[小科普：随我看地球-XX-下集] 听说过地球曾经持续“染疫发烧”20万年吗？

中华新闻网 2022-08-26 10:34

中华新闻社多伦多电(记者  马淼)     地球“P-E 染疫发烧”可能的起因
其实要找出引发”发烧期”的真正原因是一件十分困难的事。下面介绍一下几种可能的诱因：

火山活动起因

今年的汤加火山，让我们目睹了火山的惊世奇观。大规模的火山爆发会影响全球气候，递减到达地球表面的太阳辐射量，降低大气对流层的温度，并改变大气环流模式。大规模的火山活动可能只持续几天，但大量喷出的气体和火山灰会影响多年的气候模式。含硫气体可以转化为硫酸盐气溶胶。这些气溶胶颗粒进入大气后可以在平流层停留若干年。另外，分布在含有大量甲烷地区的火山岩浆可以加热上伏含甲烷沉积物，从而引发足够量的同位素轻甲烷脱气，释放出大量甲烷气体，并诱发全球变暖和同位素异常。这些甲烷随后进入了地球大气层，最终形成了一个持续时间近达20万年的强大的温室效应。这已经在挪威中部边缘和设得兰群岛西部的沉积盆地中存在广泛的侵入岩复合体和数千公里大小的热液喷口复合体得到证明。
 
为了平衡碳的数量及其所产生的δ¹³C数值，必须至少有1,500千兆吨的碳通过火山从地幔中释出。然而科学家并未发现任何迹象表明地球历史上的任何时候曾发生过如此巨大的火山喷发。然而，尽管在此数百万年前，东格陵兰岛一直存在大量的火山活动，但这很难解释和发烧期有着明显的关系。Sev Kender等人(Nature Communications. 2021, 12)发现古新世-始新世的发烧事件是一次地质上快速的碳释放和全球变暖的时期。他们在两个北海沉积岩芯中发现发烧期之前的汞含量升高，表明来自北大西洋火成岩区(North Atlantic Igneous Province, 简称NAIP)的脉冲火山活动可能提供了触发因素并随后使CO₂持续升高，进而使气候变暖。有人发现发烧期的开始与低汞含量时间上互相吻合，这表明至少还有另外一个碳储库在响应初始变暖时释放了大量的温室气体。Kender等人的研究支持地球系统中存在着一个“引爆点(Tipping,或 Point)”，它可以触发额外外生(exogenic)碳储库的释放，并将地球气候推向更热的状态。
 
大规模金伯利岩(Kimberlite)喷发起因
一般认为气候突然变暖是因为有大量的二氧化碳(CO₂)或甲烷(CH4)注入大气引起的，但是二氧化碳的源头在哪里尚不清楚。有人认为发生于加拿大北部的Lac de Gras湖地区大约于5600万年前大规模金伯利岩管形成时，地幔喷发出大量的岩浆和CO₂，从而引发了气候变暖。在 Lac de Gras 地区还有另外两个同时代的金伯利岩簇也被认为是生产二氧化碳的重点区域，这样就可以解释全球突然变暖事件中二氧化碳的“合理”来源。Lac de Gras位于加拿大西北地区Yellowknife以北300公里处，是上世纪九十年代时的淘钻热中心。
 
这里顺便介绍一下金伯利岩是何方神圣？金伯利岩是由绿色的橄榄石，蛇纹石，方解石，云母等深色矿物组成，岩石分类学上称它为超基性岩石。金伯利岩从地壳以下100-300公里的上地幔通过“胡萝卜形”的火山管向上喷发而成。”胡萝卜形”的火山管被称为金伯利岩管(Kimberlite Pipes)。岩管是通过金伯利岩岩浆的巨大高压喷发形成的，当它到达地壳时会膨胀并破坏岩石。金伯利岩通常伴有相当规模的钻石，所以只要有金伯利岩的地方一般都有钻石。目前存于伦敦自然历史博物馆的”南非之星”(83.5克拉)就是出产于南非的金伯利岩管。
 
彗星撞击起因
我以前的美国新泽西州州立大学 - Rutgers大学的同事D. Kent, J. Wright, M. Katz等人于2016年在“Science”杂志上撰文报道，在美国东部大西洋边缘的三个海洋P-E(Paleocene-Eocene)界线剖面的沉积物里发现了撞击喷射物(Impact ejections)，表明在P-E界面的碳同位素偏移期间发生了意外的地外撞击。他们推测有一颗直径约10,000米，富含轻碳¹²C 的彗星撞击了地球，撞击事件可能就是大约5600万年前全球气候迅速变暖的主要诱因，并认为与P-E界面重合的彗星撞击也有助于解释与该事件相关的一些神秘特征，例如在西班牙北部Zumaia的铱异常，新泽西州沿海大陆架上突然出现具有大量磁性超微颗粒的高岭土，尤其是碳同位素偏移和热最大值几乎同时开始。后续有研究表明这些磁性颗粒和彗星撞击无关，而是由细菌生成的(Sluijs, A. et al., 2007，Nature)。
 
 
大约5500万年前，地球突然遭受一系列的陨石撞击， 导致全球气候极端变热，即我们所知的P-E极热期。图源/Credit：https://www.geologyin.com/2016/10/meteorite-impact-55-million-years-ago.html. 
 
三个P-E界面剖面中发现的硅酸盐玻璃球被鉴定为微晶石(Microtectites 或叫microkrystites)。1991年，我们在美国新泽西州外海陆坡的大洋钻探(DSDP)Site 612钻孔中，在多个层位的上始新世(约3800万年前)沉积物中发现了众多的微晶石。有趣的是这次规模较大的陨石撞击并未对此地的海底沉积物造成可观察到的搅动，因为浮游有孔虫的世代演化(Lineage)极其规律(K.Miller et al.，Palaios，1991，v.6)。这个Site 612钻孔的研究有个小插曲。在上世纪八十年代初，这个钻孔的微晶石和生物地层学是由Delaware大学天外物质专家Billy P. Glass教授的博士生负责研究。他的研究结论是该孔的地层受到陨石撞击导致严重的地层扰乱，因此，研究生物地层学毫无意义。很多年后，我们向Glass教授索取了这批样品，由我对该孔的地层学进行重新研究。结果发现该孔的地层不仅没有遭受扰乱，而且有孔虫的世代演化非常漂亮，精度也非常高。为此还收获了许多好评。微晶石是地外星体超高速撞击地球，导致地壳熔化产生的残骸飞溅到半空中凝固而成(见下图)。
 
 
Wilson湖B 1051B钻孔、Millville岩芯和 Medford露头的P-E界面的撞击喷出物-微晶石图像(M.Schaller et al, Science,2016(354).
 
原哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球研究所副所长, 地球物理学家Dennis Kent等人还在这些Microtectites中发现了一种名为“焦石英”的矿物质。Kent认为焦石英大约在1,700摄氏度高温下才会形成，没有地外撞击，很难解释其成因。然而，这个假说可能还有待商榷，原因有二：1，彗星撞击的一个关键特征和可测试的预测是它应该在大气和海洋表层产生几乎瞬时的环境影响，随后在更深的海洋中产生影响。 即使考虑到反馈过程，这也需要至少有100吉吨的地外碳。如此灾难性的影响本应在全球留下印记。然而，所提出的证据经不起推敲。2，如果大型彗星撞击地球，那么海洋表层的生物应该绝灭或者大量减少，就像6500年前的那次碰撞(即K-T界面上的第五次生命大绝灭)，灭绝了所有的海洋表层浮游生物，而底栖生物则毫发无伤。相反, 这次P-E界面上的发烧事件是引发大洋表层浮游有孔虫，陆生脊椎动物的多样性及陆生植物的大幅扩张，而大洋底原生单细胞底栖有孔虫生物却惨遭绝灭，且灭绝率竟然高达50%。这一异常现象也给彗星撞击地球引发地球”发烧”的理论带来了解释上的困难。
 
甲烷释放起因
其实，上述的各种起因都不足以导致在”发烧期”所观察到的碳同位素负移或变暖。根据维基百科，科学家们比较相信激发初始搅动最明显的反馈机制是甲烷水合物(methane clathrate) 。在一定的温度和压力条件下，通过分解海底沉积物中的微生物不断产生的甲烷在水复合物中是稳定的，它会形成冰状的笼子，将甲烷以固体形式困陷在其中。随着温度升高，保持这种水合物(clathrate)结构稳定所需的压力就会增加，于是较浅的水合物就会解离，从而释放出甲烷气体进入大气。由于生物水合物的δ¹³C 特征为-60‰(无机水合物-40‰)，相对较小的质量可以产生较大的δ¹³C偏移。此外，甲烷是一种强效的温室气体，当它被释放到大气中的时候，会导致气候变暖。而随着海洋将这种热量输送到海底沉积物中时，它会使更多的水合物变得不稳定。大约需要2,300年的时间，温度升高后才能将热扩散到海床深处，导致水合物的释放。另外，洪水引起的海洋变暖和海平面下降引起的压力变化可能会导致水合物变得不稳定并释放甲烷。这可以在短短几千年的时间内发生。将甲烷固定在水合物中的逆过程可达数万年或更久。
 
为了使水合物假说成立，海洋必须在碳同位素偏移之前显示出略微变暖的迹象。2002年的研究工作已经成功地发现了初始变暖和δ¹³C偏移之间的短暂差距。D.J.Thomas等人(Geology, 2002, 30-12)发现地表温度的化学标记(TEX86)表明变暖发生在碳同位素偏移前3000年左右。值得注意的是，底栖或浮游有孔虫的δ¹⁸O在这些地方都没有显示出任何预热现象，在无冰的世界中，它通常是过去海洋温度的更可靠指标。
 
 
P-E 极热期时洋底大量释放温室气体，导致气候极度变热。图源/Credit：https://cp.copernicus.org/articles/15/217/2019/.
 
 
在大约5600万年前海洋沉积中微型浮游生物的化石壳中测得氧同位素负偏，即壳体中¹⁶O的相对含量增加，而¹⁸O的相对含量则降低，说明这个历史时期里曾经历过气温的急剧上升。此外，这些浮游生物的壳中的¹²C的含量也相应增加，这说明海洋突然间吸收大量的¹²C，这通常是由于含碳丰富的温室气体向大气中大规模喷发所造成的，也是就是说，P-E发烧期的成因就是温室气体。另外一个有趣的事实是：浮游有孔虫比底栖有孔虫更早地记录了向较轻同位素值的转变。较轻(较低δ¹³C)的甲烷碳只有在被氧化后才能融合到有孔虫的壳体中。气体的逐渐释放将使其在深海中被氧化，这将使底栖有孔虫更早地显示出较轻的值。浮游有孔虫是第一个显示信号的事实，这表明甲烷释放得如此之快，以至于它的氧化作用耗尽了水柱深处的所有氧气，使一些甲烷未经氧化就进入大气，并和大气中的氧气发生化学反应。这一观察还使我们能够将甲烷释放的持续时间限制在大约10,000年以下(D.J.Thomas等人(Geology,2002,30-12)。
 
关于是否有足够多的甲烷水合物成为主要碳源存在争议。根据2011年Gu等人的研究(G. Gu et al., Nature Geoscience, 2011, 4-12)，目前全球甲烷水合物储量受到限制，但大多被认为在2,000 至10,000 Gt之间。由于全球海底温度比今天高出约6^oC，这意味着含有天然气水合物的沉积物体积比今天要小得多，因此人们估计发烧期之前的全球水合物数量比现在少得多。 Gu等人的一项使用数值模拟的研究表明，增强的有机碳沉积和产甲烷作用可以补偿较小体积的水合物稳定性。2016年，有一项使用三氧同位素分析法(Triple Oxygen Isotope Analysis)研究发烧期碳同位素偏移(CIE)期间重建大气的CO₂含量，表明海底甲烷大量释放到大气中是气候变化的驱动因素。同时认为，自从首次发现CIE以来，通过热分解大量释放甲烷水合物一直是解释CIE的最有说服力的假设。
 
P-E发烧期和今天气候变化的比较
严格地说，把”P-E发烧期”的气候和今天气候的比较是一件十分困难的事，因为那时的海洋，洋流系统及大陆板块分布和目前非常不同。那时沒有南北极冰川，没有冰雪可以反射太阳光以减轻地球对热力的吸收，更沒有70亿人生活在这个地球上。人类对地球资源的利用和消耗，和对地球表面形态的改造对地球气候都会产生负面的影响，或带来气候异常，甚至灾害。另外，自晚始新世以来，由于二极被冰雪覆盖，产生较强的阳光反射作用，地球开始变冷。自更新世以来，地球进入冰期状态，我们称之为”第四纪冰川”。当然，第四纪冰川的形成不能完全归咎于二极冰川的阳光反射作用。米兰柯维奇循环，如地轴倾斜度变化、黄道偏心率变化和岁差变化也起到了重要的作用。一般认为，我们目前的气候正处于冰川期中的一个”小间冰期”，和”P-E发烧期”无法等同相比。
 
 
此图示意新生代气候变化过程。底轴为年代座标，右轴为底栖有孔虫氧同位素(δ¹⁸O)座标。顶部橙色为负漂移, 左边高峰为P-E极热期。底部淡蓝色为寒冷期，右边最低峰(δ¹⁸O在3.5-4.5 ⁰/₀₀间）代表第四纪冰期旋廻。图源/Credit：https://slideplayer.com/slide/13540190/。

 
目前，大多科学家和政客基本上把气候变化归咎于温室气体这个罪魁祸首。下面简单介绍一下这个罪魁祸首的问题。根据维基百科介绍，对发烧期期间海洋-大气系统的碳添加峰值的模拟研究，发现其值的可能范围为每年0.3-1.7拍克的碳 (Pg C/yr) (注：1拍克碳 = 1千兆吨碳，GtC)。这比目前观察到的碳排放率要慢得多。有人提出，今天海底的甲烷排放状况可能与P-E发烧期时相似。目前我们向大气中注入的碳速率超过10 GtC/年，远大于P-E发烧期时的碳注入速率。
 
我们的同事 - 地球和行星科学教授James Zachos指出，政府间气候变化专门委员会(IPCC)在“一切照旧”情景下对2300年的预测“可能使全球气温达到地球5000万年来从未见过的水平”。有些科学家将P-E发烧期描述为现代气候变化的最佳古代模拟。一项研究发现，P-E发烧期显示地球系统中存在大量的气候变化临界点，这可以触发额外外生碳储库的释放，并将地球气候推向更热的状态。当前，由于北极冰川的融化，有人担心北极冰融化后的淡水输入北太平洋可能成为甲烷水合物不稳定的催化剂，这一事件有可能会触发现代“P-E极热”开始的前兆。
 
如前所述，目前大部分科学家都把目光投向温室气体对气候变化的影响上，而对太阳，太阳系，宇宙间星系变化及星系对撞等关心不足，包括P-E极热期的研究也是这样。当然，大部分气候学家/古气候学家既非天文学家，也没有天文观测设备，没有能力研究遥不可及的的天体变化。我们期待天文学家们在不远的未来会交出一份相对满意的气候变化答卷。