研究晚古生代大冰期已經發生過的碳排放與全球變暖事件所造成的影響，將有益於我們更加深入地理解當前在冰室氣候下地球系統內部的關聯與反饋機制，從而更加準確地預測全球氣候環境變化與生物多樣性的未來發展趨勢。全球變暖將會導致什麼樣的後果？地球上的生命將面對怎樣的生存環境？當前的第四紀大冰期與全球變暖會產生衝突嗎？
近年來，全球氣候問題已經成為各個國家關注的焦點。那麼，氣候的變遷是否真的會帶來毀滅性的後果？關於這個問題的研究非常多，但預測的結果相差也很大。
5月上旬，科學期刊《美國科學院院報》刊發了來自中國科學院南京地質古生物研究所（以下簡稱中科院南京地質古生物所）與南京大學、美國加州大學戴維斯分校等合作的一項成果，他們認為：約3億年前的晚古生代大冰期期間，曾發生一次短暫的巨量碳排放事件，引起了海洋缺氧及海洋生物多樣性顯著降低。
地球歷史上曾多次出現碳排放導致的升溫，而3億年前的這次事件之所以吸引科學家的目光，是因為當時的地球環境與當前非常類似。這一成果也是世界上首個以冰期為背景研究全球變暖的成果。
全球變暖惡果已經顯現
北美的高溫、歐洲的暴雨、亞洲的洪災……很多人可能還記得2021年，全球各地出現許多極端天氣。
而在大多數人視線之外的地方，環境變化同樣讓人擔憂：格陵蘭冰川加速融化、亞馬孫雨林頻現乾旱、澳大利亞附近的珊瑚礁大面積死亡、西伯利亞永久凍土開始消融、大西洋環流自1950年開始變緩。
“根據相關研究報道，當前，我們生活的地球或許正面臨著氣候變化的臨界點。”中科院南京地質古生物所陳吉濤研究員告訴記者，當今地球正處於從3400萬年前開始的新生代冰室氣候。然而近百年來，全球氣溫在冰室氣候大背景下快速升高，兩極冰川消融加劇，海平面上升，海洋缺氧程度加重，導致全球生物多樣性降低。
全球變暖原本是一種地球上的自然現象，根據科學家的研究結果，在地球46億年的歷史上，氣溫是呈現周期性變化的，而且絕大多數時間的溫度都比較高，此時地球表面沒有大陸冰川或者冰蓋的覆蓋，我們將這些時期稱為溫室期。
如果地球表面長期處於極其低溫的狀態，導致整個地球表面被冰雪所覆蓋，我們就會將這些時期稱為冰室期或大冰期。比如在前寒武紀大冰期，地球就遭受過一次嚴重的冰凍，這段時間地球的平均溫度可能一度跌到了零下50攝氏度左右，史稱“雪球地球”。
但不是所有大冰期都像“雪球地球”那樣冷。大冰期還分為冰期和間冰期，它們是交替出現的。目前地球正處於間冰期當中，溫度要相對高一些。不過，現在地球上依然存在着不少的冰川和冰蓋，主要集中在格陵蘭和南北極區域，這也是冰期最顯著的特徵。
那麼，當前的全球變暖，究竟會帶來什麼樣的後果呢？
“根據當前環境變化的觀察數據很難預測未來的長期趨勢。為了找到全球冰室氣候背景下的變暖與海洋缺氧、生物多樣性變化的內在關係，更準確地模擬和評估海洋缺氧程度，我們需要通過對地球歷史上冰室氣候的研究尋找答案。”陳吉濤說。
3億年前曾出現巨量碳排放
在3.6—2.8億年間的晚古生代，地球也出現過一次大冰期。這次大冰期是地球持續時間最長、規模最大的一次冰室氣候，也是陸生高等植物及陸地生態系統建立以來唯一一次記錄了地球由冰室氣候向溫室氣候轉變的地質時期。當時，地球的大氣二氧化碳和氧氣濃度也與現代相當，因此這一時期可以與現今人類生存的冰室氣候環境很好地進行類比。
陳吉濤認為，研究晚古生代大冰期已經發生過的碳排放與全球變暖事件所造成的影響，將有益於我們更加深入地理解當前在冰室氣候下地球系統內部的關聯與反饋機制，從而更加準確地預測全球氣候環境變化與生物多樣性的未來發展趨勢。
3億年前的石炭紀，地球大陸與現在並不一樣，大片陸地集中在低緯度地區，我國的華南板塊則是大洋中的一個孤島。因此，華南板塊有大量的海相沉積地層，這為研究當時的海洋環境提供了很好的樣本。
貴州羅甸納慶剖面發育了國際上鮮有的連續出露的石炭紀海相地層，完整記錄了石炭紀晚期海水的地球化學信息。
研究人員在此開展了近十年的地層學、古生物學、沉積學、沉積地球化學、數值模擬等多學科的綜合研究，首次發現了石炭紀晚期冰室氣候下的一次巨量碳排放事件。
為了精確還原當時的環境變化，他們的採樣精度達厘米級，樣本經過碳和鈾同位素及主微量元素等測試分析得出數據，再導入全球碳循環模型（LOSCAR），對碳排放量及碳源進行了數值模擬研究，並利用耦合的碳-鈾模型計算出當時全球海洋缺氧程度，最後利用更綜合的地球系統模型（CESM）進行數據模擬，最終建立了該事件中碳排放與海洋缺氧面積的關聯機制。
研究結果顯示，石炭紀晚期（約3.04億年前）冰室氣候下，約9萬億噸碳在30萬年內排向大氣，從而引起了當時全球氣候的顯著變暖。這期間海水表面溫度升高約4攝氏度，全球海洋缺氧面積增長了18%，從4%擴張至22%，海洋生物多樣性在短期內顯著下降。
“根據我們的研究，當時海洋中的有孔蟲、珊瑚、腕足類生物大量死亡。這些都是底棲生物，當海洋缺氧后，首先波及到的就是這些行動能力相對有限的生物。”陳吉濤說。
研究全球變暖需考慮大氣候背景
研究人員推測，石炭紀晚期的巨量碳排放，與廣泛的火山噴發有關，據其他學者研究，現在的歐洲、澳大利亞等地區，當時都曾發生大規模火山活動。
而石炭紀又是集中的成煤時期，大量的植物以固體碳的形式被埋藏在地下，岩漿噴發前可能侵入到這些煤層中，導致短期內碳排放迅速增加。
為什麼研究溫室氣體排放、全球變暖，需要考察地球大的氣候背景？陳吉濤表示，所謂差之毫厘謬以千里，冰室氣候與溫室氣候下，全球變暖帶來的後果很可能是大不相同的，必須予以科學的論證。
通過比較地質歷史中不同氣候環境下的碳排放事件及其引起的全球變暖和海洋缺氧狀態，研究團隊首次提出，在同樣的碳排放速率下，相較於溫室氣候，冰室氣候下的海洋可能會出現更嚴重的缺氧狀態。
他們推測，這主要有三方面的原因：第一，在冰室氣候的全球變暖期間，冰川融化導致地球表面反照率降低，從而推動溫度進一步上升；第二，這次全球變暖事件減弱了北半球海洋經向翻轉環流，增強了大洋溫躍層分層，從而減小了海洋表層海水的混合深度，導致海洋內部氧氣含量降低；第三，全球變暖導致冰川消融，大片陸地暴露被風化，造成磷和其他營養鹽進入海洋，促進了初級生產力而大量消耗了海水中的氧氣。
9萬億噸碳在30萬年內排向大氣，聽起來數量驚人，但比起近200年人類活動造成的溫室氣體排放，還遠遠不及。
以2018年為例，全球排放的二氧化碳為340億噸，折算成固體碳約93億噸，而石炭紀晚期的巨量碳排放約為每年3000萬噸，前者為後者數百倍之多。
據世界氣象組織觀測，全球大氣中二氧化碳濃度在2019年就已突破410ppm（百萬分之410），為過去80萬年以來的新高。2022年3月，這一數據又上升到418.81ppm（百萬分之418.81）。
那麼，當前的全球變暖，會顛覆地球周期性變化嗎？根據科學家研究，如果當前的碳排放速率不加以限制，地球歷史上的周期性氣候變化可能會被打破，地球或許會進入溫室氣候狀態。