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我们的星球上一次变暖时是什么样子

《新科学家》6.21封面文章

[作者] Anil Ananthaswamy

[翻译] 水龙吟

在读研究僧，和本科时一样主攻物理/光学方向，只不过将地点从中国平原跃迁到了美国的深山老林（还好是个滑雪胜地）。一直很喜欢科普、科幻，自己写不出来，所以从翻译开始，边学边练。

很久以前，南极洲是绿色的……而北极则有鳄鱼栖息。作者Anil Ananthaswamy指出地球上次变暖时是什么样子

 今天，即使南极最热的地方也很少有植物

 1亿至5千万年前的南极更像是这样

正文：

当1908年12月，欧内斯特·薛克顿和他的手下踏上去南极的征程，他们发现了完全出乎意料的东西。在完成南极高原边际的伯德茂冰川标度之后，他们在冰雪夹层中发现了煤。他们还发现不远处的砂岩巨石中有树叶的拓印，甚至松树的木化石。

结论非同寻常但又不可避免：南极曾经气候温暖、遍布森林，这与后来的仲夏之时仍远低于冰点的天气——迫使当时薛克顿的队伍抵达极点前不得不退回——截然不同。这怎么可能呢？

四年后，阿尔弗雷德·魏格纳提出他的大陆漂移学说，后来人们认为以此可以解释南极温和的气候：南极过去比现在温暖是因为它那时离赤道近多了。甚至现在，有些学生学到的仍是大陆漂移学说来解释这些温暖的南极的遗迹。

然而薛克顿的小组发现的化石树木生存于距今2亿5千万年前，那时的南极和现在相比，离赤道只是稍微近了一点。而且，南极洲在大约1亿年前抵达现在的位置，持续增加的化石名单则追溯到1亿到4千万年前。在这段时期，恐龙正在这无冰南极洲的准亚热带森林里徜徉；这个星球另一侧更加惊人：北冰洋曾经是个巨大的淡水湖，类鳄鱼型爬行动物栖息其中。

当现代世界开始变暖，人们开始涌起对这段“热室”时期的兴趣。是什么维持了几千万年之久的高温？如果极地这么温暖，那热带又是什么样子？最近的发现精彩的回顾了我们的过去——也许还可以窥见我们的未来。

现在地球的气候正处于"冰室"时期：极地冰盖并不像冰期时那么厚，海平面下降了120米，但有些冰在间冰期依然留存了下来。然而在3千4百万年前，整个星球经历了一个加长的无冰热室时期。海平面比现在还要高70米，覆盖了一大批当今干旱的陆地。比如说，一个内陆海将北美洲分成两半。这段时间从白垩纪的中期一直到早第三纪的始新世——大约1亿至5千万年前。

20世纪初在格陵兰岛上发现的面包树化石是表明1亿年前的两极曾温暖无冰的最早的证据之一；当今这种树只有在夏威夷那种地方才有。从那以后，又有更多非同寻常的发现。

最有名的一个温热北极的图像源于纽约罗切斯特大学约翰·塔度诺的研究工作。塔度诺在加拿大北极圈格陵兰岛西边的艾海博岛上寻找了十几年的化石。这个岛在9千万年前就已经在北极圈内了。

他的小组发现了这个时期一种叫鳄龙的类鳄鱼型生物的骨头甚至部分骨架。鳄龙是一种食鱼性的爬行动物，可长达2.4米，很像现在印度的恒河鳄。因为这些爬行动物依靠生存环境来使自己保持温暖，那时最北端的天气一定比现在要热得多。“这些化石说明了很多，”英国南安普顿大学的古生物学家保罗·威尔逊如此评论。

去年塔度诺的研究小组报道说大部分鳄龙仍处于幼年，也就是说这些动物不仅生活在北极，还在那里孵卵。如果冬天的气温接近0度的话，卵和幼兽都不可能存活，这就意味着那里不仅是温暖，而且一年到头如此。

现代鳄鱼能生活的最北边的地方是在长江下游和北卡罗莱纳州。如果鳄龙的温度要求类似的话，艾海博岛的年平均气温至少要在14°C以上，而且最冷的月份里平均温度也不能低于5.5 °C。这里冬天甚至都不会结冰。

鳄龙不是当时北极圈内唯一嗜热的爬行动物。塔度诺的小组在艾海博岛上还发现很多4类乌龟的化石，同样指出年平均温度不应低于14 °C.

最近，该小组在艾海博岛上发现一个名为大白尼蒂(Macrobaenidae)的乌龟种群（具体细节尚未发表）。这些乌龟最初生活于亚洲，但在白垩纪晚期开始出现于北美洲。因为这些乌龟对气候非常敏感，研究者认为它们既然能在迁徙过程中存活下来，说明了它们沿着最北方的迁移路径全年都很温暖。更重要的是，这些乌龟——和鳄龙一样——是淡水生物。“他们需要非海水的路径，”加拿大亚伯达州状海市皇家泰瑞博物馆馆员D·布林克曼说，“如果北极曾经是个巨大的淡水湖，这就有可能。”

北冰洋里是淡水？听起来不可思议，但是现在有充分的证据表明5千万年前，始新世的初期，北冰洋至少在表层是淡水。金士顿里德岛大学的K·莫兰认为，这种景象最近才出现，是因为获得海洋历史的记录极其困难。莫兰曾是2004北极海底沉淀物挖掘探险队中的一员。

钻孔船必须严格的呆在所选地点上方以防钻头绷断，然而北冰洋宽达数千米的大块浮冰使一般的钻孔操作不可能进行。“它们很容易把一艘船弄得偏离位置，”莫兰说，“所以我们不得不打碎那块冰。”任务落在了两位破冰员身上。莫兰说，“船只真的很大很强劲，基本上它们不得不学着怎么跟浮冰一起跳舞。”

它们确实一起跳舞了，2004年该小组在罗蒙诺索夫山脉收集到一个沉积了数千万年的沉积物核，据北极点只有250公里。通过对这块核的研究发现，一种叫做满江红的淡水羊齿植物在5千万年前曾大量繁殖于此，长达80万年（《自然》，441卷，606页）。那时，北冰洋很大范围内与其他几个大洋孤立开来,河流带来的淡水漂于密度更大的咸水上面,“它可能曾经是,至少从表面的水层来看,这个星球上最大的湖之一。”莫兰说。

这个巨型湖里的水温惊人的高达10°C，但是与比它早几百万年的始新世最热的时期相比根本不算什么——那时的海洋里是咸水。根据针对这块沉积核的另一项研究指出，5千5百万年前北冰洋的表面水层大约为18°C，最高值甚至到23°C ——在北极游泳真是再舒服不过了。

南极又如何呢？同样地，收集资料很不容易。南极洲的冰核有数千米厚--厚冰盖没有用，因为最老的冰盖也只有百万年的时间。那些冰盖下的土地藏着秘密。“我们不希望南极的冰盖消失，因为那里储备着67米的海平面高度，不过老天，对一个古气候研究者来说，要能知道那些冰底下有什么那该多好啊，”威尔逊说，“尤其是，因为南极早在白垩纪就已经在极地这个位置了。”

在南极大陆上化石搜寻者只有少数的几个裸露地表可以去。但是在南极半岛，手指型的陆地向北指着南美洲，有足够多裸露的地表可以让探险家窥测不仅仅南极古代的植被和动物，还有周围的海域的真实情况。

大约1亿5千万至1亿年前，半岛是一座山脉，和安第斯山差不多大，后来它的河流干涸成一个巨大的盆地，现在称为罗斯盆地。数百万年的时间盆地里填满了沉积物，后来这里的岩石被抬升。今天这些岩石裸露的坐落在南极半岛的群岛中，蕴含了满是白垩纪的化石宝藏，包括银色的海生鹦鹉螺贝壳和腹足动物的碎片化石。在南极的夏末，这些碎片在低悬于地平线的太阳下闪闪发光。“就像是地面上铺满了珠宝”，英国里德大学古气象学家简·弗朗斯西说，她是一个曾参加过12次极地探险的老将。

除了鹦鹉螺和腹足动物，弗朗斯西和她的同伴还发现了丰富的海底生物如海胆和龙虾，还有鲨鱼牙齿，以及巨大的水生爬行动物的化石，这种爬行动物的肋骨就有半米长。在贝壳碎片里的氧同位素显示1亿年前的南极附近的水温高达15 °C，而如今只有 -2 to 0 °C。

在水底沉淀物里同样发现了恐龙的骨骼——这些是从半岛冲进海水的（见“极地恐龙”）。 弗朗斯西和她的学生挖掘出的植物化石显示1亿年前的白垩纪中期，半岛上有丰富的羊齿和苏铁类植物，以及类似智利南美杉那样的针叶林。通过分析树叶化石的形状和大小，弗朗斯西得出结论说半岛在白垩纪中期很温暖，年平均温度大约17到19 °C，和现在的南非类似。“那里几乎是亚热带，”弗朗斯西说。

出汗的温室

一棵化石树桩的年轮显示，树木在完全的黑暗的冬季里依然能够存活。“从年轮上看，树木很开心，它没有生活在任何艰苦的环境下，没有任何霜冻年轮的痕迹，也没有干旱的迹象”，弗朗斯西说。

她的小组还发现了距今8千5百万年前的花化石。其中一种很像坛罐花，坛罐花是热带藤蔓类植物，生活在亚马逊河；还有的花与生活在澳大利亚塔斯梅尼亚山的桉树和八角科树木的花很相似。

非常明显1亿年前到4000万年前的南极和北极都没有冰，而且很温暖。但直到十年前，气象科学家还在艰难的解释说地球为什么在极点可以变得如此温暖。他们的模型显示只有在大气中的二氧化碳含量非常高--将地球变成一个出汗的温室--但这同样会使热带异常炎热。然而，海洋贝壳的同位素含量显示，热带水域比今天热不了多少。

结果是，模型是对的，贝壳的研究有错误。芝加哥大学的雷蒙德·皮尔哈姆勃说，最新的更详细的研究来自威尔逊和他的同事（《地质学》, 第30卷, 299页），该研究指出热带海洋事实上在热室时期更热一些，表面水温高达34 °C而不是如今的29 °C。雷蒙德是一位气候研究专家同时也是“真实气象”（RealClimate）博客的博主。

除此之外，气象模型专家还面临新的问题。当模型中大气层里的CO2含量增加，从而产生无冰的两极和温热的热带水域，这时热带大陆就会热到难以忍受。“温度如此之高，除非当时的陆地植物和现在的行为有所不同，否则就超出了它们的温度容忍范围，”皮尔哈姆勃说。“我们说的是平均40 °C的陆地温度，随着季节变迁他们可能高达50 °C。那几乎会杀死陆地上的一切东西。”今天，年平均温度勉强超过30°C。

这些模拟看似奇怪，但这些模型可能又会被证明是正确的。研究学者，比如说印地安纳州西拉法叶市普渡大学的马休·哈勃，最近才开始寻找热带那个时期植物死亡的证据。之前从没有人想过要寻找。然而还有另一个严重的问题留给气象模型专家们。这些模型指出在热室期间变得更冷的地方是高纬度地区的内陆地区 -- 比如西伯利亚。但事实并非如此。

从西伯利亚白垩纪晚期岩石中，英国弥敦肯尼大学的R·斯派瑟和他的同事找到了很多羊齿类和开花植物的证据，甚至可能还有棕榈树的花粉（《地球和行星科学快报》, 第267卷, 228页）。他们分析指出那时西伯利亚的年平均气温大约 13 °C，即使冬天也很少低于冰点。“所有的气候模型给你的都是冬天非常非常冷的（高纬度）内陆环境，冷到保证能把棕榈树冻死，”皮尔哈姆勃说。

这个谜题的一种答案就是增加CO2的含量。模型预计除非CO2含量更高，高纬度内陆地区冬季才不会结冰——但是那意味着热带会变得更热。

就此难题，哈勃提出一个可能的答案：如果更多的热带的热量通过某种方式被转移到了极地，使热带不会煮沸掉，又会怎么样。他和同在普渡的R·斯瑞福，认为他们找到了一个可能的机制。

他们研究了当今飓风过境前后的热带水域的状况。他们发现飓风搅匀了海洋的上层，将热量向下传递。他们认为，之后洋流将这些热量转移到极地，减少热带和极地间的温度梯度（《自然》, 第447卷, 577页）。很多研究者认为热带飓风的强度、频率和持续时间随温度升高而变大（长）。若是如此，通过飓风传递到极地的热量会因温度升高而大量增加。在飓风肆虐的热室地球，这可以使热带温度低于35 °C，同时极地处于亚热带温度。

然而，皮尔哈姆勃认为这种飓风热泵模型需要更多的研究工作支持，而且如何解释温暖的内陆仍然是一个挑战。“这是现在这个问题最神秘最困难的一面。”

其他人也许有不同的意见。有几条证据指向一些看似不可能的东西：最热的白垩纪时期的冰盖。“难以想象，我们有这么高的温度，与此同时我们在南极洲还有些大块的冰川，”德国莱比锡大学的A·褒曼说。事实上，模型不能重现这些情形。

褒曼的小组最新的研究显示，大约9千1百万年前一个20万年的时期内，有过至少相当于现在南极一半大小的冰盖。证据源自于南极海底地壳中氧的同位素比例（《科学》, 第319期, 189页）。

然而，威尔逊研究组作了类似的研究，却没有发现任何冰川化的证据(《地质学》, 第35卷, 615页)，所以这个议题还没有定论。但如果冰盖甚至可以在一个热室时期里突然出现，威尔逊指出，那意味着气候可以比想象中变化的更快，更剧烈。“那我们真需要知道那是为什么。”

不算这些麻烦的问题，学者们逐渐达成共识：大气中高的CO2含量导致了热室气候。但它从何而来？

所有因素之中，大气中的CO2含量取决于火山活动和岩石变动。白垩纪中频繁的火山活动也许维持了CO2的高含量，威尔逊这么认为。之后，火山活动也许变弱了，随着喜马拉雅山的形成，气候变化增加了，将地球推向冰室期。

然而，一百万年前CO2含量可以直接测量，但是一亿年前的就非常困难了。研究者不得不依赖于代替物，比如树叶化石上的毛孔数，而确定这些数目非常关键，因为这会告诉我们随着CO2升高气候变化有多敏感。

有些模型显示，白垩纪和始新世热室时期的CO2含量高达工业革命前的16倍，但有些认为是8倍。尽管有误差，8倍的数目与代替物的数据更吻合，也说明气候对CO2升高极其敏感。

考虑到我们现在的CO2排放量的话，这对于我们来说不是个好预兆。现在CO2水平比工业革命前已升高了一倍，而且如果我们不能抑制住排放量的话，在200年后会变为4倍。“然后我们到达极限CO2含量的一半了，这个极限能把世界变成白垩纪热室。”皮尔哈姆勃说。

极地恐龙

让人难以相信的是南极曾经比现在的英格兰还要温暖。不同与我们熟知的这个寒冷大陆的所有的图象中，最令人不可思议的就是恐龙曾在南极茂密的森利里徜徉了。

华盛顿州车尼市华盛顿大学的J·凯斯以及快城南达科他州矿业科技大学的J·马丁曾参加过很多次寻找化石的探险，就在南极半岛的罗斯盆地里。

他们分析了他们或者其他人发现的6种恐龙的遗迹，这些恐龙上溯到8千至6千5百万年前——正是恐龙时代的最后时期。

这其中包括伶盗龙（一种肉食性驰龙科恐龙），鸭嘴龙（嘴像鸭喙的恐龙），凌齿龙（群居型伙计大小的食草性恐龙），禽龙（群居型恐龙，是鸭嘴龙的祖先），还有结节龙（短小矮胖的动物，背上有鳞甲）。最让人叹为观止的应属棘龙，一种6米长的食肉恐龙，和霸王龙很像。

世界的另一端，恐龙也在北极圈内活动。阿拉斯加北部发现有棱齿龙，格陵兰岛旁边的保洛岛上发现有鸭嘴龙的骨头。

凯斯指出生活在南极洲的有些恐龙一直活到白垩纪末期，而在其他地方却已经灭绝了。这是因为开花植物占据了地球上所有最温暖的地方，因此恐龙随之进化以适应变化的植被，但是在南极则不同。凯斯说，“这是开花植物类生物群落最后出现的地方之一了”

极地恐龙也需要适应长期的白昼和黑夜。凌齿龙的骨架显示他们有很大的眼窝，也许有助于在黑暗而又温暖的冬季里觅食。“虽然很黑，但是有足够多的绿色植物，”凯斯说，“恐龙们有很多东西可以吃。”

[1] 译者注：热室，原文是hothouse，指的是加热的温室

[水龙吟唐两句]

水龙吟跟几个学地球物理的同学讨论过这篇文章。结论是，本文作者也许调研了很多东西，但是有一点——地轴方向变化的问题，作者没有加以考虑。这里的地轴变化，不是指进动造成的小角度微变，而是据他们所说的，地轴会因内部应力等原因（我也没弄明白）发生突然性的大角度变化——这一变化是突然的，然后在新的位置会稳定很长时间。这很可能是导致白垩纪到始新世的南北极过于温暖的原因之一——那时的南北极其实不是南北两极。尤其考虑到温度的突然变化——突然出现的冰川，这一点与地轴总是突然性变化很一致。据说，可以通过不同地质历史年代的铁磁性矿石里的磁极指向来判断是否发生过地轴变化。不过我没有google到。

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