【專欄】地質時間的氣候變化

地球上形成的各類岩石和沉積物忠實地記錄了當時的地質過程及環境信息，是記錄地球歷史的「天然書籍」，我們可以利用這些材料去重建地史時期的地球系統演變過程。目前已經開展的大洋和大陸鑽探等，正幫助人們往更古老的地質歷史延伸，而高精度儀器分析技術的進步，使得人們可以獲取更高時空解析度的地質信息。

地球系統在其45億年的歷史中發生了巨大的變化。其中包括各種機制、規模、速率和後果的氣候變化。這些過去的許多變化都是晦澀難懂和有爭議的，有些是最近才發現的。然而，生命史受到這些變化的強烈影響，其中一些變化從根本上改變了進化過程。生命本身被牽連為其中一些變化的病原體，因為光合作用和呼吸的過程在很大程度上，塑造了地球大氣、海洋和沉積物的化學性質。

顯生宙的氣候（Phanerozoic climates）

顯生宙（5.42億年前至今），包括地球上複雜、多細胞生命的整個跨度，見證了一系列非凡的氣候狀態和過渡。許多這些制度和事件的古老性使它們難以理解。然而，由於良好的地質記錄和科學家的緊湊研究，許多時期和過渡是眾所周知的。此外，正在出現一種低頻氣候變化的連貫模式，其中地球系統在暖期（溫室）和冷相（冰屋）之間交替。暖期的特點是高溫、高海平面和大陸冰川的缺乏。冷相又以低溫、低海平面和大陸冰蓋的存在為標誌，至少在高緯度地區是這樣。疊加在這些交替上是高頻率的變化，其中冷期嵌入溫室階段，溫暖期嵌入冰屋階段。例如，在晚奧陶紀（奧爾多維西亞，Ordovician）和早期志留紀（田西裡亞時期，Silurian），在古生植物早期（5.42億至3.5億年前）、中期，冰川發展了很短的時間（1億至10億年）。同樣，冰川退縮的溫暖時期發生在晚古近紀和早期中新世（米奧森，Miocene）時代晚期的清涼時期。

自從南極洲冰蓋開發以來，地球系統在過去30億至35億年的時間裡一直處於冰場階段。前一個主要的冰屋階段發生在大約3.5億至2.5億年前，在古生物時代晚期的碳化物和二疊紀（彼爾米亞時期，Permian periods）。在非洲大部分地區以及阿拉伯半島、南美洲、澳大利亞、印度和南極洲都發現了可追溯到這一時期的冰川沉積物。當時，所有這些區域都是貢德瓦納（Gondwana）的一部分，這是南半球的高緯度超級大陸。貢德瓦納山頂的冰川至少延伸到北緯45°，類似於北半球冰蓋在更新世時期到達的緯度。一些晚期的古生代冰川甚至延伸到赤道-南結35°。這一時期最顯著的特徵之一是迴圈，重複交替砂岩、頁岩、煤炭和石灰石的沈積床層。北美阿巴拉契亞地區、美國中西部和北歐的巨大煤層在這些迴圈中相互交織，這可能代表海洋的反復越軌（生產石灰石）和撤退（生產頁岩和煤炭）海岸線，以回應軌道變化。

地球歷史上兩個最突出的暖期發生在中生代（大約5億至3.5億年前）和早期新生代（大約2.5億至3.5億年前）。這些溫室時期的氣候各不相同。大陸位置和海洋測深非常不同，直到古生代溫暖期相對較晚，大陸上沒有陸地植被。這兩個時期都經歷了長期的重大變化。越來越多的證據表明，在中生代中期（mid-Mesozoic），冰川發作時間很短。

瞭解冰屋-溫室動力學背後的機制是一個重要的研究領域，涉及地質記錄與地球系統及其組成部分的建模之間的交換。有兩個過程被牽連為法內羅齊奇氣候變化的驅動因素。首先，構造力造成大陸位置和海拔變化以及海洋的深度。第二，溫室氣體的變化也是氣候的重要驅動因素，儘管在這些長期尺度上，它們在很大程度上受到構造過程的控制，而構造過程的沈降和溫室氣體的來源各不相同。

地球初生的氣候

前顯生宙（帕內羅齊奇時間，pre-Phanerozoic interval），也稱為前寒武紀時間，占自地球起源以來經過的時間的大約88%。前顯生宙是地球系統歷史中一個鮮為人知的階段。早期地球大氣、海洋、生物群和地殼的大部分沈積記錄已被侵蝕、變質和俯衝所抹去。然而，世界各地都發現了一些前顯生宙記錄，主要是從這一時期的後期。

前顯生宙地球系統史是一個極其活躍的研究領域，部分是因為它對了解地球上生命的起源和早期演化具有重要意義。此外，地球大氣和海洋的化學成分在這一時期基本發展起來，生物正在發揮積極作用。地質學家、古生物學家、微生物學家、行星地質學家、大氣科學家和地球化學家正集中力量瞭解這一時期。特別值得關注和爭論的三個領域是「微弱的太陽悖論」，有機體在塑造地球大氣層中的作用，以及地球可能經歷一個或多個全球冰川的「雪球」階段。

弱陽弔詭

天體物理學研究表明，在地球早期歷史時期，太陽的光度比在顯生宙時期要低得多。事實上，輻射輸出的輻射量很低，足以表明地球上所有地表水在早期的歷史中都應該是冰凍的固體，但有證據表明，它不是。解決這種"微弱的太陽悖論"似乎在於當時溫室氣體，特別是甲烷和二氧化碳的濃度異常高。隨著太陽光度逐漸增加，溫室氣體的濃度必須比現在高得多。這種情況會導致地球升溫，超過維持生命的水準。因此，溫室氣體濃度必須隨著太陽輻射的增加而按比例降低，這意味著一種調節溫室氣體的回饋機制。其中一種機制可能是岩石風化，它依賴於溫度，通過從大氣中清除大量的這種氣體，作為二氧化碳的重要沈降，而不是二氧化碳的來源。科學家還希望生物過程（其中許多也作為二氧化碳沈降）作為地球青年期溫室氣體的補充或替代調節機制。

光合作用和大氣化學

一種新的光合途徑的光合細菌進化，用水（H2O）代替硫化氫（H2S）作為二氧化碳的還原劑，對地球系統地球化學產生了巨大的影響。分子氧（O2）是使用H2O途徑作為光合作用的副產品而合成的，它比更原始的H2S通路更有效。在此過程中使用H2O作為還原劑，導致帶狀鐵層（或BIF）的大規模沈積，這是當今鐵礦90%的來源。古代海洋中的氧氣氧化溶解鐵，從溶液中沉澱到海底。這種沈積過程，氧氣的耗用速度與產生一樣快，持續了數百萬年，直到溶解在海洋中的大部分鐵被沉澱。到大約20億年前，氧氣能夠以溶解的形式在海水中積累，並噴發到大氣中。雖然氧氣沒有溫室氣體的特性，但它在地球氣候中起著重要的間接作用，特別是在碳迴圈的各個階段。科學家們正在研究氧氣和早期生命對地球系統發展的其他貢獻。

雪球假說（Snowball Earth hypothesis）

地球化學和沈積證據表明，地球在7.5億至5.8億年前經歷了多達四次極端冷卻事件。地質學家提出，在這些事件中，地球的海洋和陸地表面被冰覆蓋，從兩極到赤道。這個「雪球地球」假說是一個激烈的研究和討論的主題。這個假設產生了兩個重要的問題。首先，一旦凍結，地球怎麼可能解凍？第二，生命如何在全球冰凍時期生存？第一個問題的擬議解決方案涉及火山排放大量二氧化碳，這些火山可能迅速加熱行星表面，特別是考慮到主要的二氧化碳沈降（岩石風化和光合作用）會被冰凍的地球所抑制。第二個問題的可能答案可能是在溫泉和深海噴口中存在當今生命形式，儘管地球表面處於冰凍狀態，這種形式早就存在。一個被稱為「粉碎球地球」的反面假設認為，地球並沒有完全凍結。相反，除了覆蓋各大洲的大片冰蓋外，地球部分地區（尤其是赤道附近的海洋區域）在公海區域只能被一層薄薄的水性冰層覆蓋。在這種情況下，低冰或無冰地區的光合生物可以繼續有效地捕捉陽光，並在這些極端寒冷時期生存。

新生代的氣候

新生代，包括過去6550萬年，自白鯨期結束的大規模滅絕事件以來所經過的時間，具有廣泛的氣候變化，其特點是全球變暖和冷卻。在此期間，地球經歷了極端的溫暖和極度寒冷。這些變化是由構造力推動的，它們改變了各大洲的位置和海拔以及海洋通道和海深。地球系統不同組成部分（大氣、生物圈、岩石圈、低溫圈和水文圈中的海洋）之間的回饋，正日益被公認為是全球和區域氣候的影響。特別是，在新生代期間，大氣中二氧化碳的濃度差別很大，原因不為人所知，儘管其波動必然涉及地球球體之間的回饋。

軌道強迫在新生代中也很明顯，不過，在如此龐大的時代規模上，軌道變化可以被看作是在低頻率氣候趨勢，緩慢變化的背景下的振盪。軌道變化的描述是根據對構造和生物地球化學變化的日益瞭解而演變的。最近古氣候學研究表明，偏心、前傾和軸向傾斜的氣候效應在新生代的冷相中被放大，而在暖階段則受到抑制。發生在白鯨末期病原或非常接近於白鯨末端的流星撞擊發生在全球變暖時期，並一直持續到新生代早期。熱帶和亞熱帶動植物在高緯度地區至少發生在4000萬年前，海洋沉積物的地球化學記錄表明存在溫暖的海洋。

最近的證據表明，在這一時期大氣中二氧化碳濃度的下降可能在未來幾百萬年中開始出現穩定和不可逆轉的冷卻趨勢。在漸新世（奧利奧森時代，Oligocene Epoch）在南極洲形成的大陸冰蓋一直持續到2700萬年前發生快速變暖事件。晚漸新世和早到中年（2840萬至1380萬年前）相對溫暖，雖然不如始新世溫暖。1500萬年前，南極冰蓋再次恢復，覆蓋了大陸的大部分地區。冷卻趨勢一直持續到晚漸新世內，並加速到530萬年前的早期古新世時代。在此期間，北半球仍然無冰，古植物學研究表明，格陵蘭島和北極群島的高緯度地區有冷溫的上新世植物（Pliocene floras）。北半球的冰川始于320萬年前，是由構造事件推動的，如巴拿馬航道的關閉和安第斯河、青藏高原和北美西部的隆起。這些構造事件導致了海洋和大氣環流的變化，這反過來又促進了北緯高緯度地區持續冰層的發展。二氧化碳濃度的微小變化，至少自中年（2840萬年前）以來一直相對較低，也被認為是造成這種冰川的原因之一。 專欄屬作者個人意見，文責歸屬作者，本報提供意見交流平台，不代表本報立場。