当今地球正处于冰室气候背景下，大气CO₂浓度不断上升，全球气候变暖加剧。如果不加以控制，本世纪末海水表层温度可能升高1.5～2.0℃，进而增加跨越气候临界点和生物灭绝的风险。

而3亿年前的地球正处在大冰期，南极被厚厚的冰盖覆盖，同样经历了一次急剧升温。那次变暖，全球平均地表温度上升约7.5℃，海洋缺氧，生物变小……尤其令人警觉的是，当时CO₂浓度从约300ppm（百万分之一）飙升到了700ppm——这一浓度区间，正是今天地球正在经历的水平。

不久前，科学家合力揭开了这次“冰室中的极热事件”的全部面纱，也为我们今天的处境拉响了警报。

同样的“冰室”，不同的“体温”

如果把地球气候比作人的体温状态，那么冰室气候就像是地球在低于“正常体温”下运行——两极覆盖着厚厚的冰盖，全球偏冷。而温室气候则是地球在“发烧”，两极没有冰，全球炎热。

今天的地球，正处在冰室气候背景中。然而，这个“冰室”并不安分——大气CO₂浓度持续上升，全球气温不断攀升，海洋变酸、缺氧，珊瑚礁萎缩，物种数量下滑。科学家预测，如果碳排放不加控制，到本世纪末全球海表温度可能升高1.5到2.0℃，有可能突破气候系统的临界点。

这个临界点意味着什么？

在地质历史上曾多次发生过极热事件，但这些“病例”都发生在温室气候背景下，与如今的冰室背景下变暖的边界条件不同，不能简单套用。

研究人员把目光投向了距今约3亿年前的晚古生代大冰期。那是显生宙以来规模最大、持续时间最长的冰期，也是动植物繁盛之后唯一一个与目前CO₂浓度相当的冰期，就像找到了一份与今天“体质”最相似的病例。

中国科学院南京地质古生物研究所副研究员要乐、王秋来，与中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强合作，联合国内外多家机构，对华南和俄罗斯的多个地质剖面开展了多学科综合研究。他们日前最新发表在美国《国家科学院院刊》上的成果，首次完整呈现了这次冰室背景下极热事件的全过程。

“古温度计”揭示的两段式升温

要复原3亿年前的海水温度，离不开一类特殊的化石，牙形刺。它是一类已经灭绝的远古海洋动物的微小齿状骨骼，个头虽小，但它的氧同位素组成却能忠实记录其生存时的海水温度。这就好比一支天然的“温度计”，埋藏在岩石中等待读取。

研究团队利用二次离子质谱（SIMS）技术，对华南的纳庆、纳饶以及俄罗斯乌索卡（Usolka）等3个剖面的牙形刺化石进行了微区原位氧同位素分析。这种技术消耗的样品量极少，仅纳克级别，却能获得高精度的氧同位素数据。

结果令人意外。在大约3亿年前的卡西莫夫期与格舍尔期之交，牙形刺的氧同位素值出现了一次明显“跳水”，这表明海水温度经历了一次快速上升。研究团队将这次事件命名为卡西莫夫期-格舍尔期极热事件（Kasimovian-Gzhelian Thermal Maximum，KGTM）。

他们进一步发现，这次升温并非一次性爆发，而是分两步走的。

第一步，缓慢热身。初始阶段，低纬海水表层温度升高了约2℃。这个过程持续约6万年，像一场温和的“预热”。

第二步，急速冲刺。紧接着，主阶段温度迅速攀升了约3.5℃。而这一次，只用了约3.5万年，升温速率远高于初始阶段。

科学家通过地球系统模型将牙形刺记录的温度数据转换为全球尺度，结果显示：KGTM期间，全球平均地表温度总共升高了约7.5℃，大气CO₂浓度从约300ppm猛增到700ppm，要乐对《中国科学报》表示：“这一浓度区间，恰好跨越了当今地球所处的气候状态。”

KGTM事件示意图。南京古生物所供图

谁点燃了这把火？

那么，3亿年前的这场“高烧”是怎么形成的？研究团队从两个角度展开了追踪。

首先是火山活动。汞是火山喷发释放到环境中的标志性元素，因此科研人员测量了岩石中的汞同位素和汞含量，结果显示，在KGTM的初始升温阶段，汞同位素Δ¹⁹⁹Hg维持在高值（0‰至+0.04‰），且汞含量与总有机碳的比值明显升高。这是典型的火山活动信号，说明区域性火山喷发释放的CO₂，正是最初那“第一把火”。

但到了升温迅速的主阶段，火山信号反而消失了。那后续的巨量碳排放又来自哪里？研究团队把目光投向了天上的轨道力。

地球绕太阳运行的轨道并非一成不变，而是受偏心率、地轴倾斜度等天文参数调制，周期性地改变太阳辐射的分布。这就像地球有一个天然的“节拍器”，控制着冰期-间冰期的节奏。研究团队将牙形刺氧同位素曲线与40.5万年和10万年的偏心率周期进行对比，发现高温期恰好对应偏心率的高值期。

这意味着，初始火山升温之后，天文轨道的胁迫作用增加了高纬度太阳辐射，进而加速了冰盖的融化和冻土层的解冻。这些冻土中封存着大量有机碳，经升温释放，进一步推高了大气CO₂浓度，造成更强烈的升温，形成了升温-释碳-再升温的气候正反馈作用，地球气候系统最终突破了临界阈值，引发了巨量碳排放和主阶段的快速升温。

研究还通过对比速率相当但幅度不同的升温事件发现，升温的速率和幅度共同决定着生物多样性的变化。

“这项研究表明，在冰室背景下，小幅度的初始升温就有可能触发一系列连锁反应，跨过气候阈值，酿成快速变暖、海洋恶化和生物多样性丧失的后果。”要乐指出，今天的我们，正站在这条升温链的起点上。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2601643123