碳排放+冰盖，巨虫：我们就是这么灭亡的
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太长不看版
除了温室气候外，其实还有一种冰室气候。简单地说，冰室气候就是存在冰盖的地质历史时期。而冰室气候中的巨量碳排放则会造成气温急速升高，从而海洋大面积缺氧，最终使大量生物灭绝。
如今，我们正处于冰室气候中，并且还在排放着大量的碳…
在地质史上， 发生过多次天翻地覆式的气候波动，其中最著名的一次就发生三亿年前。
在号称显生宙持续时间最长冰期的晚古生代大冰期中，地球上发生了一次“不讲武德”的巨量碳排放事件，几乎让当时的二氧化碳浓度翻倍，也让当时（石炭纪）生活的巨型昆虫走向末路。
这次碳排放事件和现代的碳排放相比，不论是二氧化碳的浓度数值还是所处的大环境都有相似性，因此对我们预测未来气候变化情况有着极强的借鉴作用。
凛冬将至
石炭纪的地球生物在演化上可谓群雄并起，英才辈出。得益于石炭纪早期种子植物的辐射和大发展，再加上趁着未来的“植物收割机”——脊椎动物还在水陆间徘徊时，成片的森林迅速占领了地球上每一寸适合生存的地方，这极大改变了地球的环境。
首先是森林本身的光合作用会吸收大量二氧化碳，二氧化碳此时转化为植物体内的有机物。一旦植物死亡变成煤层，碳也就随之被固定在地层中。
其次，大量的根系让原本坚固的地面变得松动和脆弱，导致硅酸盐岩风化加剧，硅酸盐在风化中会与二氧化碳反应，形成碳酸盐岩和二氧化硅，这也是一个固碳的过程。
最后，风化使得磷等陆源营养物质大规模灌入海洋，这对于海洋中各种浮游藻类来说就是“大补丸”，它们迅速繁衍，让全球海洋生产力暴涨。今天人们将之称为藻华、赤潮等。但与陆地上的植物相似，浮游藻类死亡后，其体内的有机物也会被埋藏而变成地层的一部分。
这三管齐下的结果就是大气中的二氧化碳含量快速降低。众所周知，二氧化碳是重要的温室气体，失去了二氧化碳这床“大棉被”，地球的温度便开始头也不回地往下俯冲。更雪上加霜的是，极地冰盖出现后，由于冰层反照率高，会将更多阳光反射回大气中，造成地球接受到的热量降低，而这个过程随着冰盖向低纬度扩张而越来越严重，成为一个恶性循环。持续千万年之久的凛冬不可避免的来了。
地球上的碳循环
图片来源：https://earthobservatory.nasa.gov/
在石炭纪初期的地层中就已经开始出现此次冰期的证据，而到石炭纪晚期-二叠纪初期则达到高峰，巨大冰川的痕迹比比皆是。其中一种叫做坠石的地层现象也在这一时期较为常见，这是一种在规则沉积的地层中非常突兀的出现一块砾石的地层现象。这种看上去如同镶嵌在地层中的石头其实就和冰川有关。
右侧地层中的坠石和较为平均整齐的地层格格不入，代表了冰川现象。
图片来源：陈吉涛拍摄于阿根廷
在大型冰川崩解后，带着一部分碎屑砾石的小冰山就开始了四处漂浮流浪的生活。而随着这些“孤儿”们日益消融，其夹带的碎屑砾石便如同随地大小便一样散落在原本正常沉积的地层之中，从而显得极为扎眼。如今我们的两极冰川已经开始崩解，现代的“孤儿”们已经带着砾石开始了流浪，在未来的某一天也会形成与石炭纪地层中类似的坠石现象。
巨虫当道，逐鹿中原
和如今四分五裂的大陆形态不同，那会的地球有个无比庞大的超大陆（Pangaea），而无数的“英雄好汉”也在这片“中原大地”上乐此不疲地你争我夺，节肢动物无疑是其中最引人注目的一群。
由于野蛮生长的植物拼命排放着氧气，当时大气中的氧气含量高得惊人，于是陆生节肢动物在石炭纪几乎达到了身体尺寸的极限，翼展达到75厘米的巨脉蜻蜓在遮天蔽日的树冠下振翅飞翔，地面不时爬过2米长的巨型马陆，幽暗的树荫深处还有70厘米长的肺蝎静静等待着猎物上门……当时全球密布的雨林则给了这些巨虫们得天独厚的的栖息地，使得石炭纪有了“巨虫时代”的美誉。
滑动来感受巨虫们到底有多大~
从左至右依次为巨型马陆、巨脉蜻蜓、肺蝎。
图片来源：walking with monsters纪录片及prehistoric-wildlife.com
刚刚进化出羊膜卵的爬行动物们则正开始远离河流，朝内陆广袤的森林中小心谨慎地进行着探索，它们在日后将会继续演化成为合弓纲和蜥形纲的巨兽们。但至少在石炭纪，它们还都是像蜥蜴一般的原始爬行动物，它们体型不大，往往会沦为巨虫的口粮。但就在这些动物王国在森林中杀得你来我往时，巨变来了！
3.2亿年前的超大陆，可以看到南边冈瓦纳大陆上的超大范围冰川
图片来源：http://www.earthbyte.org/paleomap-paleoatlas-for-gplates/
久甘霖逢旱
石炭纪庞大的雨林体系虽然潮湿，但依然有着致命的隐患——森林大火。
由于当时空气中氧气含量很高，且随着气候逐渐变冷，冰川规模日益庞大，这些庞然大物带走了大量水分，让海平面下降，改变了洋流和季风，同时让晚石炭的空气变得异常的干燥。
只要有一丁点的引火物——比如闪电、局部阳光暴晒、火山爆发等，就会让大片森林陷入熊熊大火中，顷刻间灰飞烟灭。到了石炭纪末期，这种森林大火频繁发生，让森林以及林中的生物们一次次遭受灭顶之灾。
在火与旱的洗礼下，曾经浪漫而蓬勃的雨林体系终于支撑不住而全面崩溃。这一事件被称为“石炭纪雨林崩溃事件”。
巨虫落幕
与此同时，地球积攒了上千万年的二氧化碳也疯狂地喷涌而出。科学家对中国贵州石炭纪晚期的卡西莫夫期和格舍尔期界线（Kasimovian–Gzhelian boundary，以下简称KGB）地层做了碳同位素测试分析，发现在这个距今3.04亿年的时期，地球在“短短”30万年的时间内向大气中抛出了大约9万亿吨的碳，让当时地球的大气二氧化碳浓度从350ppm飙到了接近700ppm（ppm，即百万分比），几乎翻了一倍。而现今的二氧化碳浓度是大概420ppm。
而从碳的同位素比值来看，这巨量的碳的来源是有机碳。造成这个结果的可能有两方面的原因：
一是火山，从炽热的熔岩接触到有机沉积物（例如煤层）的那一刻起，碳就回归空气大家庭了，更别说熔岩中本身就携带不少的碳。斯卡格拉克中心大火成岩省的存在似乎印证了这一点，不过这还需要更精细的研究才能确定。
火山喷发过程中释放了煤层中储存的碳
图片来源：HOWARD LEE 修改重绘于 Fristad et al Palaeo3 2015, with input from Henrik Svensen
第二个就是永久冻土层的融化，这个可谓是恶性循环的大杀器，在变暖的驱动下，这些常年冰封的冻土开始融化，其中的有机碳由此被释放出来，从而让气候快速变暖。
冻土里藏着海量的有机碳
图片来源：USGS
不过无论谁是凶手，这次全球变暖都让不少无辜的生物遭了殃，它除了让温度急剧升高外，还有个要命的结果就是海洋缺氧。科学家对KGB的碳酸盐岩做了铀同位素测定，发现这一时期的巨量碳排放使得海水的缺氧面积由之前的4%扩张到了22%左右。这对当时相对比较单纯的海洋环境可就不那么友好了，行动不便的底栖有孔虫，以及腕足动物、珊瑚，都因为缺乏运动能力而在“窒息”中大规模死亡。
而陆地上的巨虫们在森林大火和雨林崩溃带来的栖息地急剧缩水的双重摧残下，又遭受到全球变暖和氧气含量下降的致命一击。再也没法延续曾经的辉煌，从此让出了霸权，走上了小型化的道路。巨虫时代从此画上了句号，却开启了另一场“权力的游戏”，从此地球正式进入巨兽和巨龙时代。
地质时期的生物多样性示意图，可以看到黄色箭头那个绝灭事件就是KGB时。
图片来源：Fan et al., 2020, Science
趁你冰，要你命
巨虫的时代虽然落幕了，但是这个三亿年前的巨量碳排放对我们现代人的警示却远没有结束。
碳排放增加其实在地质史上次数多到数不清，而这次KGB尤为不寻常的地方在于——同等碳排放程度下造成了最大的海洋缺氧面积。
根据几大排放事件铀同位素做的缺氧坐标图，其中A横坐标为碳排放速率，B横坐标为温度上升速率，纵坐标都为海洋缺氧面积，可以看到除了因为碳海量排放而一枝独秀的二叠纪末（PTB），其他的缺氧面积都不如KGB，不过二叠纪末也符合其他几次的相关关联曲线，同等排放下也是不如KGB的。
图片来源：Chen et al., 2022, PNAS
地球的气候可以笼统地分为两大类型，即冰室气候和温室气候。两者的区别就在于两极是否有冰盖，而前文说过，KGB发生时，地球正处于显生宙以来最长的冰室气候，极地的冰盖又厚又大。其他的事件却都是处在温室气候的大环境下，所以数据表明的其实是冰室气候下的碳排放比温室气候下的碳排放可能更要命。
地球本身是具备自我调节功能的，就像有机体一样。一旦碳排放过多，温度上升的同时降雨也会跟着增多，从而造成化学风化进一步加强，使得碳被更多的封进岩石中从而减缓温度上升。反之温度下降会减少降雨，让风化减弱从而减缓温度下降。这个系统从原理上是没问题的。
但是问题就在于，一旦排放过快，有无冰盖在短期内的影响是截然不同的：有冰盖的情况下会存在大量的冻土层，这些冻土的融化会进一步加剧碳排放；而冰盖的反照率也较高，冰盖快速消融的后果就是反射回太空的太阳光大大减少，这意味着保留在地球上的热量大大增加。
这两点就让冰室期的碳排放有着火上浇油的效果。而且冰川的消融还让原本被覆盖的岩石有机会被风化溶解从而流入海洋，其中的营养物质又造成了海洋中的赤潮——与赤潮随之而来的就是水体缺氧和毒素富集，导致其它生物大量死亡。
“冰室气候”中冰川的正反馈过程增强气候敏感性，也导致CO2增加引起的温度变化更大。
图片来源：environmental science for a changing world 2nd edition
昔虫已逝，警钟长鸣
不幸的是，我们现在正处于冰室气候中。工业革命以来，我们向大气中排放的二氧化碳逐年增加——其中很大一部分二氧化碳都来自石炭纪被埋藏于地下的有机碳所形成的各种化石燃料。
我们目前面临困境是，两极冰川已经开始大面积崩塌，而地球上的冻土也正处于崩溃边缘，各地频发的森林大火以及层出不穷的极端天气也已经向我们敲响了警钟。
我们虽然已经认识到情况的紧迫，但各自为政的全球政府步调并不一致，而且现代社会的发展也正是建立在化石燃料的基础之上的。那么如何平衡发展与环境，如何达成全球的一致行动，这些问题在日益紧迫的气候变化下对所有人都是巨大的挑战。
参考文献：
[1] Jitao Chen, Isabel P. Montanez, Shuang Zhang, Terry T. Isson, Sophia I. Macarewich, Noah J. Planavsky, Feifei Zhang, Sofia Rauzi, Kierstin Daviau, Le Yao, Yu-ping Qi, Yue Wang, Jun-xuan Fan, Christopher J. Poulsen, Ariel D. Anbar, Shu-zhong Shen, Xiang-dong Wang, 2022, Marine anoxia linked to abrupt global warming during Earth’s penultimate icehouse, PNAS.
[2] https://doi.org/10.1073/pnas.2115231119.
[3] Fan, J.et al., A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity. SCIENCE367 272 (2020).
作者：王冠群 陈吉涛 潘浩晨
作者单位：中国科学院南京地质古生物研究所
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