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在过去的 5.4 亿年里，地球经历了五次大规模的灭绝事件，而每次事件都包含一个大气和海洋中的循环碳由正常变混乱的过程。这些致命的碳循环变动，在时间尺度上分布在数千到数百万年之间，并与全球海洋物种大灭绝事件的发生相吻合。
科学家们目前需要回答的一个问题是，当前的碳循环是否正在经历一个大的波动，以及它是否有可能引发第六次地球物种大灭绝事件。
目前，麻省理工学院的（地球与大气与行星科学系）地球物理学教授，兼洛伦兹中心联合主任 Daniel Rothman 分析了过去 5.4 亿年间的碳循环变化（包括五次灭绝事件发生前后），并在研究中确定了一些“灾难阈值”。如果特定指数超过这些阈值，便意味着一个不稳定的环境将会出现，并最终导致物种大灭绝事件发生。
Rothman 在《Science Advances》杂志发表的一篇论文指出，如果如下的两个阈值之一被越过，就会发生大灭绝事件：1、对于在长时间尺度上发生的碳循环变化，如果变化的速度快于全球生态系统的适应速度，便会导致灭绝事件发生。2、对于在较短时间尺度上发生的碳循环变化，变化的速度将不重要，变化的量级将决定灭绝事件发生的可能性。
Rothman 认为，由于近期二氧化碳的排放量在较短的时间内出现上升，第六次灭绝事件是否发生，将取决于我们是否会向海洋添加足以超过临界值的碳排放。 Rothman 估计，该临界值约为 3100 亿吨（增加的碳排放），大概相当于到 2100 年时因人类活动将增加至海洋的碳排放量。
图丨麻省理工学院教授 Daniel Rothman
这是否意味着大灭绝事件将在本世纪结束后不久就发生？ Rothman 认为，这个过程需要时间 ——需要大约 1 万年 ——这样的生态灾难才会被表现出来。 但Rothman 同时表示，到 2100 年时，世界的命运将可能会踏入一个“未知的领域”。
Rothman 说：“我并不是说灭绝明天就会发生，而是如果我们再不加以控制，碳循环就将变得更加不稳定，并难以预测。从地质意义上来看，这种情况与大灭绝事件的发生有着很强的相关性。”
图丨中国梅山沉积岩——其中包含着地球生物大灭绝前的混乱碳循环特征
历史变化符合理论预期
Rothman 曾研究过二叠纪的灭绝事件，这是地球历史上最严重的灭绝事件。在研究工作结束后，Rothman 与同事的对话促使他考虑到第六次灭绝事件发生的可能性，并提出了一个基本问题：“如何才能将过去发生于如此广的时间尺度之上的这些重大事件与当今（仅几个世纪的时间广度）的情况作对比？” Rothman 说：“我曾用一个夏天试图想出一个系统的做法。”
Rothman 最终得出了一个基于物理原理的简易数学公式，公式将碳循环中的临界速率和分离变化幅度快慢的时间尺度相联系。Rothman 认为该公式应该能预测未来的大规模灭绝事件或其他类型的全球性灾难。
之后，Rothman 开始验证历史是否遵循他的假设。通过搜索数百份已发表的地球化学文献，他在过去 5.442 亿年中确定了 31 个地球碳循环发生重大变化的事件。Rothman 注意到，对于每次事件（包括五次大灭绝），碳的变化在地质记录中表示为两个同位素碳 12 和碳 13 的相对丰度的变化。此外，他还注意到了变化的持续时间。
然后，他设计了一个数学转换方法，将相关的量转化为在每次事件的时间区间内添加至海洋的碳排放量，并以此绘制了每个事件的碳量和时间尺度的“对照图”。
Rothman 说：“很明显，事件间存在着有一个独特的变化率。
换句话说，Rothman 发现了事件的一个共同阈值，而 31 个事件中的大多数似乎并未越过这个阈值。虽然这些事件涉及碳循环的重大变化，但它们相对较为温和，不足以破坏生态系统。相比之下，五次大灭绝事件中有四次超过了该阈值，其中最严重的二叠纪灭绝事件是超出最多的一次。
罗斯曼说：“我们必须弄清楚它到底意味着什么。”
隐藏的“碳泄漏”
经过进一步的研究，Rothman 发现灾难的临界率与地球自然碳循环中的一个隐藏过程有关。碳循环本质上是光合作用和生物呼吸之间的循环。通常，循环中会存在一种“泄漏”，会有少量的有机碳沉入海洋底部，随着时间的推移被埋藏成为沉积物，并与碳循环相隔绝。
Rothman 还发现，临界率相当于堵塞泄漏造成的二氧化碳过剩产率（the rate of excess production of carbon dioxide）。任何被额外注入循环的二氧化碳不能被循环本身所解释，而一个或多个类似的这种过程会使碳循环变得不稳定。
之后，Rothman 确定了临界率（critical rate）仅适用于海洋碳循环在波动后可以重建平衡状态的时间尺度之外。目前，该时间尺度约为 1 万年。而对于更短的事件，临界阈值不再与将碳添加到海洋的速率有关，而是与添至海洋中的碳排放总量有关。这两种情况都会使过量的碳在海洋和大气中循环，并有可能导致全球变暖和海洋酸化。
世纪的极限
根据临界率和循环保持平衡的时间尺度，Rothman 计算出，当今的碳排放临界值约为 3100 亿吨。
Rothman 将该临界值与政府间气候变化专门委员会（IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change）最近一份报告中的“到 2100 年时的多增加的碳排放总量（报告中预计该数值为5000亿吨）”进行了比较 。在报告中，从已经有法律约束的到还没有相关立法的，IPCC 列举了四个可能的二氧化碳排放途径。
在最好的情况下，到 2100 年人类将向海洋增加排放 3000 亿吨的碳，而在最坏的情况下，人类届时将向海洋增加排放超过 5000 亿吨的碳，远超临界阈值。
Rothman 表示，不管是哪种情况，到 2100 年时，增加到碳排放量都将接近或超过临界阈值。
Rothman 说:“应该有办法拉回二氧化碳的排放量。但这项研究指出了我们需要开始警惕的理由，以及研究过去环境变化对现代环境发展的重要性。”
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编辑：Peter 校审：黄珊
参考：
https://phys.org/news/2017-09-mathematics-sixth-mass-extinction.html
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