■本报记者 张楠

当今地球正处于冰室气候背景下，大气二氧化碳（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，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。那次变暖使全球平均地表温度上升约7.5℃，海洋缺氧，生物变小……尤其值得关注的是，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。

近日，中外科学家合力揭开了这次“冰室中的极热事件”的面纱，同时为人们今天的处境拉响了警报。相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

3亿年前的“冰室”

如果把地球气候比作人的体温状态，那么冰室气候就像地球在低于“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下。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，如果对碳排放不加以控制，到本世纪末全球海表温度可能升高1.5到2.0℃，并突破气候系统的临界点。

这个临界点意味着什么？

地质历史上曾多次发生过极热事件，但这些“病例”大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。

为找到一个与今天“体质”最相似的“病例”，研究人员把目光投向了约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。

中国科学院南京地质古生物研究所副研究员要乐、王秋来和中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强联合国内外研究人员，对华南和俄罗斯的多个地质剖面开展了多学科综合研究，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。这是一类已灭绝的远古海洋动物的微小齿状骨骼，它个头虽小，但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、埋藏在岩石中待读取的“温度计”。

利用二次离子质谱技术，研究团队对华南的纳庆、纳饶以及俄罗斯乌索卡等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（KGTM）。

研究发现，这次升温并非一次性发生，而是分两步走。第一步，缓慢“热身”。初始阶段低纬海水表层温度升高约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。主阶段温度迅速攀升约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。

研究人员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共升高了约7.5℃，大气CO2浓度从约300ppm猛增到700ppm。

“这一浓度区间，恰好包含了当今地球所处的气候状态。”要乐告诉《中国科学报》。

谁点燃了这把火

那么，3亿年前这场“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维持高值，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”。

然而，到了升温迅速的主阶段，火山信号反而消失了。那么，后续的巨量碳排放又来自哪里？

研究团队把目光投向了轨道力。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。这好比地球有一个天然的“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。这些冻土中封存的大量有机碳经升温释放，进一步推高了大气CO2浓度，带来更强烈的升温，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。

研究人员还对比了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