北极熊吸引了大多数游客来到斯匹次卑尔根岛，这是挪威斯瓦尔巴群岛中最大的岛屿。对我来说，岩石才是真正的吸引力。我和我的同事们，都是地质学家和气候科学家，在2007年夏天飞往这个偏远的北极岛屿，寻找确凿的证据，证明当时被认为是有史以来最剧烈的全球变暖事件。要到达可能蕴藏这些线索的岩石露头，意味着要从我们在前煤矿村朗伊尔城的老旧营房徒步跋涉两个小时，所以我们在休息一夜后早早出发了。当我们艰难地走过湿滑的雪地和矮小的植物时，我仿佛看到了棕榈树、蕨类植物和鳄鱼可能曾在这里栖息的景象。
那时，大约在5600万年前，我应该会汗流浃背，而不是抵御寒意。研究表明，在几千年的过程中——这在地质时间上只是一瞬间——全球气温上升了五摄氏度，这标志着地球发烧，科学家称之为古新世-始新世极热事件，或PETM。气候带向两极移动，无论陆地还是海洋，迫使动植物迁移、适应或死亡。海洋最深处的某些区域变得酸化和缺氧，导致生活在那里的许多生物死亡。地球的天然缓冲系统花了近20万年才使发烧降下来。
PETM与今天正在发生的人为气候变化有一些惊人的相似之处。最值得注意的是，其背后的罪魁祸首是大量吸热温室气体注入大气和海洋，其体积与我们持续燃烧化石燃料在未来几个世纪可能产生的量相当。了解PETM期间究竟发生了什么，可能有助于我们预测未来会是什么样子。然而，直到最近，关于该事件的悬而未决的问题使得预测充其量只是推测性的。新的答案提供了令人警醒的清晰度。它们表明，地球上一次大全球变暖的后果与未来可能发生的情况相比相形见绌，并且它们为人类如果继续不改变方向将遭受苦难的预测增加了新的支持。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻业，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
温室阴谋
今天，研究人员认为PETM的展开过程大致如下：正如我们当前的气候危机一样，PETM在某种意义上始于化石燃料的燃烧。当时，超级大陆盘古大陆正处于解体的最后阶段，地壳正在撕裂，形成东北大西洋。结果，大量的熔岩和强烈的热量穿过包含欧洲和格陵兰岛的陆地升起，烘烤富含碳的沉积物，甚至可能还有地表附近的煤炭和石油。反过来，烘烤的沉积物释放出大量的两种强效温室气体，二氧化碳和甲烷。从火山喷发的巨大体积来看，火山可能导致最初的温室气体积累达到几百拍克碳的量级，足以使全球气温升高几度。但包括我们的分析在内的大多数分析表明，还需要更多的东西才能将PETM推向最热点。
当火山引起的热量引发其他类型的气体释放时，第二次更强烈的变暖阶段开始了。海洋的自然搅动将热量输送到寒冷的海床，那里显然破坏了埋藏在其中的大量冷冻甲烷水合物沉积物的稳定性。随着水合物融化，甲烷气体冒到地表，向大气中添加了更多的碳。大气中的甲烷捕获热量的效率远高于二氧化碳，但它会迅速转化为二氧化碳。尽管如此，只要甲烷释放持续下去，该气体的浓度就会持续升高，强烈放大温室效应和由此产生的气温上升。
一系列其他正反馈可能与水合物引起的变暖高峰同时发生，从陆地上的储层释放出更多的碳。任何曾经是（或曾经是）生物的物质的干燥、烘烤或燃烧都会排放温室气体。干旱很可能发生在包括美国西部和西欧在内的地球许多地区，导致森林和泥炭地暴露在干燥环境中，在某些情况下还会发生大范围的野火，向大气中释放更多的二氧化碳。泥炭和煤层中阴燃的火灾，在现代已知可以持续数百年，可能使排放持续强劲。
极地地区的永久冻土融化也可能加剧了这种情况。永久冻土将死亡植物锁定数百万年，就像冰箱里的冷冻汉堡肉。把肉放在厨房的台面上，它就会腐烂。同样，当永久冻土解冻时，微生物会消耗解冻后的残骸，打嗝冒出大量的甲烷。科学家们担心，北极融化的永久冻土层释放出的甲烷可能会大大加剧当今化石燃料引起的气候变暖。永久冻土融化在PETM期间的潜在贡献甚至更加引人注目。当时的地球更温暖，因此即使在PETM之前，南极洲也缺乏覆盖今天冰冻陆地的冰盖。但那块大陆仍然会有永久冻土——基本上都“放在台面上”等待融化。
当气体释放开始时，海洋吸收了大部分二氧化碳（以及后来转化为二氧化碳的甲烷）。这种天然的碳封存最初有助于抵消变暖。然而，最终，如此多的气体渗入深海，以至于产生了过量的碳酸，这个过程被称为酸化。此外，随着深海变暖，其氧气含量减少（温暖的水无法像冷水那样容纳如此多的维持生命的气体）。这些变化对某些被称为有孔虫的微小生物造成了灾难，这些生物生活在海底及其沉积物中。化石记录揭示了它们无力应对：30%到50%的物种灭绝了。
核心知识
自1990年以来，温室气体的大量释放推动了PETM的形成，这一点已经很明确，当时加利福尼亚州的两位研究人员首次从南极洲附近海底钻取的沉积物岩心中识别出该事件，该岩心记录了数百万年的气候变化。不太明显的是细节，包括究竟释放了多少气体，哪种气体占主导地位，喷射持续了多长时间，以及是什么促使了它。
在发现之后的几年里，无数科学家分析了数百个其他深海沉积物岩心，以寻找答案。由于沉积物是缓慢地逐层沉积的，因此它们捕获了矿物质——包括海洋生物的骨骼遗骸——这些矿物质保留了周围海洋或大气成分以及沉积时存在的生命形式的特征。例如，骨骼遗骸中不同形式或同位素的氧原子混合物揭示了水的温度。
当保存完好时，这样的岩心提供了气候历史的美丽记录。但是，许多包含PETM的岩心状况不佳。部分缺失，剩下的部分也因时间的流逝而退化。海底沉积物通常富含矿物碳酸钙，与抗酸药片中的化合物相同。在PETM期间，海洋酸化溶解了沉积物中大部分的碳酸盐，恰好在PETM时代最极端条件应该存在的层位中。
正是因为这个原因，我和我的同事们在2007年在斯匹次卑尔根岛与来自英国、挪威和荷兰的一组研究人员会面，隶属于世界大学联盟。我们有理由相信，来自北极这部分地区的岩石，几乎完全由泥土和粘土组成，可以提供更完整的记录——并最终解决关于古代变暖事件的一些未解答的问题。实际上，我们打算从一个被侵蚀的高原上，而不是从海底捞取我们的样本。我们寻求的沉积物沉降在一个古老的海洋盆地中，自PETM以来，构造力一直在发挥作用，将该区域向上推到海平面以上，冰河时代的冰川后来将其雕刻成斯匹次卑尔根岛壮观的陡峭山脉和宽阔的山谷。
在朗伊尔城进行第一次考察旅行之后，在制定野外工作和岩石采样计划时，我们有了一个发现，节省了大量的体力劳动。我们从一位有远见的当地地质学家那里了解到，他为之工作的一家挪威矿业公司多年前曾钻取穿过覆盖PETM时代的沉积层岩心。他自己承担了保存数公里岩心的责任，以防有一天科学家会发现它们有用。他带我们去镇郊外的一个大型金属棚，岩心现在就存放在那里，自从被切割成1.5米长的圆柱体后，就存放在数百个扁平的木箱中。我们在那次旅行剩余的时间里，以及在2008年的第二次访问期间，我们的努力都集中在从那个长岩心的选定部分获取样本。
回到实验室后，在几年的时间里，我们从这些样品中提取了特定的化学特征，这些特征可以告诉我们地球在进入和退出PETM时的状态。为了更多地了解空气中的温室气体含量，我们研究了碳同位素的变化组合，我们主要从粘土中保存的有机物质痕迹中收集到这些信息。通过对岩心的200多层进行提取和分析，我们可以拼凑出这些因素如何随时间变化。正如我们所怀疑的那样，碳的同位素特征在我们知道大约有5600万年历史的层位中发生了显着变化。
拉长时间
我们的北极岩心结果非常特别。它们是第一个记录PETM变暖和恢复整个持续时间的岩心，它们提供了温室气体释放到大气中期间更完整的快照。我们怀疑，这些气候记录前所未有的保真度最终将为迄今为止关于气体释放量、来源和持续时间的最确凿答案。但为了获得这些结果，我们不得不超越对岩心中物质成分和浓度的推断。我们请我在宾夕法尼亚州立大学的研究生崔莹运行一个复杂的计算机模型，该模型根据我们从北极岩心中的碳同位素特征变化以及深海岩心中海底碳酸盐的溶解程度所了解到的情况，模拟了变暖。
崔尝试了不同的情景，每个情景都需要一个月的计算机时间才能完整地演绎PETM的故事。例如，一些情景假设甲烷水合物的贡献更大；另一些情景则假设二氧化碳来源的贡献更大。最符合物理证据的情景需要向大气和海洋中添加3000至10000拍克碳，这比火山或甲烷水合物可能提供的量还要多；永久冻土或泥炭和煤炭一定也参与其中。这个估计值高于之前基于其他岩心的同位素特征和计算机模型所做的估计值。但最令我们惊讶的是，这种气体释放分布在大约20000年的时间里——时间跨度是之前任何人预测的两倍到二十倍。如此长的持续时间意味着PETM期间的注入速率每年不到两拍克——仅仅是今天燃烧化石燃料向空气中输送温室气体速率的一小部分。事实上，现在二氧化碳浓度的上升速度可能比PETM期间快10倍。
这个新的认识对未来具有深远的影响。化石记录告诉我们，气候变化的速度比变化的程度对生物和生态系统的影响更大。正如你宁愿接受朋友的拥抱，也不愿挨一拳肚子一样，生命对缓慢的变化比对突如其来的变化反应更积极。白垩纪时期（在6500万年前结束，当时小行星撞击导致恐龙灭绝）极端转变为温室气候的情况就是如此。白垩纪期间温室变暖的总幅度与PETM相似，但前者的发生持续了数百万年，而不是数千年。没有发生明显的灭绝事件；地球及其居民有足够的时间进行调整。
多年来，科学家们一直认为PETM是相反极端情况的最高例子：已知最快的气候变化，与对未来的最悲观预测相媲美。从这个角度来看，PETM的结果似乎并没有那么糟糕。除了深海中不幸的有孔虫外，所有动植物显然都幸存了下来——即使它们不得不做出一些认真的适应才能做到这一点。一些生物缩小了。特别是，PETM的哺乳动物比它们的前辈和后代都要小。据推测，它们以这种方式进化是因为较小的身体比较大的身体更擅长散热。穴居昆虫和蠕虫也变得矮小。
一次伟大的极地迁移拯救了其他生物。有些生物甚至在它们扩张的领地中茁壮成长。在海洋中，通常是亚热带居民的鞭毛藻类Apectodinium扩散到了北冰洋。在陆地上，许多原本局限于热带地区的动物首次进入北美和欧洲，包括海龟和有蹄哺乳动物。就哺乳动物而言，这种扩张为进化和填补新的生态位打开了无数机会，对人类产生了深远的影响：这种伟大的多样化包括灵长类动物的起源。
太快了吗？
现在我们知道PETM的速度充其量是温和的，而且实际上并没有那么快，那些引用PETM相当无害的生物学后果来为对燃烧化石燃料的不知悔改辩护的人需要重新考虑一下了。相比之下，当前正在发生的气候变化正以惊人的速度发生。在短短几十年内，森林砍伐和工业革命的汽车和燃煤发电厂使二氧化碳增加了30%以上，我们现在每年向大气中排放9拍克碳。考虑到人口增长和发展中国家工业化程度提高的预测表明，在所有化石燃料储备耗尽之前，这个速度可能会达到每年25拍克。
科学家和政策制定者在研究气候变化的潜在影响时，通常关注最终产品：冰川会融化多少？海平面会上升多高？PETM研究的新教训是，他们还应该问：这些变化会发生多快？地球居民是否有时间进行调整？如果变化发生得太快，或者迁移或适应的障碍变得很大，生命就会失败：动植物灭绝，世界的面貌会发生数千年的改变。
因为我们正处于当前地球发烧的早期阶段，所以很难预测未来会怎样。但我们已经知道一些事情。正如政府间气候变化专门委员会最近的报告总结的那样，生态系统对变暖做出了敏感的反应。有明确的证据表明地表水酸化以及由此给海洋生物带来的压力[参见马拉·J·哈特和卡尔·萨菲纳的文章“从内部威胁海洋生命”；《大众科学》，2010年8月]。物种灭绝正在增加，气候带的转移已经使幸存的动植物开始迁移，通常是携带疾病的害虫和其他入侵物种在新领地中胜出。与PETM的动植物不同，现代动植物现在有道路、铁路、水坝、城市和城镇阻碍了它们迁移到更适宜气候的道路。如今，大多数大型动物已经被周围的栖息地丧失限制在狭小的区域内；在许多情况下，它们迁移到新的纬度以求生存的机会将为零。
此外，冰川和冰盖正在融化并导致海平面上升；珊瑚礁越来越容易受到疾病和热应力的影响；干旱和洪涝灾害也变得越来越普遍。事实上，降雨模式的转变和极地冰融化导致海岸线升高可能会导致前所未有的大规模人类迁徙。有些已经开始了[参见亚历克斯·德谢尔比宁、科科·华纳和查尔斯·埃尔哈特的文章“气候变化的受害者”；《大众科学》，1月]。
当前的全球变暖正走在大大超过PETM的道路上，但现在避免等待着我们的灾难可能还不算太晚。要做到这一点，需要世界各国立即采取行动，减少大气中二氧化碳的积累——并确保古新世-始新世极热事件仍然是最后一次大全球变暖。