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史前大暖化

2011/11/01 坎普(Lee R. Kump)
5600萬年前,全球上演了最劇烈的氣候升溫,現在我們又面臨了劇烈的全球暖化,史上的暖化事件能給我們什麼訊息?
重點提要
■5600萬年前,地球大氣層裡會捕捉熱能的溫室氣體大量增加,導致全球溫度上升了5℃。
■在這場事件當中,溫室氣體突然釋放的速率只有目前大氣溫室氣體增加率的10%。
■現在,溫室氣體的增加率比總量更讓人憂心,因為地球上的生物非常難以適應氣候劇變。

斯匹茲卑爾根是挪威斯瓦巴群島中最大的島,大部份的遊客來到這裡,是為了看北極熊;但對我來說,這裡最迷人的是岩石。2007年夏天,我跟一些同行(都是地質學家或氣候學家)飛到這個偏遠的極地小島,來尋找某次史前暖化事件的可靠證據,當時我們相信,那是有史以來最劇烈的全球暖化事件。從我們設在朗伊爾(Longyearbyen)這個廢棄煤礦村落的舊工寮出發,必須先在崎嶇不平的路上徒步兩小時,才有辦法探勘可能埋藏證據的岩石露頭,所以,我們休息一夜以後,隔天一大早便出發。當我們一行人在濕滑的積雪和矮小的植物間跋涉時,我想像著:某年某月,棕櫚樹、蕨類和短吻鱷,可能就生長在這裡。

如果是大約5600萬年前的話,我現在就不需努力禦寒,而是揮汗如雨了。研究指出,那段時期,全球溫度在短短幾千年裡上升了5℃,這以地質時間來說非常短,科學家把這次氣候暖化叫做「古新世–始新世氣候最暖期」(Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM)。PETM發生時,氣候的分區向兩極移動,在陸地或海裡都一樣,植物和動物只能被迫遷移或適應,否則只有死路一條。在一些深海地帶,海水開始酸化並缺氧,很多居住在這裡的生物因而死亡。大自然花了近20萬年才平復地球這場高燒。

PETM有一些特徵與目前正在發生的人為氣候變遷很像。最值得注意的是,兩次暖化的元凶是同一個:會捕捉熱能的溫室氣體大量進入大氣與海洋。如果我們在未來幾個世紀持續燃燒化石燃料的話,溫室氣體的排放總體積就會跟這次事件差不多。了解PETM時期究竟發生什麼事,有助我們預測自己的未來。PETM的暖化事件其實一直還有不少未解的問題,而即便是最好的預測,也只能說是猜想而已。不過,最近發現的解答有助於釐清真相。證據指出,和地球目前即將面臨的事情相比,上一次大暖化事件完全相形失色。新發現的事實也指出,倘若人類依舊自行其事,終將自食惡果。

溫室氣體從哪裡來?

目前,研究人員認為PETM發生時,與現在的氣候危機一樣,是從燃燒化石燃料開始的。當時盤古大陸正處於破裂的最後階段,地殼被扯碎,東北大西洋逐漸形成。大量熔化的岩石、熱從陸塊中湧出,並加熱富含碳的沉積物,或甚至是某些接近地表的煤炭跟原油。這個陸塊涵蓋今天的歐洲和格陵蘭,受「烘烤」的沉積物會釋出大量二氧化碳和甲烷這兩種強效溫室氣體。從氣體噴發的規模看來,這場火山爆發釋放到大氣的溫室氣體大約是幾百拍克(petagram, 1Pg為10億公噸),足夠讓全球溫度上升好幾度。但這麼多的溫室氣體只是剛開始而已,許多研究(包括我們的研究在內)都指出,要推動PETM進入最暖期,還需要其他過程。

在接下來的一段時間裡,火山帶來的熱釋放了其他氣體,進一步增強暖化。海洋的自然混合過程把熱帶到較冷的海床以後,會讓埋藏在海床底下、凍結的甲烷水合物變得不穩定,這些水合物受熱解凍,甲烷氣泡就會浮到海面上,釋放更多的碳到大氣中。甲烷在大氣裡捕捉熱的效率比二氧化碳更好,不過很快就會轉變成二氧化碳。雖然如此,只要海床繼續釋放甲烷,大氣中的甲烷濃度就會一直很高,繼續增強溫室效應,使氣溫升高。

一旦甲烷水合物引起的暖化達到最高峰,其他幾種正回饋效應就可能隨之發生,導致陸地儲庫釋放更多的碳。任何生物組織(或遺骸)在乾燥、烘烤或燃燒以後,都會釋放出溫室氣體,結果很可能使地球各處(包括美國西部和西歐)發生旱災,進而導致森林和泥煤地嚴重旱化,有時甚至會造成大規模的野火,釋放出更多的二氧化碳到大氣裡。由現代的經驗來看,我們知道火在泥煤地跟煤炭悶燒時,可能會持續燒上幾個世紀,因而持續釋放大量的溫室氣體。

極區的永凍土解凍,可能也會加劇暖化。永凍土是一層永久凍結的土壤,可以把死去的植物保存幾百萬年,就像冷凍庫保存漢堡肉一樣。如果把漢堡肉放到廚房的流理台上,就會解凍,然後腐爛。永凍土也是這樣,只要解凍了,微生物就會分解裡面的生物遺骸,並且釋放出大量的甲烷。科學家擔心的是,當甲烷從極區永凍土釋放出來之後,會大幅加速目前由化石燃料引發的暖化速度。在PETM時,永凍土解凍對暖化的貢獻可能更大。和現在不一樣的是,當時地球比現在溫暖,所以甚至在PETM開始以前,南極地區的永凍土上就沒有冰原覆蓋了。不過南極大陸還是有永凍土,只是全都像生肉擺在流理台上一樣,等著解凍。

氣體開始釋放以後,海洋會吸收大部份的二氧化碳(以及隨後由甲烷轉變成的二氧化碳)。一開始,這種天然的碳捕集過程足以減緩暖化,但最後進入深海的二氧化碳太多了,就會形成碳酸,這個過程叫做酸化作用。而且,一旦深海變暖,海水含氧量便會逐漸下降(水溫越高,所含的氧就越少),這些改變會為生活在海床表面或海床沉積物裡的有孔蟲帶來大災難,化石記錄證明,牠們真的不能適應,大約有30~50%的有孔蟲因此死亡。

尋找自然保存的氣候記錄

早在1990年,我們就知道PETM是溫室氣體大量釋放引發的。曾經有兩位美國加州的研究人員從南極附近的海床鑽出岩心,這份岩心有長達數百萬年的氣候記錄,讓我們首度知道溫室氣體曾經大量釋放,但細節不清楚,例如究竟有多少溫室氣體進入大氣,哪一種氣體的量最多,氣體釋放持續了多久,以及引發氣體釋放的原因為何。

後來,很多科學家開始著手分析其他數以百計的深海沉積物岩心,希望能夠找出答案。當沉積物緩慢堆積的時候,海洋生物骨骸等礦物會留在每一層,所以能夠保留當時海洋或大氣環境組成的特徵,以及當時存在的生物。舉例來說,骨骸裡的氧同位素比例,就會告訴我們當時的水溫高低。

岩心保存得好的話,可以提供我們一份完美的氣候歷史記錄。不過很多涵蓋PETM時期的岩心狀況並不好,有的地方遺失了,倖存部份的狀況則隨時間逐漸惡化。海床的沉積物富含碳酸鈣,PETM時,酸化的海洋把沉積物的大部份碳酸離子都溶解出來,因而這幾層沉積物最能代表PETM時期的劇烈變化。

正是因為這樣,我跟同事才在世界大學聯盟(Worldwide Universities Network)的資助下,於2007年到斯匹茲卑爾根,與英國、挪威、瑞典及荷蘭的研究人員一起進行研究。在這個北極地區,岩石幾乎全部由泥巴和黏土組成。我們有理由相信,這些岩石能提供更完整的記錄,最終可以闡明上一次暖化事件尚未解答的疑問。其實我們打算從某個冰蝕平台鑽探沉積物的岩心樣本,而不是從海底取樣。我們想要的沉積物位於古海床上,這片海床在PETM之後便因板塊運動抬升到海平面以上,隨後在冰河時期,冰河又把古海床蝕刻成陡峭的山脈與... ...

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2011年第117期11月號】


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