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科学过去 6600 万年地球气候变化的天文记录及其

在过去的6600万年里,大型恐龙灭绝了,而被子植物、哺乳动物和鸟类却繁盛起来。 这是地质史上的新生代。 新生代早期两极没有冰盖,但新生代晚期两极出现了大面积的冰盖。 温室气体浓度一度超过2,000 ppmv,但在末次冰河期低于200 ppmv。 古气候学家一直希望获得新生代以来的气候变化记录,以了解现代地球的气候演化规律和发展趋势。

正好在100年前,米兰科维奇提出地球轨道参数的变化,包括偏心率、倾角和进动,会影响地球表面获得的太阳辐射的纬度和季节分布,驱动地球气候的准周期性变化(Milankovitch, 1920)。 50年来,米兰科维奇假说不仅成为古气候研究的理论范式,而且为古气候研究提供了天文测年方法。

自20世纪80年代中期以来,古气候学家利用深海沉积物中的碳和氧同位素记录全面重建新生代气候历史。 迄今为止最有影响力的积分曲线是UCSC古海洋学教授Jim Zachos团队2001年在Science上发表的论文(Zachos et al., 2001a)。 这篇文章很大程度上确立了学术界对新生代气候演化的整体认识。 然而,当时天文测年时间尺度刚刚进入古近纪阈值(Zachos et al., 2001b)。 早新生代的时间尺度主要依靠生物地层学和磁性地层学,仍存在很多差异。

近20年来,世界各地新获得的深海沉积钻孔极大地弥补了这些缺陷(图1),天文时间尺度逐渐跨越新生代并延伸至古生代。 新的积分曲线即将出现。

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图1 CENOGRID钻孔分布(附件为Westerhold等人,2020年)

近日,这项工作由德国不莱梅大学海洋环境科学中心(MARUM)的Thomas Westerhold领导,论文于9月11日发表在《Science》杂志上(Westerhold et al., 2020)。

他们从1000多个深海沉积钻孔中选取了14个钻孔,仔细检查和修正了这些岩心的拼接方法,并选取了Cibicidoides和Nuttallides这两个长寿有孔虫属的氧和碳同位素记录,以重建气候历史。 。 根据初步时间尺度,对中新世晚期至始新世早期的部分样品进行了额外测试,以保证足够的时间分辨率。 他们收集了所有记录的天文时间尺度,并将这些时间尺度统一调整到La2010b的轨道方案。 最后,他们获得了一条经过天文调谐和测年的CENOGRID(新生代全球参考海底生物)全球气候参考曲线,连续覆盖整个新生代。 有孔虫碳氧同位素数据集)(图2)。

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图2 CENOGRID数据集(Westerhold et al., 2020)

该数据集由23629个数据点组成,渐新世以来的时间分辨率高达2ka,古新世和始新世的时间分辨率为4.4ka,古新世-始新世的估计年龄误差为10万年,渐新世-中期的年龄误差为10万年渐新世。 中新世有5万年的历史,晚中新世-更新世有1万年的历史。 这是全球首条完全覆盖新生界的高清同位素地层参考曲线。

全球气候是一个复杂的动态系统,对万年到数百万年尺度的准周期天文强迫具有复杂的非线性响应。 为了研究CENOGRID的时域特性,研究团队进行了递归分析(也称为递归分析)。 递推分析可以揭示系统的非线性动态过程和非线性相互作用信息。 递归图是时间序列内部结构和可预测性的可视化。

CENOGRID 氧同位素的再现图揭示了四个不同的方形区域(图 3)。 每个区块对应于特定状态下的气候的重复循环。 据此,新生代气候可分为四种状态,称为热室状态、温室状态、冷室状态和冰室状态。 热胞状态从56 Ma持续到47 Ma,温度比现在高了10度。 还发生了氧同位素和碳同位素同步负漂移的极端热事件。 温室状态有两个时期,从66 Ma到56 Ma和从47 Ma到34 Ma。 这两个温室州的温度相似,但碳同位素值和二氧化碳浓度却截然不同。 34Ma左右的始新世-渐新世线是新生代最重要的过渡事件。 冷室状态从34 Ma持续到3.3 Ma,在13.9 Ma可分为两个阶段。 3.3Ma后,出现冰室状态,地球气候受北半球冰盖增减控制。 这四种状态的划分总体上与之前对新生代气候历史的理解一致,但重现图提供了第一个统计上可靠的客观证据。

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图3 CENOGRID氧同位素重现图清楚地显示了新生代气候的不同状态(Westerhold等,2020)

演化谱(图4)表明,在13.9 Ma之前,在包括地球热室、温室和冷室状态的第一阶段,气候循环以偏心率为主,这意味着低纬度过程驱动气候演化,并且据推测,偏心率调节进动影响季风降水的季节性,进而影响全球水汽和能量的分布。 暖室和冷室状态第一阶段倾角周期并不显着,这可能是由于当时冰盖尺寸较小,在高纬度地区缺乏放大效应所致。 随着高纬度地区变冷和冰盖生长,地轴倾斜信号在13.9 Ma后逐渐增强,到3.3 Ma成为冰室地球气候系统的主导周期。

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图4 CENOGRID的进化谱(改编自Westerhold et al., 2020)

作者还计算了CENOGRID曲线再现分析的确定性(图5),它定量地描述了系统的可预测性。 当确定性接近0时,表示系统是随机的、不可预测的;当确定性接近1时,表示系统是确定性的。 结果表明,温室地球和热室地球比冷室地球和冰室地球更容易预测。 随着34 Ma南极冰盖的出现,确定性参数显着降低,地球气候系统的非线性大大增强。 在冷室地球的第一阶段,即25-14 Ma,当时南极冰层相对较小,确定性相对较高。 对比碳和氧同位素,6 Ma之前,北极冰体积增加,碳同位素的确定性高于氧同位素。 主要原因可能是碳同位素主要受低纬度过程控制,受极地冰量影响较小。 直到6 Ma之后,冰冻圈才深刻影响碳循环。 3.3 Ma以后,氧同位素表现出较强的偏心率周期,确定性增加。

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图5 CENOGRID繁殖分析的确定性(改编自Westerhold et al., 2020)

相对而言,热室地球比温室地球更难预测,主要是因为极端热事件表现出强烈的非线性过程,放大了天文强迫。 另外,值得注意的是,47 Ma之后,确定性涨落的幅度变得越来越大,直到34 Ma达到临界点,成为不可预测的状态。 据此,作者推测,两极的冰量不仅决定了地球的基本气候状态,还影响气候系统对天文辐射响应的可预测性。

CENOGRID团队还披露了对未来气候的预测:目前人为造成的全球变暖速度远远超过新生代任何时期的自然气候波动,很可能将地球气候从现在的冰库推向温室。 。 状态(图 6)。 “预计人为变暖将比这严重得多,IPCC 预测,在‘一切照旧’的情况下,2300 年全球气温将达到 5000 万年来的最高水平。”

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图6 CENOGRID团队对未来气候的预测(图片来源:Thomas Westerhold)

主要参考

Milankovitch M. Théorie Mathématique des Phénomènes Thermiques produits par la Radiation Solaire [M]。 巴黎:Gauthier-Villrs,1920 年。(链接)

Westerhold T、Marwan N、Drury AJ 等人。 过去 6600 万年地球气候的天文年代记录及其可预测性[J]. 科学, 2020, 369(6509): 1383-1387。 (关联)

扎乔斯·J、帕加尼·M、斯隆·L 等人。 65 Ma至今全球气候的趋势、节律和异常[J]. 科学,2001a,292(5517):686-693。 (关联)

Zachos JC、Shackleton NJ、Revenaugh JS 等。 气候对渐新世-中新世边界轨道强迫的响应[J]. 科学,2001b,292(5515):274-278。 (关联)

(文/唐子华/新生代室)

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