6600萬年來天文定年的地球氣候變化記錄及其可預測性

過去6600萬年以來，大型恐龍絕滅，被子植物、哺乳類和鳥類繁盛，是地質曆史中的新生代。新生代早期兩極沒有冰蓋，晚期兩極出現大規模冰蓋。溫室氣體濃度一度超過2000ppmv，而到末次冰期不足200ppmv。古氣候學家一直希望獲得新生代以來的氣候變化記錄，來理解現代的地球氣候演化規律和發展趨勢。

整整100年前，米蘭科維奇提出地球軌道參數變化，包括偏心率、傾角以及歲差，影響了地球表面獲得的太陽輻射緯度和季節分配，驅動了地球氣候准周期變化（Milankovitch，

從1980年代中期開始，古氣候學者利用深海沉積物的碳、氧同位素記錄來集成重建新生代氣候曆史。迄今最有影響的集成曲線是2001年

在過去20年裏，全球新獲得的深海沉積鑽孔極大地彌補了這些缺憾（圖1），天文時間標尺逐漸跨過新生代，向古生代延伸。新的集成曲線呼之欲出。

圖1

最近，這項工作由德國不來梅大學海洋環境科學中心（MARUM）的Thomas

他們在超過1000個深海沉積鑽孔中挑選出14個鑽孔，仔細檢查並修正了這些岩芯的拼接方式，選擇兩個長壽的有孔蟲屬Cibicidoides和Nuttallides的氧、碳同位素記錄重建氣候曆史。根據初步的時間標尺，補充測試了部分晚中新世到早始新世的樣品，來保證足夠的時間分辨率。他們收集了所有記錄已有的天文時間標尺，並且把這些時間標尺統一調整到La2010b的軌道方案，最終獲得了一條經過天文調諧定年的，連續覆蓋整個新生代全球氣候參考曲線CENOGRID（CENOzoic

圖2

數據集由23629個數據點組成，時間分辨率漸新世以來高達2ka，古新世和始新世為4.4ka，估計年代誤差古新世-始新世為10萬年，漸新世-中中新世為5萬年，晚中新世-更新世為1萬年。這是全球第一條完整覆蓋新生代的高清晰度同位素地層參考曲線。 

全球氣候是一個複雜的動態系統，在萬年到百萬年尺度上，對准周期性的天文強迫有複雜的非線性響應。為研究CENOGRID的時域特征，研究團隊進行了重現分析（recurrence

CENOGRID氧同位素的重現圖揭示了4種截然不同的方塊區域（圖3）。每個方塊對應著氣候在特定狀態下反複循環。新生代氣候據此可以分成4個狀態，稱為熱室、溫室、冷室和冰室狀態。熱室狀態是從56

圖3

演化譜顯示（圖4），在13.9

圖4

作者們還計算了CENOGRID曲線重現分析的確定性（圖5），定量描述系統的可預測性。當確定性接近0，表示系統是隨機的，不可預測，接近1，表明系統確定。結果顯示，溫室和熱室地球比冷室和冰室地球更可預測。34

圖5

相對而言，熱室地球比溫室地球更加不易預測，主要原因是極熱事件顯示了強烈的非線性過程，放大了天文強迫。另外，值得注意的是，47

CENOGRID團隊還同時公開了對未來氣候的預測：目前人為造成的全球變暖的速度遠遠超過了在新生代任何時候的自然氣候波動，並且有可能將地球氣候從目前的冰室推向熱室狀態（圖6）。「預計的人為變暖將比這要大得多，IPCC預測，如果‘一切照舊’，2300年全球氣溫達到5000萬年以來的最高水平。」

圖6