前沿论坛MatthewJ。Kohn为什么全球变暖是异常的？

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　　摘要：地质历史时期，全球气候出现过比现今更加温暖的时候，也出现过更加寒冷的时候。如果说气候变化就是全球平均温度的上升和下降，那么我们从何得知现代全球气候变暖是正常的还是异常的呢？地质学家如何知道过去的气候，尤其是人类历史记录之前的气候是什么样的呢？ 根据百年尺度的气候记录工具——钻孔、以及千年尺度的工具——树轮的重建结果表明，全球气候在中世纪暖期之后的大约400年间经历了一次降温，但是在1910年以来的一个世纪经历了明显的升温，全球平均温度升高了1 1.5 。对于更长时间尺度的气候记录，目前只能通过冰芯、有孔虫化石氧同位素、植物气孔密度和海洋藻类碳同位素等载体，通过恢复大气二氧化碳或甲烷浓度，来间接恢复地质历史时期的全球气候。南极冰芯的研究结果显示在过去80万年中，间冰期大气二氧化碳的平均浓度为265ppm、甲烷的平均浓度为630ppb，而通过正常气候演化达到现今二氧化碳浓度的概率是1/(5 10
　　32)，达到现今甲烷浓度的概率是1/(1 10197)。这一结果表明人类排放的温室气体正在将地球推向异常气候状态，至少这种状态在80万年的尺度上是异常的。此外，从已有的地质记录来看，现今全球变暖的速率及程度都是非常反常的。地质历史时期，全球气候的变化从没有像近一个世纪以来如此剧烈，除非发生灾难性地质事件，如流星撞击，火山喷发等。因此，我们有必要也有义务采取行动来减缓全球变暖的速度。
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　　01 全球变暖是证据确凿的
　　目前有众多证据都表明全球气温正在升高，并且对我们的生存环境产生了很多影响。包括冰川消融、两极冰盖范围缩小、海平面上升、极端天气事件增加、山火更加频繁、物种灭绝速度增加等等。2021年有两份关于全球气候变化的报告于8月出版。其中一份是联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告。另一份是中国国家气候中心的报告，主要记录的是中国的气候数据。第一张图展示的是全球1850年以来的气温变化，在1910年之前，虽然全球气温有升有降，但总体保持平稳，在这之后全球气温整体呈现上升趋势（图1a）。第二张图是中国1900年以来的气温变化，我们看到了同样的记录（图1b）。因此，不论是全球记录还是区域记录，它们都显示出同样的特征，即在上个世纪中全球气温升高了1 1.5 。
　　图1 过去100年间全球和中国的气温变化（a修改自IPCC 2021年度报告，b修改自中国气候变化蓝皮书）
　　02 全球变暖是正常的吗？
　　全球气温升高，我们说这不正常。但我们如何得知什么样的气候变化是正常的呢？因此我们需要尝试量化气候变化，并进行定量化比较。通过一个多世纪的研究，研究人员发现了以下三种古气候记录工具，分别是钻孔、树轮和冰芯（George and Ault, 2014; González-Rouco et al., 2009; Thompson et al., 2013）。这三种古气候记录工具分别应用于不同年代学尺度的古气候重建。如果我们只需要知道近500年来的全球气温变化，那么我们可以运用已有的各种类型的钻孔去得到相关数据。地球地表之下的热状态受地球内部热量的传导和地表温度变化的控制。对于没有内部热源且没有地表温度变化的均质地壳，地下温度随深度线性增加。相对于短期气候变化的时间尺度，该剖面可以被视为处于准稳态。由于热扩散，地下温度异常的幅度与地表温度扰动的持续时间和幅度成正比。地表温度的长期变化会传播到地下，并被记录为对地热准稳态的瞬态扰动。因此，研究人员可以通过钻孔中的温度剖面数据来恢复大约500年的地表温度变化。总结这些数据可以知道在大约150年前，全球温度相对较低，被称为小冰河时代，然而现今全球温度已大幅回升1 1.5 （图2a）。如果想要更长时间的数据记录，这时候我们就需要用到树轮。树轮是目前可以记录近2000年以来全球气温变化的有效工具。当天气暖和时，树木生长得繁盛，它们的树轮也更宽。当天气较冷时，它们的树轮则会变窄。研究人员的做法是通过收集地质历史时期的树芯，并测量树木年轮的宽度，然后结合14C定年手段，就可以得到近2000年来的温度变化图（图2b）。
　　图2 （a）钻孔的温度剖面反演的地表温度变化（修改自Jaume-Santero et al., 2016）；（b）树轮记录的过去近2000年的温度变化（修改自IPCC 2021年度报告）
　　然而要获得数千至数十万年尺度的全球温度记录是非常困难的。这就是为什么人们大多关注大约2000年来的树轮记录。因为树轮是一个时间尺度较长，且能够直接记录气温变化的工具。如果想获得数千至数十万年尺度的全球温度记录，我们需要研究冰芯。尽管冰芯不能直接记录当时的形成温度，但从根本上与温度有关。冰芯记录的是温室气体浓度，比如二氧化碳和甲烷的浓度，而温度与温室气体浓度是相关的。例如，格陵兰冰盖中冰芯的形成时代可以追溯到大约10万或12.5万年，而南极冰芯则可以追溯到80万年前。因此，冰芯是目前温室气体浓度记录时间最长的工具，也是温室气体浓度的连续记录工具。图3显示的分别是80万年以来南极冰芯的二氧化碳和甲烷浓度变化。在间冰期，二氧化碳和甲烷浓度较高，而在冰河时期大气二氧化碳和甲烷浓度则较低。在过去的80万年中，冰期和间冰期以十万年的周期出现。这是由地球沿轨道运动导致的正常变化。我们可以看到，在过去80万年中，大气二氧化碳浓度的最大值为299ppm，大气甲烷浓度的最大值为752ppb。数据表明2021年夏天地球大气中二氧化碳的浓度为419ppm，而甲烷浓度为1875ppb，超出了过去80万年期间地球大气二氧化碳和甲烷的最大浓度。为了衡量现今大气二氧化碳和甲烷浓度的异常程度。我们需要计算过去80万年间冰期的平均二氧化碳浓度，及其高斯分布的标准差。通过计算可以得到间冰期大气二氧化碳的平均浓度为265ppm、甲烷的平均浓度为630ppb。计算结果表明要达到现今大气二氧化碳浓度的概率需要在离平均值12个标准差（12σ）的范围内，对于甲烷来说则是30个标准差（30σ）（图3）。对于其概率我们可以采用如下概率密度函数计算：
　　式中x代表变量（现今值），μ代表平均值，σ代表标准差
　　通过计算如果要达到现今二氧化碳浓度的概率是1/(5 1032)，甲烷浓度的概率是1/(1 10197)。这就好比你和你的朋友都随机选中了银河系中的同一颗星星，抑或是地球上的同一粒沙子。这样的可能性明显非常非常小。毫无疑问，人类排放的温室气体正在将地球推向异常气候状态，至少这种状态在80万年的尺度上是异常的。
　　图3 过去80万年间南极冰芯的二氧化碳和甲烷浓度变化
　　03 地质历史时期的气候是否与现今气候类似？
　　从地质证据来说，地质历史时期的气候与现今气候相比非常不同。那么，我们的地球是否曾经出现过温度比现在还高的情况呢，答案是肯定的。晚白垩世以来深海底栖有孔虫化石记录的氧同位素（δ18O）证据表明，在早始新世时期，全球温度是最高的，被称为早始新世大暖期（Early Eocene Climate Optimum: EECO），从这之后全球逐渐降温（Westerhold et al., 2020）。其中在始新世/渐新世转换期（Eocene/Oligocene Transition），中新世大暖期（Miocene Climate Optimum）和中上新世暖期（Mid-Pliocene Warm Period）三个时期的降温最剧烈（图4）。在地质历史时期，地球温度的变化主要受控于大气中二氧化碳浓度的变化。过去的65Ma以来，全球出现了多次温室气候事件：比如距我们最近约3Ma的上新世暖期（Pliocene Climatic Optimum）和距今17-14Ma的中新世暖期（Miocene Climate Optimum）。而按照目前的碳排放趋势，未来100年后的地球大气二氧化碳浓度会达到中新世暖期的水平。
　　图4 深海底栖有孔虫化石记录的晚白垩世以来全球温度变化情况（Westerhold et al., 2020）
　　作为大气中主要的温室气体，大气中二氧化碳浓度的变化调控着全球气温，也是我们厘清气候突变触发机制的关键所在。目前研究人员可以通过植物气孔密度、海洋藻类碳同位素、海洋有孔虫硼同位素、古土壤碳酸盐碳同位素和其他一些手段（有机分子碳同位素等）来重建大气中的二氧化碳浓度。IPCC总结了所有指标并重建了过去60Ma以来大气二氧化碳浓度的变化情况。其结果显示大气二氧化碳浓度在约50Ma时达到了最大值（1500ppm），随后一直在下降，并在经历了多个冰期的旋回之后达到了现今浓度（图5a）。而现今大气二氧化碳浓度与15Ma之前的浓度相当。以上是过去60Ma以来大气二氧化碳浓度的变化，这段时间仅占地球历史的14.4%，那么更遥远的地质历史时期大气二氧化碳浓度是怎样的呢？IPCC的重建结果表明，500Ma以来地球上出现了多次二氧化碳浓度很高的情况（比如说：早泥盆世、中晚三叠世、早白垩世、始新世等），并在 400Ma时达到了最高值（约为2000ppm），而在晚古生代时期是很低的（图5b）。这可能与长期的生物演变有关。例如，陆生植物在大气二氧化碳浓度高的时期（泥盆纪， 400Ma）大量发育，随后消耗了大量的二氧化碳，从而导致了降温，驱动了晚古生代冰期的出现。随后又出现了侏罗纪时期的升温事件，但是目前对于该时期的升温机制还不是很清楚。不过，我们可以肯定的是这种变化是周期性的，而且似乎与长期的生物演变有关。
　　图5 IPCC 2021年重建的早古新世（ 60 Ma, a）和晚奥陶世（ 450 Ma, b）以来全球大气中二氧化碳浓度变化特征（数据来自于Paleo-CO2.org）
　　从已有的地质记录来看，现今的全球变暖也是非常反常的。地质历史时期地球气候的变化从没有如此剧烈，除非灾难性地质事件的出现，如流星撞击，火山喷发等，而今天的气候变化速度远远超过了地质历史时期的记录。由于气候的变化主要与大气中的二氧化碳浓度有关，我们可以看到人类活动释放的二氧化碳含量与大气中二氧化碳浓度之间的变化具有很好的相关性，全球所有的火山每年释放的二氧化碳通量小于1Gt/yr，而人类活动释放的二氧化碳通量可达到40Gt/yr，约为全球火山释放通量的200倍（图6a）。人类活动既可以释放温室气体（比如甲烷、二氧化碳等），也可以释放二氧化硫等冰室气体导致全球降温，当我们将所有因素（人类活动释放的温室气体、自然因素、人类活动输入大气中的气溶胶）都考虑进去，进行建模之后发现，模型得到的近年来全球气温变化与观测数据具有很好的一致性（图6b）。IPCC最新的模型结果表明：如果我们不采取措施的话，到2100年左右温度要升高5 ；而如果各国遵守巴黎协定，到2100年左右我们基本可以将升温幅度控制在2 以下。
　　图6 （a）1850年以来大气中二氧化碳浓度变化与人类活动释放的二氧化碳通量变化情况; （b）1850年以来人类活动引起的温度变化与实际观测结果之间的关系
　　04 减排建议
　　地质记录告诉我们，全球气温变化对大气二氧化碳浓度变化是非常敏感的，至少比模型预测的要敏感的多。我们在日常生活中应该怎样做才能尽量减少自己对气候变化的影响呢？Matthew J. Kohn教授给出了自己的一些建议：少吃肉、减少纯净水的使用（因为生产纯净水会释放大量的二氧化碳）、尽量少使用私家车出行、多使用公共交通工具出行、限制长途旅行，从日常生活点滴中减少自己的碳排放量。
　　【讲座视频回放：https://mp.weixin.qq.com/s/SMtqiVlLvvLSWWYIrcsPmg】
　　主要参考文献（上下滑动查看）
　　1.González-Rouco J F, Beltrami H, Zorita E, et al. Borehole climatology: a discussion based on contributions from climate modeling[J]. Climate of the Past, 2009, 5(1): 97-127.
　　2.Jaume-Santero F, Pickler C, Beltrami H, et al. North American regional climate reconstruction from ground surface temperature histories[J]. Climate of the Past, 2016, 12(12): 2181-2194.
　　3.George S S, Ault T R. The imprint of climate within Northern Hemisphere trees[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 89: 1-4.
　　4.Thompson L G, Mosley-Thompson E, Davis M E, et al. Annually resolved ice core records of tropical climate variability over the past  1800 years[J]. Science, 2013, 340(6135): 945-950.
　　5.Westerhold T, Marwan N, Drury A J, et al. An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years[J]. Science, 2020, 369(6509): 1383-1387.
　　整理：何少雄、张少华（岩石圈室）
　　美编：陈菲菲
　　校对：李玉钤、赵娜