气候|6600万年来天文定年的地球气候变化记录及其可预测性
过去6600万年以来 ， 大型恐龙绝灭 ， 被子植物、哺乳类和鸟类繁盛 ， 是地质历史中的新生代 。 新生代早期两极没有冰盖 ， 晚期两极出现大规模冰盖 。 温室气体浓度一度超过2000ppmv ， 而到末次冰期不足200ppmv 。 古气候学家一直希望获得新生代以来的气候变化记录 ， 来理解现代的地球气候演化规律和发展趋势 。
整整100年前 ， 米兰科维奇提出地球轨道参数变化 ， 包括偏心率、倾角以及岁差 ， 影响了地球表面获得的太阳辐射纬度和季节分配 ， 驱动了地球气候准周期变化(Milankovitch, 1920) 。 过去50年中 ， 米兰科维奇假说不但成了一种古气候研究的理论范式 ， 而且也为古气候研究提供了天文定年方法 。
从1980年代中期开始 ， 古气候学者利用深海沉积物的碳、氧同位素记录来集成重建新生代气候历史 。 迄今最有影响的集成曲线是2001年 UCSC古海洋学教授Jim Zachos团队发表在Science上的论文(Zachos et al., 2001a) 。 这篇文章很大程度上奠定了学界对新生代气候演化的整体认识 。 但当时 ， 天文定年时间标尺刚刚迈进了古近纪门槛(Zachos et al., 2001b) ， 新生代早期的时间标尺主要依赖于生物地层和磁性地层 ， 还有不少分歧 。
在过去20年里 ， 全球新获得的深海沉积钻孔极大地弥补了这些缺憾(图1) ， 天文时间标尺逐渐跨过新生代 ， 向古生代延伸 。 新的集成曲线呼之欲出 。
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图1 CENOGRID钻孔分布(Westerhold et al., 2020附件)
最近 ， 这项工作由德国不来梅大学海洋环境科学中心(MARUM)的Thomas Westerhold领衔完成 ， 论文9月11日在Science发表(Westerhold et al., 2020) 。
他们在超过1000个深海沉积钻孔中挑选出14个钻孔 ， 仔细检查并修正了这些岩芯的拼接方式 ， 选择两个长寿的有孔虫属Cibicidoides和Nuttallides的氧、碳同位素记录重建气候历史 。 根据初步的时间标尺 ， 补充测试了部分晚中新世到早始新世的样品 ， 来保证足够的时间分辨率 。 他们收集了所有记录已有的天文时间标尺 ， 并且把这些时间标尺统一调整到La2010b的轨道方案 ， 最终获得了一条经过天文调谐定年的 ， 连续覆盖整个新生代全球气候参考曲线CENOGRID(CENOzoic Global Reference benthic foraminifer carbon and oxygen Isotope Dataset)(图2) 。
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图2 CENOGRID数据集(Westerhold et al., 2020)
【气候|6600万年来天文定年的地球气候变化记录及其可预测性】数据集由23629个数据点组成 ， 时间分辨率渐新世以来高达2ka ， 古新世和始新世为4.4ka ， 估计年代误差古新世-始新世为10万年 ， 渐新世-中中新世为5万年 ， 晚中新世-更新世为1万年 。 这是全球第一条完整覆盖新生代的高清晰度同位素地层参考曲线 。
全球气候是一个复杂的动态系统 ， 在万年到百万年尺度上 ， 对准周期性的天文强迫有复杂的非线性响应 。 为研究CENOGRID的时域特征 ， 研究团队进行了重现分析(recurrence analysis, 也称递归分析) 。 重现分析可以揭示系统的非线性动力学过程 ， 以及非线性相互作用信息 ， 重现图是对时间序列的内部结构及可预测性的可视化 。
CENOGRID氧同位素的重现图揭示了4种截然不同的方块区域(图3) 。 每个方块对应着气候在特定状态下反复循环 。 新生代气候据此可以分成4个状态 ， 称为热室、温室、冷室和冰室状态 。 热室状态是从56 Ma持续到47 Ma ， 温度比现在高10度 ， 还出现了氧同位素和碳同位素同步负漂的极热事件 。 温室状态有两个时期 ， 分别是66 Ma到56 Ma ， 以及47 Ma到34 Ma 。 这两个温室状态温度相似 ， 但碳同位素值和二氧化碳浓度截然不同 。 34 Ma前后始新世-渐新世界线是新生代最显著的转换事件 。 冷室状态从34 Ma持续到3.3 Ma ， 以13.9 Ma可以分为两个阶段 。 3.3 Ma之后为冰室状态 ， 地球的气候受北半球冰盖消长控制 。 这四种状态的划分 ， 与之前对新生代气候历史的认识大体相符 ， 但是重现图首次提供了统计稳健的客观证据 。
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