古代变暖的新地图显示出对二氧化碳的强烈反应

过去的变暖暗示着对二氧化碳的敏感度上升，降雨量的广泛变化。

上图：5600万年前气候变暖导致的全球降雨变化图：绿色=潮湿，棕色=干燥。圆圈显示了地质数据显示它变干或变湿的地方，作为对新结果的检验。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，亚利桑那大学的杰西卡·蒂尔尼（Jessica Tierney）教授和他的同事绘制了5600万年前古新世-始新世极热事件（PETM）碳驱动的全球变暖的完整地图。

虽然，PETM与目前的气候变暖有一些相似之处，但新的研究包含了一些意想不到的结果 —— 当时气候对二氧化碳的反应大约是政府间气候变化专门委员会（IPCC）目前最佳估计的两倍。但两极降雨模式的变化和两极变暖的放大与现代趋势非常一致。尽管当时的世界与现在大不相同。

一个不同的世界

PETM的变暖是由地质上快速释放的二氧化碳引起的，主要来自于现在冰岛所在的地幔岩浆的震动。岩浆侵入北大西洋富含石油的沉积物，沸腾了二氧化碳和甲烷。它使本已温暖、高二氧化碳的气候变得更热，持续了数万年，导致一些深海生物和一些热带植物灭绝。哺乳动物进化成更小的动物，并有跨越大陆的大规模迁徙；鳄鱼、类似河马的生物和棕榈树都在距离北极仅500英里的地方茁壮成长，而南极洲当时是无冰的。

随着气候变暖，科学家们越来越多地在研究过去的气候以寻求见解，但他们受到了温度、二氧化碳水平和变化确切时间的不确定性的阻碍。例如，在PETM之前的工作中，温度的不确定性在8 C到10 C之间。现在，杰西卡·蒂尔尼教授的团队已经将这个不确定范围缩小到仅2.4 C，表明PETM上升了5.6 C，比之前估计的约5 C有所改进。

杰西卡·蒂尔尼教授说：“与之前的工作相比，我们确实缩小这一估计的范围。”

研究人员还根据在浮游生物贝壳化石中测定的硼同位素，计算了PETM之前和期间的二氧化碳水平。他们发现，在PETM之前，二氧化碳含量约为1120 ppm，峰值时升至2020 ppm。相比之下，工业化前的二氧化碳含量是280ppm，而我们目前的二氧化碳含量约为418ppm。该团队能够使用这些新的温度和二氧化碳值，来计算二氧化碳值翻倍时地球变暖的程度，或PETM的“平衡气候敏感性”。

高度敏感

政府间气候变化专门委员会（IPCC）对我们这个时代气候敏感性的最佳估计是3摄氏度，但由于我们对地球系统反馈的了解不完善，这个估计有很大的不确定性 —— 可能在2摄氏度到5摄氏度之间。如果敏感度较高，那么在一定的排放量下，我们会变暖得更多。蒂尔尼的研究发现，PETM气候敏感性为6.5 c —— 这是IPCC最佳估计的两倍多。

一个更高的数字“并不太令人惊讶”，蒂尔尼告诉我们，因为早期的研究表明，在地球过去二氧化碳水平较高的时候，地球对二氧化碳的反应更强烈。我们的气候敏感性不会那么高。蒂尔尼解释说：“我们预计明天的气候敏感度不会达到6.5摄氏度。”

然而，他们的论文确实表明，如果我们继续提高二氧化碳水平，它将推动温度对二氧化碳的响应更高。蒂尔尼说：“我们可能会预计，在不久的将来，气候敏感性会在一定程度上增加，特别是如果我们排放更多的温室气体的话。”

利用“数据同化”绘制气候图

从蒂尔尼的团队处理地质学家长期存在的问题的方式中，我们可以看到新的、更清晰的图景：我们并没有地球上每个地方的数据。PETM的地质数据，仅限于保存和获取当时沉积物的地点 —— 通常是通过钻孔或露头的陆地。任何关于全球气候的结论都必须从这些稀少的数据点上放大。

“这实际上是一个难题，”蒂尔尼说。“如果你想了解空间上发生了什么，仅靠地质数据真的很难做到这一点。”所以，蒂尔尼和他的同事从天气预报中借用了一种技术。蒂尔尼说：“气象人员所做的是运行一个天气模型，随着时间的推移，他们测量风和温度，然后将其同化到模型中 …… 然后，再次运行该模型，以改进预报。”

她的团队没有使用温度计，而是使用了保存在5600万年前沉积物中的微生物和浮游生物残骸的温度测量。他们没有使用天气模型，而是使用了一个有始新世地理和没有冰原的气候模型，来模拟PETM变暖之前和峰值时的气候。他们运行了很多次模型，改变了二氧化碳水平和地球轨道配置，因为这些不确定性。然后，他们用微生物和浮游生物的数据来选择最符合数据的模拟。

蒂尔尼解释说：“我们的想法实际上是利用模型模拟在空间上是完整的这一事实。但它们是模型，所以我们不知道它们是否正确。数据知道发生了什么，但它们在空间上并不完整。所以，把它们结合起来，我们可以两全其美。”

为了了解他们的混合产品与现实的匹配程度，他们将其与来自花粉和树叶，以及混合过程中不包括的地方的独立数据进行了对比。蒂尔尼说：“他们实际上非常非常匹配，这有点令人欣慰。”

伯明翰大学（University of Birmingham）的汤姆·邓克利·琼斯（Tom Dunkley Jones）博士没有参与这项研究，但他表示：“这项研究的新奇之处在于，它使用了一个气候模型，严格地计算出什么气候状态最符合PETM之前和期间的数据，给出了全球各地的气候变化模式，并对全球平均温度变化进行了更好的估计。”

意想不到的南极雪

他们的结果表明，在PETM时期，两极比地球上其他地方更温暖。这种“极地放大”是我们今天在北纬地区正在经历的事情，部分原因是海冰融化。但这并不能解释两极过去的行为。蒂尔尼说：“在PETM，我们没有海冰，也没有冰原。所以这就提出了一个问题：是什么推动了这种放大？”

他们的模型显示，部分原因是云层覆盖的变化。随着PETM气候变暖，南大洋、亚热带和北极上空的低云覆盖破裂，让更多的阳光进入海洋，使海洋变暖。这种类型的云变化也是今天变暖的一个重要放大器。

但该模型也带来了一个惊喜：尽管气候温暖，但整个南极洲都有明显的季节性降雪。蒂尔尼说：“我从来没有想到过，在 PETM 期间会下雪。”

那时的南极洲和现在一样，整个冬天都是黑暗的，但在春天，当阳光返回时，积雪持续存在，将阳光反射回太空，使PETM前的气候稍微凉爽一些。在PETM的温暖高峰时期，南极洲的春季降雪要少得多，所以更多的土地能够吸收春天阳光的温暖。

蒂尔尼说：“在南极洲，磁场的放大比在北极要大，而今天的情况恰恰相反。在这个温暖的世界里，南极洲是极地放大的主要参与者。”

降雨变化对热带地区来说是一件大事

蒂尔尼的团队揭示的地球变暖与PETM的另一个相似之处，是对降雨的影响。如今，全球气温的上升意味着大气可以容纳更多的水分，这些水分往往会在更大的倾盆大雨中下降。但气候变暖也改变了降雨的地方。蒂尔尼的研究结果表明，热带雨带在PETM时期缩小了，这与对未来气候的预测相符。

这意味着许多热带边缘地区将变得更加干燥。蒂尔尼说：“受到影响的地区将是加勒比海和中美洲，如果你仔细观察IPCC的预测，这些地区在更高的排放情景中显示出这种模式。”

指引我们的未来

蒂尔尼的团队强化了这样一种观点，即地球系统对二氧化碳增加的反应方式在寒冷气候和温暖气候中都有一致的模式，在过去和现在都是如此。

蒂尔尼说：“至少对我来说，有点令人惊讶的是，在这一事件期间的一些模式 …… 温度变化和降水变化，看起来很像我们预期的未来对高排放的反应。”

其它科学家表示，期待着用研究不足的地区的新数据来检验蒂尔尼的地图：“看看模型是否真的与这些地区的现实相匹配，既测试了模型在过去的行为，又提高了我们对这些模型预测的未来变化模式的信心。”

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