新研究揭示了调节地球气候变化的核心角色

最长冰期

约3.7亿年前的晚泥盆纪，地球逐渐进入了晚古生代大冰期。这一冰期延续至约2.6亿年前的二叠纪，是地球历史上持续时间最长且有可能最剧烈的冰期。在这次冰期的巅峰时期，巨大的大陆冰盖覆盖了全球大部分地区，海平面下降超过100米。

这一冰期的开启与结束标志着地球历史上最显著的气候转变之一，也是生命和环境演化的关键转折点。这一时期对古生代末期的两个重要阶段产生了深远影响：在冰期期间的石炭纪，形成了充满巨型昆虫的标志性“煤炭森林”；也为爬行动物在随后的二叠纪的崛起铺平了道路。

这一重大气候转变的关键驱动力被认为很可能是大气中二氧化碳（CO₂）浓度的变化。CO₂浓度的变化在气候冷暖交替中扮演了重要角色。尽管CO₂在现代气候变化中的作用已经被广泛研究，但其在地质历史的大部分时间的具体作用一直被“锁在岩石中”，限制了我们对地球气候变化机制的全面理解。

最近，一项发表在《自然·地球科学》的研究首次证明，CO₂在这一冰期的形成与消退中扮演了核心角色。研究显示，CO₂一直是地球气候和环境条件的调控者，对冰期的形成和终结具有决定性影响。

解锁CO₂的关键作用

大气中的CO₂是地球上最重要的温室气体。它能够吸收热量并将其中大部分辐射回地球，因此，当大气中的CO₂浓度上升时，地球的气候就会随之变暖。

然而，长期以来，晚古生代大冰期在气候研究中一直存在许多谜团。在过去的研究中，对这一时期大气中CO₂浓度的估算值差异巨大，不同温度重建模型的结果甚至可能相差20°C。

此外，传统的通过冰川沉积物来追踪冰期的方法，也因地质记录的不完整性而存在偏差，难以准确重建气候变化的细节。在试图整合这些碎片化的信息时，往往会出现矛盾，例如，峰值冰期条件会与高CO₂水平同时出现的现象。

新研究采用了新颖的地质化学分析方法，首次提供了一份覆盖8000万年的CO₂浓度记录，详细追踪了晚古生代大冰期的形成和消退过程。研究团队利用储存在腕足动物化石贝壳中的化学指纹（如硼同位素）来重建远古时期的大气CO₂水平。

腕足动物化石。（图/Ruben Marchesi）

腕足动物是一类古老的蛤样生物，至今仍栖息在海洋中，其化石广泛分布于不同地质时期，为揭示地球气候和环境的演变提供了独特的线索。

研究发现，在晚古生代的部分时间内，地球大气中的CO₂浓度相对较低（约330ppm），并在约2.98亿年前的石炭纪与二叠纪交界处降至最低值（约200ppm）。这在地球历史上是前所未有的。这种极低的CO₂浓度，加上更年轻时期的太阳所辐射的热量较低，导致了强烈的“冰窖”效应，使冰盖一度扩展至地球的中纬度地区。

更令人意外的是，这项研究还揭示了冰窖时期的迅速终结。此前科学家普遍认为晚古生代大冰期是逐渐消退的，但这项研究表明，这一冰期在大约2.94亿年前由于大规模火山活动而迅速结束。火山活动导致大气CO₂浓度在地质时间尺度上急剧上升（以地质时间尺度计算），地球随之变得更加温暖和干燥。

深远影响

尽管过去几十年科学家在重建地球近代（尤其是过去6000万年）的CO₂水平方面取得了显著进展，但从岩石记录中重建CO₂水平仍被视为一大挑战。

新研究所采用的创新方法突破了这一瓶颈，不仅为古生代大冰期的研究提供了贯穿始终的时间线，还证明了CO₂水平是驱动远古气候变化的核心因素。这一突破为揭示地球早期气候的复杂历史提供了一把关键钥匙。

精准掌握过去的CO₂浓度及其变化，不仅是理解地球系统运行机制的基础，也对探索CO₂如何影响地球系统的方方面面至关重要。弥补现存的知识空白并不断完善相关记录，是深入探索CO₂对地球气候及其宜居性影响（无论是过去、现在还是未来）的关键所在。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41561-024-01610-2

https://news.st-andrews.ac.uk/archive/scientists-unlock-secrets-of-earths-climate-past/

https://theconversation.com/carbon-dioxide-has-been-regulating-earths-climate-for-hundreds-of-millions-of-years-new-study-246712

#图片来源：

封面图&首图：David Adam Iurino (University of Milano) & Jurikova et al.