据世界气象组织在2024年发布的年度《温室气体公报》，称2023年温室气体浓度创下新纪录，地球在未来多年内都将面临气温上升。气候变暖早已成为全球共同面临的重要课题。在未来，全球气温还会继续上升吗？会给人类带来怎样的影响？我们又该如何应对？一系列问题引起气候学家们长期而深入的研究。
近期，中国科学院院士、中国科学院青藏高原研究所研究员丁林，通过对产自青藏高原的4件牡蛎化石进行深入研究，将距今约1.3亿年前——早白垩纪时期的气候进行重建，首次揭示了温室地球时期海洋表层温度的季节性波动历史。这一重要成果不仅深化了我们对过去地球气候变化的理解，更为预测未来全球变暖背景下的气候季节性变化提供了关键科学依据。
认知更新：“温室地球”时期的气候到底是怎样的？
在地球46亿年的漫长历史演变中，白垩纪（约1.45亿至6600万年前）以极高的二氧化碳浓度而闻名（约为现在二氧化碳浓度的2—3倍），因此也被称为“温室地球”时期。此前，人们常认为那时的地球没有永久冰盖，赤道与极地温差极小，热带雨林甚至延伸至两极。
然而，丁林院士团队的最新研究却颠覆了传统认知：即便是在这样的“超级温室”时期，地球也曾经历过显著的季节波动，甚至存在过极地冰盖。
这些发现不仅重塑了我们对远古气候的认知，更如同一面时空之镜，既映照出当代气候变化的逻辑，也为预测未来全球变暖趋势提供了关键线索。
牡蛎化石——远古气候“记录仪”
气候学家们运用多种手段重建过去的气候变化，从广为人知的树木年轮、石笋等气候代用指标，到这次我们介绍的主角——生活在浅海潮间带的贝类牡蛎。牡蛎的外壳主要由碳酸钙构成，覆有以年为周期形成的生长纹层，类似树木年轮，夏季高温时，壳体生长较快，结构疏松，纹路较亮，冬季低温时，壳体生长较慢，结构致密，纹路较暗，这些明暗相间的纹路记录着海水温度、盐度、化学成分的季节性变化。因此，气候学家们通过提取牡蛎化石外壳上的信息，能够解读出远古气候密码。
牡蛎化石
（来源：参考文献[2]）
研究团队本次采用了碳酸盐团簇同位素分析法，对牡蛎的化石外壳进行纳米精度的分析。碳酸盐团簇同位素指的是碳酸盐矿物中碳-13和氧-18键的过剩丰度，碳-13和氧-18键在低温环境下更稳定，因此其数值与形成温度呈直接负相关，这一技术解决了传统温度重建方法受到海水成分干扰的问题，首次实现了对远古海水温度的绝对定量重建。
温度重建结果令人震惊：南半球中纬度地区（约南纬32度—35度）的海洋表面温度（Sea Surface Temperature，SST）呈现出显著的季节性波动。
在韦瑟特暖期，暖季（南半球夏季）温度可达 28—33.5 摄氏度，冷季（南半球冬季）降至20.1—25.7 摄氏度；在韦瑟特冷期，冷季温度进一步骤降至15.1摄氏度，季节温差扩大至15.9摄氏度，并在此温差基础上，上下波动4.9摄氏度，与现代同纬度海域（如南非西海岸）的季节温差几乎一致。
发生在白垩纪时期的韦瑟特事件（Valanginian Weissert)是一次显著的全球冷却事件，以海平面下降、极地冰盖形成和大气二氧化碳浓度降低为主要特征，韦瑟特“暖期”和“冷期”则是这一全球冷却事件内部的气候波动阶段。
简言之，在温室时期，全球气温并不是线性增加的，而是呈现非常显著的季节性差异，存在明显的气候震荡。
气候变化的驱动因素——二氧化碳浓度
那么，究竟是什么原因造成了气候如此显著的季节性波动呢？研究团队通过对比化石记录和气候模拟的结果，发现大气中二氧化碳浓度是导致气候波动的核心要素。
白垩纪的韦瑟特事件期间，大气二氧化碳浓度呈现显著波动：暖期浓度约为1120ppm（parts per million，百万分之一，接近于现代水平的3倍），而在冷期则降至560 ppm（约为现代水平的1.5倍）。
气候模型显示，二氧化碳浓度高低直接调控着地球的能量平衡：在二氧化碳浓度较高时，全球大气环流增强，热带热量向两极输送效率提高，中纬度季节温差相对缩小，但极地仍可能存在季节性海冰；而在二氧化碳浓度较低时，温室效应减弱，两极冷却显著，中纬度地区冬季温度骤降，形成类似现代的“冰—反射率”反馈机制（即地球的能量主要来自太阳辐射，相对于海洋和陆地，冰面能将太阳辐射的大部分能量反射回宇宙，因此冰面覆盖面积越大，地球能吸收的太阳辐射能量越低，会导致地球气候进一步变冷），甚至在南极有小规模冰盖形成。
温室效应和“冰-反射率反馈”示意图
（图源：作者使用AI制图后重绘）
另一方面，暖期高二氧化碳浓度促进了热带向极地的热量输送，缩小了赤道与极地的温差；而冷期环流减弱，中纬度地区成为热量交换的 “缓冲区”，季节温差随之扩大。
以古鉴今：预测未来气候变化及影响
精确定量重建白垩纪的气候变化，为理解当代气候变化提供了珍贵的参照。尽管二者的驱动机制存在差异（白垩纪的二氧化碳波动是自然过程，现代二氧化碳浓度升高则可能主要由人类活动引发），但气候系统对二氧化碳浓度变化的响应规律却具有相似性（见下表）。
白垩纪韦瑟特冷期与现代气候特征对比
（表格来源：作者制作）
在白垩纪二氧化碳浓度为560ppm时，南极出现季节性冰盖，而现今地球二氧化碳浓度已经到达420ppm，并且正在以数倍于白垩纪时期的速度上涨，因此我们可以预见：
当二氧化碳浓度突破600ppm时：接近白垩纪冷期的二氧化碳浓度，全球平均气温上升2—3摄氏度，南极冰盖可能进入不可逆的消融阶段（白垩纪二氧化碳浓度为560ppm时南极出现季节性冰盖），海平面可能上升几十米，沿海城市将全部被淹没。海洋表层水酸化（pH值下降0.3），浮游生物多样性减少40%，东亚季风增强，长江流域洪涝风险增加，北美西部干旱频率翻倍。
当二氧化碳浓度超过1000ppm时：接近白垩纪暖期的二氧化碳浓度，全球平均气温上升4—6摄氏度，极地永久无冰盖覆盖，此时中纬度地区季节温差维持在10—15摄氏度，并可能出现常态化高温事件，如2023年欧洲夏季的48℃高温天气，北美的“热穹顶”事件（是一种极端气候现象，其核心特征是高层大气热高压系统停滞，形成类似穹顶的封闭结构，将热空气困在地表，导致持续性异常高温，可引发森林火灾、沿海生物大量死亡）等，届时将会对人类生存和地球生态带来毁灭性影响。
图片来源：中央电视台
生态失衡：以牡蛎生长为例，白垩纪冷期的牡蛎生长速率显示，冬季低温使贝类生长停滞，而夏季高温又加速其钙化过程，这种极端的季节性波动造成贝类壳体结构异常和生长受阻，进一步导致对生态链的影响，引发连锁反应——珊瑚礁生态系统全面崩溃。对于现代生态来说，热带气旋强度增加，亚马逊雨林可能由于干旱退化为稀树草原。
解析过去，思考未来
当科学家们凝视这些上亿年前的牡蛎化石，它们不仅诉说着地球气候的沧桑变迁，更如同一部震撼人心的启示录。白垩纪的温室气候向我们揭示：二氧化碳浓度升高时，全球气温并非简单地线性攀升，“无冰地球”更非气候稳定的代名词。相反，那段远古岁月警示我们，季节波动、极端气候、生态危机等可能以更狂暴的方式爆发。
而今天，全球二氧化碳浓度正以数倍于白垩纪时期的速度增长，远超白垩纪任何时期的自然波动速率。如果说地质历史是一面镜子，那么我们此刻的选择将决定镜中的未来图景：是走向一个季节失衡、冰盖消融的“新白垩纪”，还是通过减排行动，为地球气候争取一个更温和的转型空间？答案不言而喻。
在气候系统的漫长演化中，唯有尊重自然规律，才能在演变中存续。地球只有一个，我们需要及时审视、调整并努力维护我们与地球的关系，认真做出每一个看似微小却举足轻重的选择，才能与之共生共荣。
参考文献：
[1]P. J. Valdes, C. R. Scotese, D. J. Lunt, et al. Deep ocean temperatures through time. Clim. Past 17, 1483–1506 (2021).
[2]He S, Wang T, Spicer RA et al., Back to an ice-free future: Early Cretaceous seasonal cycles of sea surface temperature and glacier ice. Sci. Adv, 11, eadr9417(2025).
出品：科普中国
作者：臧铜钢（古气候学硕士）
监制：中国科普博览
