随着人类活动驱动的持续升温，地球的气候可能更容易受到几万年时间尺度极端变暖事件的影响。——论文作者Constantin W. Arnscheidt 和Daniel H. Rothman
科学界越来越清楚的认识到，近些年来，人类活动向大气中排放大量二氧化碳导致了全球温度上升，温室效应逐渐增强，并直接诱发了长期干旱、破纪录高温、频繁野火以及剧烈风暴等极端气候现象。这迫使科学界去了解地球历史中温室气候时期的气候状态，用以预测未来地球气候的可能走向。地球历史中的气候-碳循环系统在百万年和千年尺度下均发生过众多极端环境扰动事件。对这些扰动事件的解读，为研究地球系统对人类活动的长周期响应提供了一个窗口。然而，随着研究的推进，也引出了一系列问题：过去的气候扰动事件在多大程度上反映了对外生动力的响应，以及在多大程度上反映了气候-碳循环系统本身的内在自我放大作用？大规模环境扰动事件似乎在某些时间段更容易出现，那么决定极端事件性质和规模的气候-碳循环系统具有哪些共同属性？地球系统对于人类活动的长周期非线性响应会对人类文明产生怎样的影响？最近，来自美国麻省理工学院（MIT）的一项研究试着去回答上述问题。这项研究发表在《Science Advances》上，作者Constantin W. Arnscheidt 和Daniel H. Rothman研究了恐龙灭绝之后至今约6600万年的古气候记录。研究发现，地球气候的扰动经历了一个令人惊讶的“变暖倾向”，即在这段地质历史时期内持续数千年至数万年的全球变暖事件远多于变冷事件。更重要的是，变暖事件往往比变冷事件更加极端，温度变化幅度更大。随着地球持续变暖，今天的地球可能会变得越来越不稳定。
深海沉积物中底栖有孔虫的硬壳成分在生长过程中受到海洋温度变化的影响，因此认为新生代的气候和碳循环扰动信息可以保存在这些壳体中。研究表明，极热事件可以通过连续地层记录中有孔虫壳体δ13C和δ18O的负漂来识别(e.g. Westerhold et al., 2020)。当使用这些数据来研究极端气候事件时，大多数研究都集中在个别温度峰值时期上，缺乏对新生代气候-碳循环扰动整体趋势的理解，因此，本次研究重点对新生代连续记录中的所有气候扰动事件进行了解读。
由于古新世-始新世极热（PETM）事件是极端温室气候的典型代表(McInerney and Wing, 2011)，本文作者首先收集了始新世早期（含PETM事件）有孔虫壳体δ13C和δ18O记录，利用旋回地层学频谱分析方法，对数据按照1 Ma时间间隔进行了滑动平均，用以分离出百万年尺度下的全球温度连续扰动信号（图1）。同时，作者对扰动信号进行了经验概率统计分析，发现全球温度扰动的分布并不像一个标准的正态分布曲线（其对称的尾部代表了极端温暖和极端寒冷波动的同等概率）。极热事件的出现呈现出一个非高斯尾部特征的不对称概率分布（图1，右图）。不对称性量化出了一个倾向于负向偏移的趋势，这表明该时期气候-碳循环系统表现出一种根本性的倾向，即倾向于发生全球变暖和有机碳氧化的极端事件。
图1 早始新世底栖有孔虫碳氧同位素代表气候-碳循环扰动(Arnscheidt and Rothman, 2021)
在数学中，存在着一套描述这种一般放大或乘法效应的方程。研究人员将这种乘法理论应用到他们的分析中，来检验这些方程是否能够预测上述不对称分布的现象。对于整个新生代时期δ13C和δ18O数据的经验概率分布，用偏度（skewness；S）来表征变量的不对称性，用峰度（kurtosis；K）来表征极端事件发生的倾向。由于PETM事件具有明显的独特性，且其扰动幅度使始新世的其他扰动显得不明显(Sexton et al., 2011)，以至于会妨碍对更普遍规律的发掘，因此，在进行普遍分析时需要将其剔除。此外，本研究选择汇总各个时期的数据，以获得主要的趋势特征，结果显示，新生代大部分时期，δ13C和δ18O都表现为较大的负偏度和正峰度（图2）。负偏度表明δ13C和δ18O更倾向于负漂，而正峰度表明极端事件的变化趋势大于正常分布的预期。上述结果排除了天文轨道调控作为主控机制的可能性，并指示出这是一种来自气候-碳循环系统的内在特征。同时，也说明了图1中展示的倾向于出现极热型极端事件的现象，并不是始新世早期特有的，PETM事件的成因机制可能反映了整个新生代的内在成因。
作者还发现在上新世以前δ13C和δ18O偏度普遍为负值，在上新世期间δ18O偏度变为正值（图2），表明了该时期气候和碳循环耦合关系的变化，与北半球冰川的开始形成有关(Liebrand et al., 2017)。更新世至今，δ13C和δ18O峰度大幅度下降，反映了气候-碳循环系统对极端事件的敏感性降低，稳定性增强。此外，当考虑到不同类别概率分布的偏度-峰度关系时，单峰分布必须满足公式：
；而对于涉及相关加法-乘法（CAM）噪声(Sura, 2011)的随机过程所产生的波动分布，存在一个限制性更强的约束：
；。图2 (B)中显示出，更新世之前δ13C和δ18O变化不仅满足单峰分布约束，而且倾向于满足限制性更大的单变量CAM约束。这些结果表明，气候-碳循环系统的关键动态可能可以用随机乘法的方式进行描述。
图2 新生代δ13C和δ18O波动的偏度和峰度及其相互关系(Arnscheidt and Rothman, 2021)
在研究气候变异性模型时，“加性噪声（additive noise）”是一个常用概念，指的是内在波动的振幅与系统状态无直接关系，公式为（图3A）：
(Hasselmann, 1976)。随后，研究人员又发现了气候-碳循环系统中的“乘性噪声（Multiplicative noise）”，即内在波动的振幅取决于系统状态，公式为：
(Moon and Wettlaufer, 2017)。在该公式中，f(x)是x的递增函数，x越大，高斯白噪声（
）的影响越大，因此，会导致图1右图中出现的概率分布不对称，即其尾部概率分布比高斯概率分布占比更重一些。本研究简化了“乘法噪声”模型，设定f(x)为线性函数，得到简化的单变量CAM噪声模型，公式为（图3B）：
，进一步简化为
（图3C）。如果气候-碳循环系统内在扰动随着δ13C和δ18O扰动幅度的增加而增加，“乘性噪声”可以复制上新世以前的不对称性，导致极热事件发生频率升高。在全球气候-碳循环系统中，导致这一现象的主要原因可能是：温度（δ18O记录）对生物和化学反应速率的影响，即全球温度升高可能会增加气候-碳循环系统内在的扰动，并促进生物和化学反应速率的增加。
图3 本文中讨论的气候-碳循环系统中的“乘性噪声”数学模型的推演过程(Arnscheidt and Rothman, 2021)
如果在上新世之前，气候-碳循环系统的内在扰动幅度与全球温度呈正相关，这应该在地球化学记录中留下证据。作者以0.5 Ma为区间验证了新生代δ18O平均值和预估的δ18O内在扰动幅度之间的相关性（表1），结果表明：在新生代各个时期，δ18O平均值和预估的δ18O内在扰动幅度均存在负相关关系。这与上述研究中“乘性噪声”模型的结果一致，均证明了上新世之前，气候-碳循环系统的内在扰动幅度可能随着温度的升高而增加。
为了更好的理解气候-碳循环系统中温度驱动的“乘性噪声”模型是如何产生图1中δ13C和δ18O记录概率分布不对称现象，作者将地球轨道参数的变化纳入乘法模型和对地球温度变化的分析中，建立了一个随机气候-碳循环数字模型（图4）。该模型考虑了全球地表温度、地表无机碳演变、海洋化学演化、二氧化碳温室效应和长期风化反馈，构建新的δ13C和δ18O时间序列。该模型假定全球有机碳生成和氧化的短暂不平衡现象，将驱动表层无机碳库内在随机扰动幅度随着全球平均温度的升高而增加，同时，认为全球平均温度的随机变化与气候-碳循环扰动有部分关联。图4中显示了利用400千年（ka）偏心率变化曲线调谐的100条气候-碳循环曲线，结果表明极端事件倾向于发生在偏心率最大值附近，且每个单独的极端事件都是由于富含轻碳（12C）的有机碳释放到大气-海洋系统中引起的，与地质记录一致(Lourens et al., 2005; Sexton et al., 2011; Westerhold et al., 2007)。“乘性噪声”可以平均放大由地球轨道参数变化而导致的缓慢温度上升，气候变暖和变冷是与轨道变化同步的，但是轨道周期本身只能预测气候的适度变化。
表1 新生代δ18O平均值和预估的δ18O内在扰动幅度之间的相关性(Arnscheidt and Rothman, 2021)
在这项工作中，作者量化了整个新生代气候-碳循环系统中极端事件行为的一般趋势，结果表明：在上新世之前的时期，百万年尺度以下的扰动表现出显著的不对称特征，即以δ13C和δ18O负偏为特征的极热事件更容易发生。通常认为极热事件是热力学成因的，但是其扰动倾向于表现出正的峰度，相对于正态分布而言，极端事件的尾部比重更高，这表明新生代大部分时期热力学破坏是气候-碳循环系统内在特征的普遍结果。整个新生代的极端气候-碳循环事件的特征可以用随机的“乘性噪声”来约束。与地质记录中的观测结果一致，随机“乘性噪声”从根本上产生了不对称的非高斯波动，即内在的气候-碳循环扰动幅度似乎随着δ18O值降低而增加。本文的“乘性噪声”模型指出，适度的变暖加上这种乘法效应，会导致极端事件的发生，而这些事件往往与这些轨道变化同时发生，指示出一种自然的放大效应。
图4 数值模拟结果(Arnscheidt and Rothman, 2021)
本研究除了重现前人观测的结果之外，同时提出了“乘性噪声”模型，提供了对真正的气候-碳循环系统的本质性解读。过去的建模工作主要是了解碳如何从埋藏的沉积物中释放出来(Dickens, 2003; Lunt et al., 2011)，以及推断特定气候-碳循环事件的性质。而“乘性噪声”模型提供了一个动态解释，说明整个新生代的极热事件是如何以及为什么会出现在地球上表层碳储库之间的再分配过程中的(Turner, 2018)。具体来说，该模型表明全球有机碳生成和氧化的不平衡被乘法效应向碳释放方向放大，这可能与生物和化学反应速率的温度依赖性相关。同时，这项研究还为研究新生代不同时代之间的差异提供了长时间尺度的背景和框架。
当然，该项研究仍有一些未解决的问题，例如：图2中观察到的许多不同行为的起源是什么？为什么始新世和中新世的δ13C波动比相应的δ18O波动表现出更大的负偏度和更大的峰度，而这种趋势在古新世却相反，为什么在渐新世偏度和峰度的大小都较低？上新世的波动似乎与“乘性噪声”一致，但δ18O不对称性的正负值变化仍有待解决。这是否是北半球冰川运动开始的结果(Turner, 2014)？另一方面，更新世气候-碳循环系统的峰度低得多，与乘法噪声不一致，表明它在某种程度上更加稳定，是否意味着冰川周期性变化可能已经“夺取了对气候-碳循环系统的控制权”(Lisiecki and Raymo, 2005)，抑制了早先导致极端事件不对称放大的过程。尽管上述问题有待开展进一步研究加以验证，但几乎可以预见，随着人类活动的持续升温和北半球冰盖的消失，这种不对称的放大作用可能会重新出现，使地球系统更容易受到发生在数万年时间尺度上的极端升温事件的影响。
本文作者系中国地质大学（北京）博士后。本文属于作者理解与解读，欢迎通过[email protected]邮箱与作者直接交流。欲知更多详情，请进一步阅读相关文献。
主要参考文献
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