【柳三變專欄】重建古代地球溫度揭示了全球氣候調節系統

數千萬至數億年前地球的溫度是多少？這個星球經歷了不同的時期，有些時期有大面積的極地冰蓋，有些則完全無冰。估計過去的全球溫度對於了解地球生命的歷史、預測未來的氣候以及更廣泛地為尋找其他宜居行星提供資訊非常重要。本傑明·JW· 米爾斯Benjamin J. W. Mills發表在最新一期權威期刊《科學》(Science) 的<隨著時間的推移，地球又熱又冷>( Hot and cold Earth through time) 重建古代地球溫度揭示了全球氣候調節系統。(Reconstructing ancient Earth’s temperature reveals a global climate regulation system)

了解地球過去的溫度有助了解未來的氣候變化
極地冰蓋留下了地質學家可以恢復的獨特地質證據，從而可以繪製出顯生宙（動植物進化的最後 5.4 億年）中這些冰凍區域的範圍。該記錄顯示了具有大型永久冰蓋的「冰室」時期和沒有大型永久冰蓋的「溫室」時期之間的循環。當今的地球是一個冰庫，在過去的 3400 萬年裡一直如此。目前平均表面溫度約為15°C。但以前的冰室時期也是這個溫度嗎？了解地球過去的溫度有助於我們更好地了解未來的氣候變化，但測量它很困難。冰蓋的位置取決於大陸的位置，隨著時間的推移，大陸的位置發生了很大的變化。稀疏的地質記錄導致對過去冰川作用的時間和範圍的頻繁修改。
精確測量地質時期溫度的一種方法是使用氧的兩種不同同位素的比率，而氧是地殼中最常見的元素。大多數氧原子有八個質子和八個中子。但少數氧原子具有不同數量的中子。一種天然存在的氧同位素有 10 個中子，因此比其最豐富的形式更重。許多海洋生物將氧氣融入其外殼或其他身體部位。同位素比（殼中較重原子與較輕原子的比率）取決於當地海水的溫度（較高的溫度有利於較大比例的較輕同位素），並已用於重建全球溫度隨地質時間的變化。
氧化鐵中氧同位素的比例與海水大致相同
伊森和勞齊比較了不同地質樣本中的氧同位素比率，以預測地球過去的溫度。儘管先前對過去 6500 萬年樣本的測量結果與地球的行星冷卻和向當前冰室期的過渡一致，但這些值的更廣泛使用一直存在爭議。先前對氧同位素比值的分析發現了較輕的同位素，並預測早期的全球氣溫會越來越熱。從表面上看，這些發現表明，超過 20 億年前的原始地球存在一個溫度超過 70°C 的水團。這引發了關於古代地球上偶爾出現的微生物的生存和冰蓋形成的問題。
這個問題的一個流行答案是，海水中的氧同位素比率並沒有隨著時間的推移而保持不變。由於貝殼中的氧氣來自海水，因此水成分的變化會使溫度估計產生偏差。因此，地球的溫度可能比預測的要低。然而，證明這種偏差需要能夠直接記錄海水同位素比率而不受溫度影響的含氧礦物，而這種礦物一直很難找到。幸運的是，氧化鐵含有源自海水的氧，氧化鐵中氧同位素的比例與海水大致相同，對溫度沒有強烈的依賴性。分析鐵氧化物確實顯示海水同位素組成隨時間而變化。
20 億年前的海水溫度可能與最近海水溫度相似
在這項觀察的基礎上，伊森和勞齊消除了海水同位素成分變化所帶來的偏差，並對地球溫度隨時間變化的情況進行了新的估計。作者發現 20 億年前的海水溫度可能與最近歷史時期記錄的海水溫度相似。因此，模型顯示早期地球的極端溫度約為 70°C 似乎不太可能，而且地球上複雜生命的演化似乎也不是地球長期冷卻的結果。
儘管這些發現令人興奮，但根據氧同位素比重建地球的長期平均溫度仍然存在不確定性。此方法僅記錄當地海水溫度。例如，生活在極地地區的早已死亡的生物體的殼記錄的溫度與同時生活在溫暖熱帶地區的生物體的溫度不同。這兩種估計都無法準確地匹配當時的全球平均氣溫。先前的研究經常繪製熱帶地區的同位素比率，只是為了避免這種偏差。
地球擁有一個全球氣候調節系統
為這項任務帶來了一個強大的新工具：資料同化。他們將過去 4.85 億年不同全球溫度下的大量氣候模型模擬與氧同位素資料集以及其他採樣頻率較低的溫度指標（例如溫度敏感有機分子）結合。將模型和地質資料結合起來，作者能夠解釋預測溫度的區域變化。例如，將來自極地地區的樣本與同一地區的氣候模型預測進行比較。這可以更準確地估計地球隨時間變化的全球平均溫度。
新顯生宙溫度記錄。顯示了一系列涼爽和溫暖的氣候，與已知的冰蓋擴張和消退大致一致。它還揭示了與先前的溫度估計相比的一些關鍵差異。早期僅使用熱帶氧同位素比率的研究預測了過去 5 億年中溫度的長期下降，提出早期溫室期比最近的溫室期更溫暖。而是預測溫室時期具有相似的溫度範圍。鑑於伊森和勞齊對原始地球的類似溫度預測，這項發現表明地球擁有一個全球氣候調節系統，可以將溫度保持在特定範圍內。一個被廣泛接受的假設是，火成岩與水和大氣中二氧化碳（CO2）的反應有助於限制長期氣候變遷的程度。這個過程會慢慢地從大氣中去除二氧化碳，並在氣候變暖時加劇。它也被用作地球工程方法來嘗試對抗人為排放。因此，歡迎進一步確認氣候調節系統。
然而，賈德等人的新顯生宙溫度記錄。提出了一些潛在的問題。該模型預測溫室時期的溫度通常比地球長期碳循環模型中達到的溫度更高。因此，可能需要在很長一段時間內重新評估地球的碳氣候系統，以縮小這一差距。此外，海水氧同位素變異問題尚未完全解決。用於修正此問題的氧化鐵資料集很稀疏。儘管有足夠的數據點可以得出結論，同位素比率很可能在過去數十億年中發生了變化，但過去 5 億年中的變化量尚不清楚。即使海水氧同位素的微小變化也會對作者透過資料同化方法做出的溫度預測產生很大影響。需要更多數據來限制這種影響，並且必須繼續開發不依賴氧同位素的地球溫度替代重建方法。
將未來可能的溫室氣候與過去的氣候進行直接比較仍然很困難，因為這些溫暖時期是在數百萬年的時間內逐漸形成的。然而，它們是溫室氣候的唯一可用證據，對於測試氣候模型的準確性至關重要（11）。關於地球生物圈的熱極限以及溫度變化在更複雜的生命形式進化中的作用的更基本的科學問題也出現了，加深對過去溫度的了解將有助於回答這些問題。這將有助於評估長期溫度變化背後的驅動過程以及穩定或不穩定地球氣候的自然機制。