRID氧同位素的重現圖揭示了4種截然不同的方塊區域(圖3)。每個方塊對應着氣候在特定狀態下反復循環。新生代氣候據此可以分成4個狀態,稱為熱室、溫室、冷室和冰室狀態。熱室狀態是從56 Ma持續到47 Ma,溫度比現在高10度,還出現了氧同位素和碳同位素同步負漂的極熱事件。溫室狀態有兩個時期,分別是66 Ma到56 Ma,以及47 Ma到34 Ma。這兩個溫室狀態溫度相似,但碳同位素值和二氧化碳濃度截然不同。34 Ma前後始新世-漸新世界線是新生代最顯著的轉換事件。冷室狀態從34 Ma持續到3.3 Ma,以13.9 Ma可以分為兩個階段。3.3 Ma之後為冰室狀態,地球的氣候受北半球冰蓋消長控制。這四種狀態的劃分,與之前對新生代氣候歷史的認識大體相符,但是重現圖首次提供了統計穩健的客觀證據。

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖3 CENOGRID氧同位素重現圖清晰顯示了新生代氣候的不同狀態(Westerhold et al。, 2020)

演化譜顯示(圖4),在13.9 Ma以前,包括地球熱室、溫室以及冷室狀態的第一階段,氣候周期以偏心率為主,意味着低緯過程驅動着氣候演化,推測偏心率調控歲差,影響了季風降水的季節性,進而作用於全球水汽和能量的分布。而傾角周期在暖室熱室和第一階段的冷室狀態中表現不顯著,可能和當時冰蓋的規模小,缺乏高緯的放大效應所致。隨着高緯變冷和冰蓋增長,13.9 Ma之後地軸傾斜度的信號逐漸增強,到3.3 Ma成為冰室地球氣候系統的主導周期。

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖4 CENOGRID的演化譜(改自Westerhold et al。, 2020)

作者們還計算了CENOGRID曲線重現分析的確定性(圖5),定量描述系統的可預測性。當確定性接近0,表示系統是隨機的,不可預測,接近1,表明系統確定。結果顯示,溫室和熱室地球比冷室和冰室地球更可預測。34 Ma南極冰蓋出現,確定性參數顯著降低,地球氣候系統非線性程度大大增強。在冷室地球第一階段中,南極冰量相對較少的25-14 Ma,確定性也相對較高。碳、氧同位素比較而言,6 Ma之前,北極冰量增加,碳同位素的確定性高於氧同位素,主要原因可能是碳同位素主要受制於低緯過程,受極地冰量影響較小。直到6 Ma之後,冰凍圈才深刻地影響了碳循環。到3.3 Ma之後,氧同位素顯示出強烈的偏心率周期,確定性有所增強。

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖5 CENOGRID重現分析的確定性(改自Westerhold et al。, 2020)

相對而言,熱室地球比溫室地球更加不易預測,主要原因是極熱事件顯示了強烈的非線性過程,放大了天文強迫。另外,值得注意的是,47 Ma之後,確定性波動幅度越來越大,直到34 Ma到達臨界點,變成了不可預測的狀態。據此,作者推測,兩極的冰量不僅僅定義了地球的基本氣候狀態,同時影響了氣候系統對天文輻射響應的可預測性。

CENOGRID團隊還同時公開了對未來氣候的預測:目前人為造成的全球變暖的速度遠遠超過了在新生代任何時候的自然氣候波動,並且有可能將地球氣候從目前的冰室推向熱室狀態(圖6)。「預計的人為變暖將比這要大得多,IPCC預測,如果『一切照舊』,2300年全球氣溫達到5000萬年以來的最高水平。」

6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

圖6 CENOGRID團隊對未來氣候的預測(圖片來源:Thomas Westerhold)

來源:cnBeta