最新研究揭示远古时期二氧化碳与气候变化关系

人类科学家一直期望了解大气层中的二氧化碳和地球气候系统之间的关系，一些通常的做法是运用科学模型和现实观察进行科学研究。不过最近一段时间，科学家又把眼光放到了远古时期。发表在《美国国家科学院学报》上的一篇论文表明，过去24亿年里，活火山不断释放大量的二氧化碳将地球从此前的“雪球”状态中解放出来。而在《科学》发表的另一篇论文则认为，2.5亿年前存在一系列的火山大爆发，不仅释放了足够的二氧化碳才彻底将地球变暖，同时也使得海洋变酸，90%的海洋物种死亡，三分之二的陆地生物随之灭绝，这也就是大灭绝时代。

两篇文章都显示大气中的二氧化碳浓度对地球气候的影响是巨大的，所以可推知即使我们现在排放的少量二氧化碳也会对地球环境产生显著影响。

哈佛大学荣休地质学家保罗·霍夫曼（Paul Hoffman）在上世纪九十年代帮助完善了地球曾经是“雪球”的理论假说：远古时期大陆逐渐漂移到离赤道更近的地方，那里的二氧化碳经雨水被携带到地球表面，由于和岩石发生了化学反应，不能再从太阳吸收热量，从而导致地球逐渐变冷，致使海冰逐渐蔓延到今天的温带地区，同时海冰会将更多的日光反射回太空，加剧了地球变冷过程。

几个大陆的冰川沉积物证明确实发生过这种现象。霍夫曼介绍：“冰原曾经在南北半球延伸到几近赤道的地方。过去大部分地质学家都反对这一观点，但现在基本都接受了。” 反对所谓“雪球”假说的论证认为，如果地球完全结冰封冻，那么冰层将很难融解。但显然，不论过去还是现在，二氧化碳都在融冰过程中起到了重要作用。

最近的新研究在此理论基础上较为准确地估算了当时地球的确切温度。德国哥廷根大学的地质学家丹尼尔·赫瓦茨（Daniel Hewartz）表示，根据在格陵兰岛以及南极洲冰盖采集到的远古冰芯，可以测算过去不同时期的气温。此外，冰样中包裹的气泡让科学家得以测算不同时期空气中的二氧化碳浓度。

但是冰样最多只能回溯到80万年前，因此赫瓦茨与同事们又将目光投向火山岩。不同时期的火山岩浆在冰盖融水中冷却，生成的岩石中会包含当时冰盖融水中的氧元素，通过测定不同重量的氧原子，便可回溯测算不同时期的地球气温。

霍夫曼表示：“这一方法的创新之处在于能够定量计算冰原表层之上的气温。”主要的缺陷在于可满足研究需求的岩石分布有限，并且对于其所处时期的判定还存在不确定性，“还无法清晰揭示更大范围的地理学图景”。

海洋酸度是大气超量二氧化碳浓度的印记。地球结束雪球时代的时期，与海洋酸度极高之时具有高度一致性。《科学》杂志发表的研究表明，在大约2.52亿年前，海洋酸度急剧升高，当时地球正发生科学所知最大程度的物种灭绝。例如在二叠纪-三叠纪或者二叠纪末发生的物种大灭绝就导致了大量的物种消失，尤其是海洋生物。

爱丁堡大学参与此项研究的瑞秋·伍德（Rachel Wood）表示，大量释放的甲烷是地球显著变暖的一部分原因，“现在我们又知道了一个新的因素”。海洋酸化的证据来自远古时期的石灰岩。当岩石形成之际，酸性环境决定了硼元素与之发生化合反应的方式。因此，不同时期的石灰岩沉积其硼含量多寡也会有细微差别。

伍德及其同事在西伯利亚的广袤地区发现了大量由一系列火山爆发形成的火山岩，它们能够佐证二氧化碳的释放并导致海洋酸化。伴随物种灭绝的海洋酸化“一直是科学家们的猜测，但是此前一直没有得到证明。”这一酸化过程历经10000年左右，其间每年释放的二氧化碳很可能少于现在人类每年排放的二氧化碳，但是累积起来足以将海洋变成一个有毒的巨型酸水池。

伍德补充说，“让人担忧的是我们已经看到海洋酸化的迹象”，例如由于海水酸化腐蚀，贝类动物生成贝壳耗能增大，“海洋随二氧化碳日益增加而产生的反应十分复杂，我们很难发现物种灭绝的临界点”。

上述对远古时期二氧化碳与气候变化的关系研究还有待进一步的确证，但是其结果与过去一个世纪以来科学家们揭示的气候变化图景高度吻合，二氧化碳不仅在十亿年前是驱动气候系统变化的关键因素，今天依旧如此。不同之处在于人类对于向大气中排放的二氧化碳已经有了有一定的控制能力。