在过去的4.85亿年间，地球经历了比我们以往认知更为极端的温度波动。最近一项新的温度记录研究，描绘了关于地球气候变迁的复杂而生动的图景。令人惊讶的是，地球在过去4.85亿年的温度变化与大气中二氧化碳浓度的变化紧密相连，这种关系在很大程度上掩盖了其他因素，例如太阳辐射强度变化对地球温度的影响。这一发现揭示了地球气候在冰窖和温室状态之间的戏剧性波动。

几千万到几亿年前地球的温度是多少？地球经历了不同的时期，一些时期有广泛的极地冰盖，而另一些时期则完全无冰。估算过去的全球温度对于了解地球上生命的历史、预测未来的气候，以及更广泛地说，对于寻找其他宜居行星都很重要。

近期，美国史密森学会和亚利桑那大学的科学家们发表了一项重要的研究，详细描绘了地球表面温度在过去4.85亿年间的变化。这项成果2024年9月发表在《科学》（Science）上，研究结果表明，地球在显生宙期间的温度变化远比我们之前认识的要剧烈得多。显生宙是地球历史上生命多样化、生物登陆并多次经历大规模灭绝的时期。研究团队使用了一种称为“数据同化”的技术，这种方法将地质记录的数据与气候模型相结合，提供了对古代气候的全新理解。通过这种方法，科学家们展示了一个温度波动的详细时间线，揭示了地球的平均温度在最低点时降至约11℃，而在最热点时则飙升至约36℃。先前基于计算机模拟的这段时间内的温度重建报告的范围约为14℃至26℃。研究还发现，地球的温度与大气中的二氧化碳含量有着密切的联系。

研究团队将地质记录的数据与气候模型相结合，提供了对古代气候的全新理解：地球的平均温度在最低点时降至约11℃，而在最热点时则飙升至约36℃。（图片来源：sciencemag.org）

这项研究是2018年开始的长期项目的一部分，当时科学家们正在为史密森博物馆的“David H. Koch化石-深时”展览做准备。展览的目的是展示地球气候如何随时间变化，并将博物馆的化石收藏置于这一背景之中。为了构建这个跨越数亿年的温度曲线，科学家们启动了PhanTASTIC项目。他们收集了超过15万个来自不同地质化学档案的温度数据点，并利用这些数据和计算机模拟，重建了古代海洋的温度。研究将地球气候历史划分为5种不同的状态：冰室、冷室、过渡期、暖室和热室。在这5种状态中，地球在温暖气候中度过的时间比寒冷气候要多，这与我们对地球历史的普遍认知相符。例如，我们知道在古生代和中生代，地球经历了长时间的温室气候，而在新生代则出现了冰室气候。

这些数据和模型的结合，使得科学家们能够创建出一条精确的温度变化曲线。这项研究的重要性在于，它不仅让我们对过去有了更深入的了解，而且为我们理解当前的气候变化提供了关键的背景。例如，我们现在知道，地球目前的平均温度比显生宙的大多数时期都要低。然而，由于人类活动导致的温室气体排放，地球正在迅速变暖，这种速度甚至超过了显生宙时期最快的升温事件。这种快速的气候变化对全球的生态系统构成了威胁，并导致了海平面的急剧上升。

PhanDA模型还发现，尽管地球的气候在不同时期有着显著的变化，但热带地区的温度变化对全球平均温度的影响尤为显著。在温室气候时期，热带地区的温度可能达到了40℃以上，这对陆地生态系统构成了挑战。

此外，PhanDA模型的研究结果还表明，地球的气候系统对二氧化碳的敏感性在数亿年的时间尺度上保持了相对的一致性。因此说全球平均地表温度（GMST）的长期地质记录对于揭示地球的历史变迁以及为当前的气候变化提供历史背景至关重要。这些记录不仅帮助我们理解气候如何与地球系统的诸多方面——包括生物的演化与灭绝、大气和海洋的化学组成——相互作用，而且还能够细化我们对地球气候敏感性的认识。特别是，通过量化GMST与大气中二氧化碳浓度之间的关联，我们能够更准确地把握地球对温室气体变化的响应，进而优化对未来人为气候变化的预测。

现代温度计的发明虽然可以追溯到1654年，但全球气温的系统记录却始于1880年，不过科学家们对地球气候的了解远远超出了这些时间点。地球上的气候历史可以追溯到三十多亿年前，气候变化在地球历史上引发了许多影响，这些影响为科学家们提供了丰富的证据。通过分析冰芯、树木年轮、珊瑚、湖泊和海洋沉积物等自然“档案”，科学家们能够重建过去的气候条件，理解气候变化的模式和周期。

地球气候是一个不断变化的动态系统，它的历史充满了极端的冷暖交替。白垩纪时期的化石记录揭示了一个比现代更热的地球，热带植物如面包果树甚至在格陵兰岛这样的高纬度地区生长。而在过去50万年中，地球至少经历了4次冰河期，这些时期温度下降，导致冰盖扩张，最近的一次冰河期在2万年前达到顶峰，尽管冰盖从18000年前开始消退，但它们在南极洲和格陵兰岛的残留表明我们仍处在一个冰河时代。

科学家们通过研究冰川留下的地貌痕迹，如冰碛和鼓丘，以及化学证据，如特定于冰川的岩石沉积，来重建过去的气候条件。除了这些长期的变化，地球气候也会在较短的时期内发生变化，如小冰河期，它在16至17世纪达到高峰，使全球平均温度比现在低了1℃到1.5℃。这种温度的微小变化导致了显著的环境影响，包括冰川扩张和农作物生长季节的缩短。

2024年4月，科学家们在南极洲发现了600万年历史的古老“蓝冰”，这是迄今为止发现的最古老的冰，为研究地球古代气候提供了新的窗口。这些古老的冰层中的气泡含有上新世时期的空气，那是一个比现在温度高几摄氏度、二氧化碳含量可能与现在相当的时期。但初步分析表明，在上新世末期，二氧化碳水平相对较低，这可能对理解过去气候变化提供了新的线索，相关研究成果发表在《科学》（Science）上。此外，科学家们还可通过分析超过300年的树木年轮来研究小冰河期，年轮的宽度反映了树木生长的情况，这与气候条件密切相关。在干旱或寒冷的年份，树木生长缓慢，年轮较窄。

厄尔尼诺现象是另一种几乎可以预测的气候变化，它涉及东太平洋热带海域的周期性变暖，通常在圣诞节前后开始。这种变暖改变了全球的气候模式，如澳大利亚和东南亚的降雨减少，以及太平洋岛屿和美洲西海岸的极端风暴。厄尔尼诺通常在一两年后结束，气候模式恢复正常。这些研究不仅帮助我们理解地球的气候历史，还为我们提供了预测和应对未来气候变化的宝贵信息。

这些古气候学的研究不仅帮助我们了解地球的气候历史，还为预测未来气候变化提供了宝贵的信息。尽管当前的气候变暖状态在地球历史上没有完全相同的先例，但通过研究地球的古气候，科学家们能够提供理解当前全球变暖的重要科学依据，并尝试预测未来气候变化的趋势。科学家们也据此发出警告：人类活动导致的气候变化正在推动地球以前所未有的速度变暖，这一速度甚至超过了显生宙时期已知的最快升温事件。这种急剧的气候变化对全球的物种和生态系统构成了严重威胁，并且正在引起海平面的急剧上升。

南方周末特约撰稿 祝叶华

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