PNAS：古新世-始新世长期变暖事件及其驱动机制

Marine Sedimentology · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-06 00:00

主要观点总结

本文研究了晚古新世至早始新世（LPEE）时期的长期和短期气候变化，特别是大气中二氧化碳（CO2）的变化及其与海洋温度的关系。研究团队通过分析太平洋和大西洋的钻孔数据，重建了LPEE时期的海表温度（SST）和大气CO2浓度，发现两者在LPEE期间均呈增加趋势。文章还探讨了气候敏感性，指出短期气候事件期间的气候敏感性高于长期时间尺度。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

地球在漫长地质历史中经历了许多与温室气体相关的变暖事件，特别是在晚古新世至早始新世（LPEE）时期，包括长期全球变暖和短期极热事件。这些事件对地球环境和生物演化产生了重大影响。

关键观点2: 科学问题

本文解决的关键科学问题是：在极热时期，大气CO2如何变化及其与海洋碳循环的关系，特别是CO2的上升如何影响全球气候和海洋温度的变化。

关键观点3: 研究方法

研究团队分析了位于太平洋和大西洋的洋钻探计划（ODP）的钻孔数据，结合已发表的数据，通过贝叶斯层级模型反演重建了LPEE时期的SST和大气CO2浓度。

关键观点4: 主要发现

研究发现，在LPEE期间，北太平洋的SST和CO2均呈现增加趋势，每个变暖事件都伴随着CO2的增加。研究还指出短期气候事件期间的气候敏感性更高，反映了短时间内CO2激增带来的更显著气候效应。

关键观点5: 研究意义

本研究对于理解地球气候系统的演变以及预测未来气候变化具有重要意义。通过综合分析多种指标数据，研究团队为理解古新世 - 始新世的全球变暖和短期极热事件提供了宝贵的信息。

正文

原文来源： Harper D T, Hönisch B, Bowen G J, et al., 2024. Long-and short-term coupling of sea surface temperature and atmospheric CO ₂ during the late Paleocene and early Eocene. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121, e2318779121.
h ttps:// doi.org/10.1073/pnas.2318779121.

研究背景和科学问题

研究背景 ：地球在漫长地质历史中经历了许多与温室气体相关的变暖事件，如在晚古新世至早始新世（ LPEE ）时期（ 59-53 Ma ）发生的长期（百万年时间尺度）全球变暖以及短期（千年时间尺度）的极热事件。 LPEE 期间全球呈现整体变暖趋势，平均气温上升了 4-5 摄氏度，而这一持续变暖中也包括着短期的极热事件，以古新世 - 始新世极热事件 (Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM) 和始新世极热事件 2 (Eocene Thermal Maximum 2, ETM-2) 最为典型，这些气候的变化对地球环境和生物演化都产生了重大影响。虽然 LPEE 时期的气候变化被认为与温室气体（ CO ₂ ）的增加有关，但长期气候变化可能还受到其他因素的影响（如构造运动），因此变暖在多大程度上是由大气 CO ₂ 驱动的仍不明确，此外短期极热事件中碳排放的来源和规模也存在争议。

科学问题 ：晚古新世和早始新世（ LPEE ）的特点是长期（百万年尺度）的全球变暖以及瞬时的、突发的（千年尺度）变暖事件，伴随着大规模的碳排放和全球温度升高。因为此前的数据分辨率低，目前 LPEE 变暖和大气 CO ₂ 上升之间的联系程度尚不明确，而碳循环的扰动对 LPEE 整体的变暖趋势及极热事件的贡献也不清楚。本文解决的关键科学问题为：这一极热时期大气 CO ₂ 如何变化及其与海洋碳循环的关系，特别是 CO ₂ 的上升如何影响全球气候和海洋温度的变化。

科学内涵

研究团队分析了位于太平洋的大洋钻探计划（ ODP ） 1209 和 1210 钻孔的浮游有孔虫同位素数据，并结合已发表的数据，通过综合指标贝叶斯层级模型的反演，重建了持续 6 Ma 的低至中纬度太平洋 LPEE 长期变暖事件，以及古近纪两个短暂的极热事件（ PETM 和 ETM-2 ）海表温度（ SST ）和大气 CO ₂ 浓度。这种贝叶斯模型能够考虑测量误差、指标校准等不确定性并将不同采样分辨率指标的数据整合在一起。

研究发现，总体上，北太平洋浮游 δ ¹¹ B 值在 LPEE 期间整体呈现降低趋势，在古新世碳同位素极大值（ Paleocene Carbon Isotope Maximum, PCIM ）之前和 PETM 及 ETM-2 事件期间出现大幅度下降，在 PETM 和 ETM-2 之间（ 55.6-54 Ma ）值相对稳定（图 1A ）。来自北太平洋（ 1209 和 1210 站点）和南大西洋中纬度地区（ 1262 和 1265 站点）的低到中纬度浮游有孔虫 Mg/Ca 在 LPEE 时期的变化趋势表现出高度相似性，整体在 LPEE 期间呈现增加趋势（图 1D ）： Mg/Ca 在变暖事件和 PCIM 前出现峰值，随后在 PCIM 与底栖有孔虫的 δ ¹⁸ O 数据（图 1E ）相一致而减少 , 至 PCIM 之后 Mg/Ca 在 57.8-56 Ma 相对稳定。

图 1 LPEE 期间太平洋 ODP 站点 1209 和 1210 、大西洋 ODP 站点 1262 、 1263 和 1265 和印度洋 ODP 站点 758 和 ODP 站点 U1443 指标记录汇编 ( 变暖事件用黄色条带突出显示 ) (A) 混合层浮游有孔虫 δ ¹¹ B; (B) 碳酸盐岩的全岩 δ ¹³ C; (C)55 Ma 古地理图和站点位置 ; (D) 混合层浮游有孔虫 Mg/Ca; (E) 底栖和浮游有孔虫 δ ¹⁸ O 汇编。

基于对多种指标的综合分析，研究团队重建了古新世 - 始新世 LPEE 期间太平洋的 SST 和大气 CO ₂ 浓度变化趋势，分辨率高达数万年。结果显示，北太平洋 SST 和 CO2 在 LPEE 均呈现增加的整体趋势，海表温度上升了 3.0±0.4/0.3 ℃ ，与此同时大气 CO ₂ 从 898±109/97 ppm 升至 1686±447/342 ppm （图 2A 、 B ）。具体地说，在 PCIM 时，海表温度下降了 3.5±0.5/0.4 ℃ ，而在 PETM 之前约 500 千年， SST 上升了 0.7±1.0/1.1 ℃ ， CO ₂ 增加了 598±270/287 ppm （图 2 ）。在 LPEE 期间发生的几个短暂的变暖事件分别为 PCIM 高峰前的 4.0±0.5/0.6 ℃ ， PETM 期间的 5.2±0.4 ℃ ，和 ETM-2 期间的 1.9±0.4 ℃ ，而每个变暖事件期间都伴随着 CO ₂ 的增加： PCIM 峰值之前 CO ₂ 增加了 340±138/135 ppm ，在 PETM 期间 CO ₂ 浓度翻倍（从 1185±186/159 ppm 升至 2473±423/355 ppm ）， ETM-2 期间从 949±136/122 ppm 升至 1148±161/139 ppm （图 2A 、 B ）。

而对于 LPEE 期间长期碳循环及其对大气 CO ₂ 浓度增加的贡献，通过与碳循环模型的对比分析，研究人员认为，仅火山活动释放的 CO ₂ 不足以解释观测到短期极热事件的海洋酸化和变暖程度，更有可能的解释是，有机碳分解和 / 或甲烷释放是导致大气二氧化碳浓度升高的主要原因。短期极热事件的碳循环变化也得到了进一步的约束： PETM 期间大气 CO ₂ 增加约 1216 ppm ，研究团队在碳循环模型中推算出 PETM 期间的碳释放量较为温和，可能来自热解甲烷或火山、有机碳和甲烷混合的来源。对于 ETM-2 事件，碳释放主要来自有机碳，释放持续约 25 千年，碳源与 PETM 相比更缺乏 ¹³ C ，而 PCIM 的碳同位素与普遍的现象和变化不同，其背后的机制仍不清楚。

图 2 利用 ODP 站点 1209 和 1210