北極熊吸引了大多數遊客來到斯匹次卑爾根島，這是挪威斯瓦爾巴群島中最大的島嶼。對我來說，岩石才是真正的吸引力。我和我的同事們，都是地質學家和氣候科學家，在2007年夏天飛往這個偏遠的北極島嶼，尋找確鑿的證據，證明當時被認為是有史以來最劇烈的全球變暖事件。要到達可能蘊藏這些線索的岩石露頭，意味著要從我們在前煤礦村朗伊爾城的老舊營房徒步跋涉兩個小時，所以我們在休息一夜後早早出發了。當我們艱難地走過溼滑的雪地和矮小的植物時，我彷彿看到了棕櫚樹、蕨類植物和鱷魚可能曾在這裡棲息的景象。
那時，大約在5600萬年前，我應該會汗流浹背，而不是抵禦寒意。研究表明，在幾千年的過程中——這在地質時間上只是一瞬間——全球氣溫上升了五攝氏度，這標誌著地球發燒，科學家稱之為古新世-始新世極熱事件，或PETM。氣候帶向兩極移動，無論陸地還是海洋，迫使動植物遷移、適應或死亡。海洋最深處的某些區域變得酸化和缺氧，導致生活在那裡的許多生物死亡。地球的天然緩衝系統花了近20萬年才使發燒降下來。
PETM與今天正在發生的人為氣候變化有一些驚人的相似之處。最值得注意的是，其背後的罪魁禍首是大量吸熱溫室氣體注入大氣和海洋，其體積與我們持續燃燒化石燃料在未來幾個世紀可能產生的量相當。瞭解PETM期間究竟發生了什麼，可能有助於我們預測未來會是什麼樣子。然而，直到最近，關於該事件的懸而未決的問題使得預測充其量只是推測性的。新的答案提供了令人警醒的清晰度。它們表明，地球上一次大全球變暖的後果與未來可能發生的情況相比相形見絀，並且它們為人類如果繼續不改變方向將遭受苦難的預測增加了新的支援。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞業，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
溫室陰謀
今天，研究人員認為PETM的展開過程大致如下：正如我們當前的氣候危機一樣，PETM在某種意義上始於化石燃料的燃燒。當時，超級大陸盤古大陸正處於解體的最後階段，地殼正在撕裂，形成東北大西洋。結果，大量的熔岩和強烈的熱量穿過包含歐洲和格陵蘭島的陸地升起，烘烤富含碳的沉積物，甚至可能還有地表附近的煤炭和石油。反過來，烘烤的沉積物釋放出大量的兩種強效溫室氣體，二氧化碳和甲烷。從火山噴發的巨大體積來看，火山可能導致最初的溫室氣體積累達到幾百拍克碳的量級，足以使全球氣溫升高幾度。但包括我們的分析在內的大多數分析表明，還需要更多的東西才能將PETM推向最熱點。
當火山引起的熱量引發其他型別的氣體釋放時，第二次更強烈的變暖階段開始了。海洋的自然攪動將熱量輸送到寒冷的海床，那裡顯然破壞了埋藏在其中的大量冷凍甲烷水合物沉積物的穩定性。隨著水合物融化，甲烷氣體冒到地表，向大氣中添加了更多的碳。大氣中的甲烷捕獲熱量的效率遠高於二氧化碳，但它會迅速轉化為二氧化碳。儘管如此，只要甲烷釋放持續下去，該氣體的濃度就會持續升高，強烈放大溫室效應和由此產生的氣溫上升。
一系列其他正反饋可能與水合物引起的變暖高峰同時發生，從陸地上的儲層釋放出更多的碳。任何曾經是（或曾經是）生物的物質的乾燥、烘烤或燃燒都會排放溫室氣體。乾旱很可能發生在包括美國西部和西歐在內的地球許多地區，導致森林和泥炭地暴露在乾燥環境中，在某些情況下還會發生大範圍的野火，向大氣中釋放更多的二氧化碳。泥炭和煤層中陰燃的火災，在現代已知可以持續數百年，可能使排放持續強勁。
極地地區的永久凍土融化也可能加劇了這種情況。永久凍土將死亡植物鎖定數百萬年，就像冰箱裡的冷凍漢堡肉。把肉放在廚房的檯面上，它就會腐爛。同樣，當永久凍土解凍時，微生物會消耗解凍後的殘骸，打嗝冒出大量的甲烷。科學家們擔心，北極融化的永久凍土層釋放出的甲烷可能會大大加劇當今化石燃料引起的氣候變暖。永久凍土融化在PETM期間的潛在貢獻甚至更加引人注目。當時的地球更溫暖，因此即使在PETM之前，南極洲也缺乏覆蓋今天冰凍陸地的冰蓋。但那塊大陸仍然會有永久凍土——基本上都“放在臺面上”等待融化。
當氣體釋放開始時，海洋吸收了大部分二氧化碳（以及後來轉化為二氧化碳的甲烷）。這種天然的碳封存最初有助於抵消變暖。然而，最終，如此多的氣體滲入深海，以至於產生了過量的碳酸，這個過程被稱為酸化。此外，隨著深海變暖，其氧氣含量減少（溫暖的水無法像冷水那樣容納如此多的維持生命的氣體）。這些變化對某些被稱為有孔蟲的微小生物造成了災難，這些生物生活在海底及其沉積物中。化石記錄揭示了它們無力應對：30%到50%的物種滅絕了。
核心知識
自1990年以來，溫室氣體的大量釋放推動了PETM的形成，這一點已經很明確，當時加利福尼亞州的兩位研究人員首次從南極洲附近海底鑽取的沉積物岩心中識別出該事件，該岩心記錄了數百萬年的氣候變化。不太明顯的是細節，包括究竟釋放了多少氣體，哪種氣體占主導地位，噴射持續了多長時間，以及是什麼促使了它。
在發現之後的幾年裡，無數科學家分析了數百個其他深海沉積物岩心，以尋找答案。由於沉積物是緩慢地逐層沉積的，因此它們捕獲了礦物質——包括海洋生物的骨骼遺骸——這些礦物質保留了周圍海洋或大氣成分以及沉積時存在的生命形式的特徵。例如，骨骼遺骸中不同形式或同位素的氧原子混合物揭示了水的溫度。
當儲存完好時，這樣的岩心提供了氣候歷史的美麗記錄。但是，許多包含PETM的岩心狀況不佳。部分缺失，剩下的部分也因時間的流逝而退化。海底沉積物通常富含礦物碳酸鈣，與抗酸藥片中的化合物相同。在PETM期間，海洋酸化溶解了沉積物中大部分的碳酸鹽，恰好在PETM時代最極端條件應該存在的層位中。
正是因為這個原因，我和我的同事們在2007年在斯匹次卑爾根島與來自英國、挪威和荷蘭的一組研究人員會面，隸屬於世界大學聯盟。我們有理由相信，來自北極這部分地區的岩石，幾乎完全由泥土和粘土組成，可以提供更完整的記錄——並最終解決關於古代變暖事件的一些未解答的問題。實際上，我們打算從一個被侵蝕的高原上，而不是從海底撈取我們的樣本。我們尋求的沉積物沉降在一個古老的海洋盆地中，自PETM以來，構造力一直在發揮作用，將該區域向上推到海平面以上，冰河時代的冰川后來將其雕刻成斯匹次卑爾根島壯觀的陡峭山脈和寬闊的山谷。
在朗伊爾城進行第一次考察旅行之後，在制定野外工作和岩石取樣計劃時，我們有了一個發現，節省了大量的體力勞動。我們從一位有遠見的當地地質學家那裡瞭解到，他為之工作的一家挪威礦業公司多年前曾鑽取穿過覆蓋PETM時代的沉積層岩心。他自己承擔了儲存數公里岩心的責任，以防有一天科學家會發現它們有用。他帶我們去鎮郊外的一個大型金屬棚，岩心現在就存放在那裡，自從被切割成1.5米長的圓柱體後，就存放在數百個扁平的木箱中。我們在那次旅行剩餘的時間裡，以及在2008年的第二次訪問期間，我們的努力都集中在從那個長岩心的選定部分獲取樣本。
回到實驗室後，在幾年的時間裡，我們從這些樣品中提取了特定的化學特徵，這些特徵可以告訴我們地球在進入和退出PETM時的狀態。為了更多地瞭解空氣中的溫室氣體含量，我們研究了碳同位素的變化組合，我們主要從粘土中儲存的有機物質痕跡中收集到這些資訊。透過對岩心的200多層進行提取和分析，我們可以拼湊出這些因素如何隨時間變化。正如我們所懷疑的那樣，碳的同位素特徵在我們知道大約有5600萬年曆史的層位中發生了顯著變化。
拉長時間
我們的北極岩心結果非常特別。它們是第一個記錄PETM變暖和恢復整個持續時間的岩心，它們提供了溫室氣體釋放到大氣中期間更完整的快照。我們懷疑，這些氣候記錄前所未有的保真度最終將為迄今為止關於氣體釋放量、來源和持續時間的最確鑿答案。但為了獲得這些結果，我們不得不超越對岩心中物質成分和濃度的推斷。我們請我在賓夕法尼亞州立大學的研究生崔瑩執行一個複雜的計算機模型，該模型根據我們從北極岩心中的碳同位素特徵變化以及深海岩心中海底碳酸鹽的溶解程度所瞭解到的情況，模擬了變暖。
崔嘗試了不同的情景，每個情景都需要一個月的計算機時間才能完整地演繹PETM的故事。例如，一些情景假設甲烷水合物的貢獻更大；另一些情景則假設二氧化碳來源的貢獻更大。最符合物理證據的情景需要向大氣和海洋中新增3000至10000拍克碳，這比火山或甲烷水合物可能提供的量還要多；永久凍土或泥炭和煤炭一定也參與其中。這個估計值高於之前基於其他岩心的同位素特徵和計算機模型所做的估計值。但最令我們驚訝的是，這種氣體釋放分佈在大約20000年的時間裡——時間跨度是之前任何人預測的兩倍到二十倍。如此長的持續時間意味著PETM期間的注入速率每年不到兩拍克——僅僅是今天燃燒化石燃料向空氣中輸送溫室氣體速率的一小部分。事實上，現在二氧化碳濃度的上升速度可能比PETM期間快10倍。
這個新的認識對未來具有深遠的影響。化石記錄告訴我們，氣候變化的速度比變化的程度對生物和生態系統的影響更大。正如你寧願接受朋友的擁抱，也不願挨一拳肚子一樣，生命對緩慢的變化比對突如其來的變化反應更積極。白堊紀時期（在6500萬年前結束，當時小行星撞擊導致恐龍滅絕）極端轉變為溫室氣候的情況就是如此。白堊紀期間溫室變暖的總幅度與PETM相似，但前者的發生持續了數百萬年，而不是數千年。沒有發生明顯的滅絕事件；地球及其居民有足夠的時間進行調整。
多年來，科學家們一直認為PETM是相反極端情況的最高例子：已知最快的氣候變化，與對未來的最悲觀預測相媲美。從這個角度來看，PETM的結果似乎並沒有那麼糟糕。除了深海中不幸的有孔蟲外，所有動植物顯然都倖存了下來——即使它們不得不做出一些認真的適應才能做到這一點。一些生物縮小了。特別是，PETM的哺乳動物比它們的前輩和後代都要小。據推測，它們以這種方式進化是因為較小的身體比較大的身體更擅長散熱。穴居昆蟲和蠕蟲也變得矮小。
一次偉大的極地遷移拯救了其他生物。有些生物甚至在它們擴張的領地中茁壯成長。在海洋中，通常是亞熱帶居民的鞭毛藻類Apectodinium擴散到了北冰洋。在陸地上，許多原本侷限於熱帶地區的動物首次進入北美和歐洲，包括海龜和有蹄哺乳動物。就哺乳動物而言，這種擴張為進化和填補新的生態位打開了無數機會，對人類產生了深遠的影響：這種偉大的多樣化包括靈長類動物的起源。
太快了嗎？
現在我們知道PETM的速度充其量是溫和的，而且實際上並沒有那麼快，那些引用PETM相當無害的生物學後果來為對燃燒化石燃料的不知悔改辯護的人需要重新考慮一下了。相比之下，當前正在發生的氣候變化正以驚人的速度發生。在短短幾十年內，森林砍伐和工業革命的汽車和燃煤發電廠使二氧化碳增加了30%以上，我們現在每年向大氣中排放9拍克碳。考慮到人口增長和發展中國家工業化程度提高的預測表明，在所有化石燃料儲備耗盡之前，這個速度可能會達到每年25拍克。
科學家和政策制定者在研究氣候變化的潛在影響時，通常關注最終產品：冰川會融化多少？海平面會上升多高？PETM研究的新教訓是，他們還應該問：這些變化會發生多快？地球居民是否有時間進行調整？如果變化發生得太快，或者遷移或適應的障礙變得很大，生命就會失敗：動植物滅絕，世界的面貌會發生數千年的改變。
因為我們正處於當前地球發燒的早期階段，所以很難預測未來會怎樣。但我們已經知道一些事情。正如政府間氣候變化專門委員會最近的報告總結的那樣，生態系統對變暖做出了敏感的反應。有明確的證據表明地表水酸化以及由此給海洋生物帶來的壓力[參見馬拉·J·哈特和卡爾·薩菲納的文章“從內部威脅海洋生命”；《大眾科學》，2010年8月]。物種滅絕正在增加，氣候帶的轉移已經使倖存的動植物開始遷移，通常是攜帶疾病的害蟲和其他入侵物種在新領地中勝出。與PETM的動植物不同，現代動植物現在有道路、鐵路、水壩、城市和城鎮阻礙了它們遷移到更適宜氣候的道路。如今，大多數大型動物已經被周圍的棲息地喪失限制在狹小的區域內；在許多情況下，它們遷移到新的緯度以求生存的機會將為零。
此外，冰川和冰蓋正在融化並導致海平面上升；珊瑚礁越來越容易受到疾病和熱應力的影響；乾旱和洪澇災害也變得越來越普遍。事實上，降雨模式的轉變和極地冰融化導致海岸線升高可能會導致前所未有的大規模人類遷徙。有些已經開始了[參見亞歷克斯·德謝爾比寧、科科·華納和查爾斯·埃爾哈特的文章“氣候變化的受害者”；《大眾科學》，1月]。
當前的全球變暖正走在大大超過PETM的道路上，但現在避免等待著我們的災難可能還不算太晚。要做到這一點，需要世界各國立即採取行動，減少大氣中二氧化碳的積累——並確保古新世-始新世極熱事件仍然是最後一次大全球變暖。