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远古地球极热事件研究:探寻应对全球变暖之策

时间:2016-11-16 10:50:59 点击:

  核心提示:如果南极洲冰川融化,海平面将大幅上升。南极洲上的冰川冰冻时间已长达数百万年。  新浪科技讯 北京时间9月23日消息,据国外媒体报道,大约在5500万年前,全球气温曾一度极速攀升,从而导致海平面升高、海...

如果南极洲冰川融化,海平面将大幅上升。

南极洲上的冰川冰冻时间已长达数百万年。

  新浪科技讯 北京时间9月23日消息,据国外媒体报道,大约在5500万年前,全球气温曾一度极速攀升,从而导致海平面升高、海洋酸度增大,以及一些物种的永久消亡。这一历史性全球变暖就是著名的“古新世-始新世极热事件”。科学家眼中,这一事件具有很高的研究参考价值,对后世研究者探索现代气候变化有着非同寻常的意义。许多科学家开始对大约5500万年前的海洋沉积物等进行深入研究,探寻该事件与现代气候变化事件之间的异同以及气候变化的成因,以期为现代人应对全球气候变暖找到有效解决方案。

  如今,我们知道在地球进化史中,“古新世-始新世极热事件”是全球气候变化最迅速且最剧烈的一个典型例子,其引发原因还有待考证。然而,科学家猜测这个原因很可能与造成现代气候变化的原因非常相似,并且有一点非常明确,那就是“古新世-始新世极热事件”对环境的影响意义深远,它可能已经改变了地球生命的历程。

  20世纪80年代,许多地质学家都参与了南极洲沉积物的研究,并在1991年发表了他们的研究成果。在研究论文中,他们称,泥淖中微型浮游生物的化石壳显示,这里曾经历过气温的极速攀升。更准确地说,是这些浮游生物化石壳中锁住的氧同位素暴露了气候变暖的事实。大约在5500万年,这些壳中的“重”氧18,相对“轻”氧16的含量更高。氧18的丰富含量是气候变暖的明显标识。由于“轻”氧16最容易蒸发,也就是说越温暖的水中所含的氧18就越多,因此生活在更高温度水中的浮游生物就会在壳中锁住更多的氧18。这些浮游生物的壳还暗示着另外一个现象,即它们所含的碳导致了海洋温度上升。

“古新世-始新世极热事件”之前的南极洲没有冰天雪地。

一个更热的气候意味着一个不同的世界。

  与氧元素一样,碳元素也以许多不同的同位素形式存在。几乎就在浮游生物的壳中富含氧18的同时,其中的碳12含量也相对碳13含量要高。海洋一定是在突然之间,吸收了大量的碳12,这通常是由于含碳丰富的温室气体,如二氧化碳和甲烷向大气中大规模喷发所造成。换而言之,“古新世-始新世极热事件”的成因就是温室气体,这也与当代的气候变化原因非常相似。然而,如今的全球气候变暖不仅仅是重蹈“古新世-始新世极热事件”的覆辄,因为如今的地球已不再是5500万年前的那个地球了。

  如今,受气候变化影响,南极洲冰层面积急剧缩小,这个问题成为全球最热的关注焦点之一。在“古新世-始新世极热事件”时期,由于当时可能根本没有南极洲冰层,所以这个问题在当时并不是什么问题。即使在“古新世-始新世极热事件”伊始,全球气温也比如今的气温要高几度。一些研究人员认为,“古新世-始新世极热事件”时期的气候变化节奏也与今天的气候变化节奏明显不同。有关这个论点,2013年发表的一篇研究论文引起科学界的广泛争议。研究人员对5500万年前大西洋西北部的海底泥淖进行了检测,结果发现泥浆带是按年周期形成的。当追踪到与“古新世-始新世极热事件”有关的碳、氧元素的同位氧时,研究人员发现它们仅存在13个泥浆带中。他们表示,这意味着“古新世-始新世极热事件”的温度攀升了13年。

  然而,这并不意味着“古新世-始新世极热事件”反复持续了十多年。所有研究人员一致认为,此次异常的气候变暖造成平均气温升高了至少5摄氏度,整个过程持续了大约17万年。或许,全球气温在仅仅13年中就攀升了5摄氏度。如今,全球气温从19世纪末以来,才升高了1摄氏度。如果“古新世-始新世极热事件”中气候变化果真如此迅速,那么一定有某个事件触发了这个气候变暖。要在短时期内导致全球气温急剧上升,大气必定在几乎一夜之间就充满了温室气体。科学家猜测,也许当时有一颗富含碳的彗星飞近地球,而在现代气候变化中未碰到此种情况。不过,有必要强调一下,许多研究人员都强烈反对13年这个数字。

海洋储存了大量的热能。

气候变化导致全球许多地方出现严重干旱。

  夏威夷大学科学家理查德-泽比认为,这一理论存在许多问题。其中一个重要问题是,从物理学角度来说让海洋在如此短暂的时间内热起来几乎不可能。在地球上,海洋面积非常广袤,让它们热起来需要很长时间。即使大气中瞬间充满了二氧化碳,海洋也不可能在13年时间里那么热。泽比表示:“你可以让大气在短时间内变热,但是要让海洋变热,可是需要数个世纪甚至数千年。还有一些研究人员指出,在岩石中的13个泥浆带,每个泥浆带一定代表了数个世纪,而不是代表数年。许多沉积物钻探专家表示,如果这些泥浆带是真实的,它们可能也仅仅是研究人员用来提取泥淖所使用到的手工制品。绝大多数研究人员认为,“古新世-始新世极热事件”的发生持续了非常长的时期,但具体到多少年还没有定论。

  2011年的一篇气候评估文章认为,碳是在大约20000年时间中逐渐释放出来的。如此缓慢的释放过程与今天的情况相去甚远,这或许意味着温室气体来自于火山爆发过程中渐进式的气体释放。在2014年出版的研究论文中,研究人员将眼光放到了大地上。犹他大学科学家加比瑞尔-博温及其同事进行了一项研究,他们对怀俄明州在5500万年前形成的土壤中的碳同位素进行了检测。正如海洋沉积物揭示了“古新世-始新世极热事件”时期的海洋状况,土壤反应了“古新世-始新世极热事件”时期的大气状况。结果显示,在土壤中碳酸盐结核中的碳12含量有所增高。研究人员分析认为,释放到大气中的碳大约持续了1500年左右,这个时间跨度与今天的大气变化非常类似。通过对古代土壤的研究,科学家了解到碳排放的速度。

  研究人员推算,在远古时代,每年大约有十亿吨碳排放到大气中。根据这些发现,“古新世-始新世极热事件”似乎为现代气候变化提供了一个更合理可信的模式。博温及其同事在怀俄明州还发现,在5500万年前这里曾出现过两股不寻常的增温脉冲。在“古新世-始新世极热事件”之前的数千年间,大量富含碳的温室气体进入大气中,其来源尚不明确,之后每年以10亿吨左右的速率递增。然而,这一“早发型事件”似乎被环境轻易抹盖了。当时,大气温度升高,随后又在数千年后回落,一切看上去又回复到最初的正常状态。由于海洋吸收了此次“早发型事件”中释放的热能,这令气温回落成为可能,不过同时也为后来的“古新世-始新世极热事件”铺就了道路。

现代气候变化将导致遭受旱灾的地区越来越多。

在“古新世-始新世极热事件”时期,植物生长繁茂。

  当海洋温度逐渐升高,“冻”在海床中的大量甲烷沉积开始解冻融化。甲烷是一种强大的温室气体,随着它的解冻冒泡进入大气,全球气温开始上升。随着全球气温的上升,海洋温度进一步升高,触发海床中更多的甲烷释放,进而又促进了大气的升温,形成恶性循环。如此反复导致了整个地球变暖,引发了“古新世-始新世极热事件”。如今,类似的升温变暖情况很可能再次出现。随着现代海洋的变暖,有证据显示海床中的甲烷可能再一次解冻冒泡。有了“古新世-始新世极热事件”的前车之鉴,我们对全球气候变暖的问题有了一定的预见性。然而,对导致“古新世-始新世极热事件”原因的所有解释都还只是一种推断猜测,目前尚未有可靠的科学共识,不过很显然其成因之一必定有来自某处的温室气体。

  博温忧心忡忡地说:“我想最后总会有伤害。”关于“古新世-始新世极热事件”的成因有各种版本,例如彗星靠近地球,但是均与如今地球正经历的全球变暖大相径庭。在众多版本中,最令人觉得可以接受的一个是,来自海底的甲烷滚雪球般不断释放到大气中,这一点与今天的气候变化成因很相似。尽管“古新世-始新世极热事件”的成因仍令科学家难以捉摸,但其危害性昭然可见。

如果气候持续变暖,海平面最终将升高数十米。

如今的南极洲冰天雪地,一片纯白。

  即使回退到1991年刚刚发现这一事件那会,在科学家看来,“古新世-始新世极热事件”也是一个自然界的毁灭者。一些保存在南极洲沉积物中的微生物物种,在气候变暖伊始就消失了。生活在海洋深处的生物,成为此次事件中最易受冲击影响的对象。它们在数千万年间,经历了最为严酷的物种灭绝。令人惊奇的是,许多生活在海洋中的稍浅水域的微观生物物种却显得特别繁盛,这是气候变化过程中“适者生存,劣者淘汰”的一个早期迹象。深海生物物种的死亡因素可能非常复杂,逐渐变暖的水温以及水中越来越少的氧气,都是罪魁祸首。然而,另一些微生物却刚好可以利用自身优势,适应缺氧环境逆势生存。

  那时候,一些海洋沉积物含有大量富铁磁性矿物,这种矿物被称为磁铁矿。有些物种可以利用磁铁矿,将其贮存在体内,这可能是因为磁铁矿有两大好处:一是有硬度,可以造就一副钢牙铁齿;二是有磁性,可以帮助生物根据地球磁场确定方向。缺氧水域有利于铁的累积,因此在“古新世-始新世极热事件”时期,海洋中利用磁铁矿生存的微生物就可能呈现欣欣向荣的景象。海水的其它变化往往都是有害的。当海洋吸收了温室气体,如二氧化碳,海水会变为弱酸性,PH值降低,导致海洋酸化。我们知道,今天的全球海洋都可见这种酸化,事实上5500万年前也有过海洋酸化现象。无论是在过去还是现在,海洋酸化都不利于海洋生物生存,因为随着海水PH值的下降,酸性物质会溶解掉建造骨骼的碳酸钙,导致深海生物的物种灭绝。同时,海洋酸化也会影响海洋中的浅水生物生存,特别是珊瑚礁遭遇了自5.5亿年前进化至今来,最为严重的一次生存危机。除了海洋生物,陆地上的野生动物也面临着生存环境的重大变化。

“古新世-始新世极热事件”释放的热能改变了地球上的野生动物。

在世界上的一些地区,雨量越来越多。

在“古新世-始新世极热事件”时期,针叶树林从怀俄明州消失了。

始祖马是一体形跟家猫大小差不多的马。

  在“古新世-始新世极热事件”时期,北极的雨量也比平常要多得多,这或许是因为热带海水蒸发,蒸汽升到空中进入高纬度地带。通过研究5500万年前形成的岩石类型,地质学家发现,干燥的沿海环境也因为海平面的上升被淹没。由于陆地上没有冰可以融化,因此海平面上升的影响不是很大,被水淹没的区域大约就5米高。然而,在一些恶劣情况下,海平面上升可能会造成更严重的灾害。例如,这一时期,曾出现北大西洋的岩浆活动。海洋地壳温度升高,推动岩浆向上运动,使海洋变得更窄,进而又加重海平面上升趋势,如此一来海平面可能升高达30米。对于陆地上的生物而言,“古新世-始新世极热事件”所带来的影响也是深远巨大的。

  在怀俄明州,植物范围随着气温的升高,向北推移了数百公里。很明显,针叶树林已经基本上从怀俄明州消失殆尽了,直到“古新世-始新世极热事件”后气温回落,针叶树林才又重现。还有一些植物物种也从热带地区消失了,但是有迹象显示植物多样性事实上整体有所增长。究其原因,可能是因为温暖的气候,以及空气中植物赖以生存的二氧化碳含量的大幅增加。也正是在“古新世-始新世极热事件”时期,统治地球的许多哺乳动物种群,包括马、牛和其它有蹄类动物出现并广泛分布于北半球,原因可能就是因为逐渐变暖的气候环境。但是,这些我们耳熟能详的动物种群的成员变化,又将令我们大吃一惊。内布拉斯加州立大学科学家罗斯-塞科德指出:“有充分证据显示,40%的哺乳动物群在‘古新世-始新世极热事件’时期,体形变得越来越小,并且没有一种动物群体形变大。”事实上,一些哺乳动物体形已经变得很小了。

  2012年,塞科德及其同事对始祖马进行过研究,这是一种生活在目前怀俄明州地区的古兽马。根据化石记录显示,在“古新世-始新世极热事件”伊始之初,始祖马的体形非常小,大约重5.6公斤。随着气温上升,始祖马的体形变得越来越小,13万年后一些成年始祖马竟然进化到只有3.9公斤大小,接近于一只家猫的重量。在“古新世-始新世极热事件”之末,随着气温回落,始祖马又开始长大。其它一些食草哺乳动物体形也有所缩小,食肉动物也不例外。塞科德称,这种体形变化可能是遵循了伯格曼定律。伯格曼定律认为,恒温动物在温暖地区体形会相对变小,而在寒冷地区体形会相对变大。但是,伯格曼定律常常被用来解释热带地区生活的动物比高纬度地区生活的动物体形要小,而不是用来解释为何动物会因为全球变暖而生长成不同体形大小。

生长茂盛的热带雨林。

雨林在湿热环境下生长繁盛。

气候变暖意味着海平面上升。

  2013年,密西根大学科学家菲利浦-金格里奇表示,哺乳动物会随“古新世-始新世极热事件”所带来的植物变化而变化。当大气中的二氧化碳水平升高,植物的叶子和嫩芽中的营养会流失,并且变硬不利于食草动物消化。在“古新世-始新世极热事件”期间,这种情况可能导致动物生长速度减慢,食草动物数量减少,结果导致食肉动物捕食体形更小的猎物。南佛罗里达大学科学家彼得-斯特林也就这个问题进行了研究。早在2007年,他就发现,在二氧化碳含量高的大气中,橡树叶中的氮元素含量较低。斯特林总结说:“这样一来,食草动物常常要吃更多的树叶来补充营养。”然而,到目前为止,科学家并没有直接证据证明,食草动物或者以其为生的食肉动物,会因此生长得更慢,并在成年后体形更小。

  从科学家发现“古新世-始新世极热事件”以来,我们已经对其有了大量深入了解,然而还有许多悬而未决的问题。其中一个最诡异的问题就是,5500万年前的气候变暖在第一个真正的灵长类动物进化过程中,是否起到重要作用,因为人类是由灵长类动物最终进化而来的。现代灵长类动物与马和其它有蹄类动物,是在“古新世-始新世极热事件”伊始阶段出现,并传播开来。虽然他们的早期化石记录是四拼八凑起来的,但是在亚洲、欧洲、美洲和非洲,它们看上去的确是几乎同时出现的。在数千万年间,作为灵长类目独特分支的人类,已经繁盛到如此程度,以至于整个地球成为了一个人猿星球。大约在500万年后,我们所知道的首个直立行走的猿,即人类的祖先出现了。如果没有“古新世-始新世极热事件”,灵长类动物会变得如此成功吗?谁也无法回答。

作者:admin 来源:网络
 

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