化石叶片表明全球变暖将比科学家们想象的更难打击

化石叶片表明全球变暖将比科学家们想象的更难打击

6450万年前的叶子中的杏仁状孔隙可用于计算古代二氧化碳。

Jennifer Kowalczyk(布朗大学),Dana Royer(卫斯理大学)和Ian Miller(丹佛自然科学博物馆)
化石叶片表明全球变暖将比科学家们想象的更难打击

谈到二氧化碳(CO 2 )和气候,过去就是序幕。 除非彻底改变人类对化石燃料的贪婪消费,否则大气中的二氧化碳必然会上升,从而导致全球变暖。 但这不会是二氧化碳首次飙升。 在地球的古老大气层中,科学家们看到了二氧化碳过山车的微弱轮廓,在重复的气候变化中,在深层时间攀爬和倾斜。 “地球过去的每一个小片都是一个复制的实验,”康涅狄格州米德尔敦卫斯理大学的古气候学家Dana Royer说。 “这有助于我们思考在不久的将来我们可能会走向何方。”

如果只能更清楚地看到过去。 用于从化石和岩石中筛选出过去的二氧化碳水平的古代大气和工具的模型都有局限性。 现在,科学家已经开发出一种新的方法,用于从化石叶片中榨取二氧化碳估算值 - 这种方法可以更深入到过去,并且更加确定。 英国谢菲尔德大学的生物地球化学家David Beerling说:“目前,它非常有前途,它可能是我们所拥有的最好的工具。”他帮助开发了所谓的化石叶片气体交换技术。 它已经解决了古老的气候难题,并提供了一些有关未来的令人不安的消息。

上个月,在加利福尼亚州旧金山举行的美国地球物理联盟会议上,该技术的另一位先驱,澳大利亚悉尼大学的植物生理学家彼得弗兰克斯,就其中一个难题进行了训练:小行星撞击后不久在6600万年前杀死了恐龙。 热带森林在温带地区生长,但早期的研究表明,二氧化碳含量约为百万分之350(ppm),而不是今天的水平,而且看起来太低,无法建立全球温室。 弗兰克斯和他的同事根据对曾经是丹佛附近Castle Rock的热带森林中的化石叶片的气体交换分析,现在得出结论,在撞击后150万年后大气中的二氧化碳浓度约为650 ppm,这似乎更为合理。水平。

但是,在方法应用到1亿到4亿年前的时间里,弗兰克斯发现了一种预示信息的暗示。 他说,在记录全球温暖事件的过程中,该方法揭示了相对较低的二氧化碳值,与其他代理建议的2000 ppm或更高水平无关。 如果这些向下修正成立,地球对二氧化碳注入的敏感度可能比现有模型预测的更为敏感。 “温度将进一步攀升,以减少碳排放,我们最好注意这一点,”弗兰克斯说。

地球科学家会详细研究地球过去的气候。 对于温度,它们通常测量碳酸盐岩中的氧同位素,这些岩石由曾经生活在海面附近的微小海洋生物的壳组成。 随着温度下降,动物倾向于将更多的较重氧同位素结合到它们的壳中 - 产生可靠的海面温度测量值,这与大气温度很好地相关。 “这些估计非常好,”弗兰克斯说。 “二氧化碳是一个更难的问题。”

在过去的80万年中,在从南极洲或格陵兰岛取回的冰芯中捕获的气泡中,可以或多或少直接测量二氧化碳水平。 但是在早些时候,科学家们会寻找模型或代理人。 模型基于影响长期碳循环的地质过程重建大气CO 2 在人类出现之前,火山是造成大部分二氧化碳注入的原因,而二氧化碳则通过埋藏有机物 - 煤层 - 以及岩石的风化和石灰岩的形成而被清除。 通过重新围绕板块构造的运动并跟踪火山作用,植被和风化的广泛区域,耶鲁大学已故的Bob Berner等科学家能够绘制数亿年来CO 2上升和下降的图表。 但他们的曲线有很大的误差。

乘坐过山车

根据基于化石(气体交换,浮游植物,苔类和气孔)和矿物质(硼,古土壤)的指标,大气二氧化碳(CO 2 )在遥远的过去发生了巨大的变化。 古代记录显示,最近从工业化前的水平(最右边)跳跃可能会对气候产生巨大影响。

化石叶片表明全球变暖将比科学家们想象的更难打击
(图)A. Cuadra / Science ; (数据)Dana Royer,卫斯理大学。

相比之下,代表在实际观测中对古代二氧化碳的地面估计。 其中少数已经使用了1亿年(见上图)。 但对于更古老的时代,地球科学家依赖化石土壤(古土壤)或化石叶子。 一些古土壤含有沉淀碳酸钙的结核以及一些有机物质,从中可以得到大气中的二氧化碳含量。 但是,虽然它们是CO 2含量较高的敏感记录仪,但古土壤的含量却低于几百ppm。

在20世纪80年代出现了第一种基于植物气孔的方法 - 允许二氧化碳进入叶子的小开口,通过光合作用将其固定在糖中。 当二氧化碳充足时,植物往往具有较少的气孔,因为水也通过这些毛孔逃逸,植物必须防止过多损失。 但每个物种的气孔数量都以自己的方式响应二氧化碳的上升或下降。 当化石叶属于银杏等现有的植物谱系时,科学家可以根据对当代近亲的研究来估计古代二氧化碳水平。 但对于灭绝的物种,他们必须做出最好的猜测。 与古土壤相比,气孔技术对高CO 2不敏感。

弗兰克斯和他的同事着手改进它。 他们在2014年的地球物理研究快报论文中概述了他们的叶片气体交换技术,它依赖于两个关键的输入。 一个是气孔密度的计算 - 不仅是数量,而且还有化石叶片中气孔的大小和深度 - 这表明气体可以进出植物的速率。 另一个是对化石中有机残留物的分析,其中含有碳同位素,可追踪叶片内的二氧化碳与大气中二氧化碳的比例。 总之,这些因素可以用于读取大气CO 2浓度。

Jennifer McElwain是都柏林大学的古植物学家,也是基本气孔学方法的长期倡导者,最初是对抵达者的批评。 但是她已经来到这里,并将其与旧技术一起使用。 “它将被广泛采用,它将成为一种强有力的方法,”她说。

如果气体交换技术最终取代其他技术,那么古代二氧化碳的低于预期值将为未来提供一个清醒的信息。 气候建模者谈论气候敏感性 - 世界将从工业化前的280 ppm中将二氧化碳加倍的温度。 (随着地球最近通过400 ppm,它正在顺利进行。)用于汇总政府间气候变化专门委员会最新报告的大多数模型,预测气候变化及其影响,具有集中在3°C左右的敏感性。

但这些估计集中在“快速反馈” - 这将迅速放大少量变暖的影响,例如北极海冰的缩小和大气水汽的增加,大气水汽本身就是一种温室气体。 他们忽略了长期反馈,如陆地冰盖融化和植被变化,大多数科学家认为这将导致数十年或数百年的额外变暖。 弗兰克斯说:“他们无法考虑这些大规模,深层次的过程 - 这是我们可以从地质历史中收集到的。”

他说,通过在古老的温暖期间显示较低的二氧化碳水平,气体交换技术表明气候敏感性接近4°C,而不是3°C。 这种上升可能需要几代才能开始,但历史表明它已融入气候系统。 “我觉得这令人担忧,”McElwain说。 “在50到100年内,地球的表面温度可能会比我们目前预期的要高得多。”

尽管如此,这项技术还是新技术,其信息远非确定。 今年3月,在位于纽约Palisades的哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观测站举办的研讨会上,CO 2代理将在各种竞赛中展开竞争。 古气候学家计划权衡不同的代理技术,并在过去的6600万年中提出二氧化碳共识记录。

弗兰克斯相信气体交换技术将会很好。 “很少有人认为你从中获得的不确定性有所改善,”他说。 “我不是在为这个模型传福音。 我认为它会照顾好自己。“

*更正,1月4日,下午3:38:此故事的先前版本错误地将David Beerling视为生物化学家。 他是一名生物地球化学家。