古气候学：地球系统随时间变化

什么是气候？

气候是一个地区一段时间内天气的平均值。 当人们使用“气候”这个词时， 经常会出现一些混淆。 通常，即使他们认为自己正在讨论气候， 谈话也会从当前天气的讨论开始。 它可能是这样的：

“今天真是太热了！一定是全球变暖……”

确实，事实可能是这样。 然而，他们实际上描述的是天气。 天气是任何给定时刻当前大气状况的总和。 为了测量它， 我们使用温度计、气压计、风速计和其他设备。 收集这些信息并用于开发可用于预测目的的模型。 并从中获得 1-10 天的预测。 这些天气预测完全基于概率。 20% 下雨的可能性只是意味着， 在当前天气条件下（或预测的天气条件下）， 20% 的时间会下雨。 这些条件是一个地区气候故事的一部分， 但它们仍然被定义为天气。 虽然它们使用最近的历史数据， 但目的是描述某一时刻的大气状况……也许三天后。

一方面，气候是这些日常状况随时间变化的平均值。 在最基本和熟悉的层面上， 气候可以根据季节来描述。 地球上的一些地方会经历四种天气（冬季到秋季）， 而另一些地方会经历两种天气（多雨和干燥）。 这些短期气候条件基于大量变量， 其中包括纬度、地形、与大海的距离、一年中的时间等等。 观察地球上某个特定地点一年中的气候变化， 可以提供该地点独特的短期情况。

气候也可以根据全球平均水平来描述。 在这些条件下， 我们可以跟踪温度和相关变量（温室气体、冰损失、蒸散量等）的长期变化。）提供了更广泛的全球气候及其变化情况的图景。

所有这些仍然基于地球表面的仪器记录以及卫星图像和太空数据。 但在人类能够测量这些东西之前的几年呢？ 有什么方法可以了解科学测量或人类存在之前的气候条件吗？

古气候学：历史气候

古气候学是在仪器记录出现之前对地球气候的研究。 古气候学和气候学之间的划分类似于古生物学和生物学。 这两个领域都研究气候， 但其中一个领域非常关注我们当前的气候状况。 古气候学家必须从地球上梳理出其过去气候的故事， 而且，过去充满了变化的证据。

过去 5.4 亿年的全球平均温度， 使用压缩在一起的各种研究的图表。 上图显示了大量时间，但分辨率非常低。

虽然我们倾向于使用地面和太空仪器来测量天气和气候， 但地球却以多种方式记录了过去的气候。 在本章中，我们将探索各种此类古气候证据， 包括树木年轮、冰层和花粉等。 还有很多例子。 其中一些在较短的时间内记录了丰富的细节， 而另一些则在更长的时间内记录了更粗糙的细节。 实际上，这意味着地球的数据存储实际上与我们在仪器中创建的数据存储没有什么不同。 气候的测量是时间和分辨率的问题。 特定数据集的有用性受到时间和分辨率的限制。 所以，就像现代气候的研究一样。

在研究古气候时， 有一些重要的假设被接受。 就像所有地球科学一样， 这些假设是均变论的。 换言之， 假设过去的流程通常与现在的流程相同。 这并不意味着影响气候的地球系统变化总是以相同的方式发生， 而只是迫使或驱动变化的过程发生。

一个关键的假设是， 地球系统在其历史上的表现与今天一样。 而且，我们承认地球各圈层之间的相互作用也保持一致。 迫使一个系统内发生运动的事件将会对其他系统产生影响。 这些可能会导致反馈放大， 进一步破坏系统的动态平衡， 并可能导致临界点和一系列新的系统环境。 平衡反馈仍然可以对抗这些过程， 作为系统自我纠正并返回到以前平衡的自然手段。

在研究古气候时， 有一些重要的假设被接受。 就像所有地球科学一样， 这些假设是均变论的。换言之， 我们假设过去的流程通常与现在的流程相同。 这并不意味着影响气候的地球系统的变化总是以相同的方式发生， 而只是迫使或驱动变化的过程发生。

一个关键的假设是， 地球系统在其历史上的表现与今天一样。 而且，我们承认地球各圈层之间的相互作用也保持一致。 迫使一个系统内发生运动的事件将会对其他系统产生影响。 这些可能会导致反馈放大， 进一步破坏系统的动态平衡， 并可能导致临界点和一系列新的系统环境。 平衡反馈仍然可以对抗这些过程， 作为系统自我纠正并返回到以前的平衡的自然手段。

对古气候的研究使我们对现代气候及其运作方式有了各种各样的见解。 它有助于完善我们用来研究当前与人为变暖相关问题的模型。 对古气候的研究也让我们对太阳系的运作方式有了更深入的了解。 虽然伽利略和其他人发现了太阳黑子， 如果没有古气候研究， 它们的周期性以及对不同尺度和幅度的气候的影响将是无法得知的。 同样，我们可能不知道地球和其他行星一样， 其轨道参数正在逐渐变化， 从而影响其气候。 关于这些外层影响的知识为当前的研究提供了信息， 这不仅是因为它有助于我们了解气候在自然影响下应该如何反应， 同时还可以消除它们， 将其作为当前造成变化背后的机制。 古气候研究对于理解我们的未来至关重要。

气候模型由方程组组成， 试图解释各种变量及其相互作用。 在创建这些方程和物理过程时考虑了已知的历史数据， 其中一些在上图的插图中列出， 为了在超级计算机上运行该模型， 地球和大气被划分为网格并运行方程。

测量古气候变化：代理记录

根据定义，古气候数据没有人来收集。 那么我们如何知道已知的信息呢？ 事实证明，地球有自己的方法来记录其温度（以及其他变量）。 随着对岩石语言的掌握程度越来越高， 我们学会从地层记录中找出温度变化的证据。 然而，并非所有这些变化都记录在岩石中。 其中一些记录在冰中，其他的则是用木头记录的。 还有一些记录在海洋或湖泊沉积物中。 在许多情况下，我们寻求数据的不是岩石， 而是沉积物或其他富含碳的材料。 我们统称为“代理记录”。 这仅仅意味着它们是代替通常用来测量温度等仪器的记录。

时间尺度和代理记录

一些代理记录示例的时间跨度。

在我们开始对各种古气候代理进行简要概述之前， 重要的是要注意并非所有代理记录都是相同的。 有些记录了最近几百到几千年的气候记录， 而另一些则可以追溯到数百万年前。

在上图中，可以看到历史和仪器记录的时间限制。 在这些时间范围之外，大约 3-400 年， 我们指的是古气候。 像树木年轮这样的代理记录可以让我们对温度的了解追溯到 10,000 年前， 而冰芯则可以追溯到近 800,000 年前。 珊瑚礁数据延伸到与冰大约相同的时间范围。 从那里，沉积物记录可以为我们提供长达数千万年的气候数据。 此时，岩石记录及其包含的所有数据就变得至关重要。 对于贝类化石、有孔虫化石和其他碳酸盐生物来说， 氧同位素记录非常有用。 从数亿年前的黑色页岩中提取的碳同位素比率使我们能够深入了解气候， 代理记录的例子有很多。

可使用国家环境信息中心维护的古气候数据图来查找、探索、下载和免费使用各种古气候代理数据。 让我们探讨当今古气候学家常用的代理数据集的一些关键示例。

生物代理记录

植物化石（中长期）

植物化石提供了随时间变化的代理记录。 通常情况下，植物的宏观化石， 或者足够大到无需显微镜即可看到的化石， 是此类工作的重点。 利用对现代植物群与气候相关的知识， 包括针长度、叶子形状等因素， 我们可以使用这些宏观化石来描述古代陆地环境。 这些植物化石有些是在岩石中发现的， 有些则是在驮鼠巢穴的一部分中发现的。 化石植物更多地描述了真正古老的环境， 而狼群可能只能描述几百到几千年前的环境， 即便如此，它们也只适用于干旱地区。

每当想到当今地球上无植物的恶劣环境时， 可能会想到南极洲。但是， 那里发现了大量的动植物化石， 其历史可以追溯到数亿年前的二叠纪时期。 当时，南极洲是地质学家称之为冈瓦纳大陆的巨大陆地的一部分。 天气很潮湿，如今可以称之为热带。 南极土地上覆盖着含有多种植物的森林。 该地区著名的植物化石例子之一是舌羊齿属（Glossopteris）， 这是一种木本植物，叶子呈舌状， 排列成厚厚的垫子， 它们甚至可能已经落叶了。

有叶子的植物可用于提供气候的定量测量。 利用均变原理，评估现代环境的研究人员发现， 具有光滑“整个”（无齿、无叶）边缘的位置的叶子百分比与温度之间存在线性关系。 现代物种中的这种关系可以应用于同一时期的化石叶子组合， 以帮助确定该地区的温度。

以这种方式成功地利用叶缘来确定加拿大北部阿克塞尔-海伯格岛大地测量山的始新世气候。

花粉（短到长的时间尺度）

花粉的记录与种子的存在直接相关。 已知最早产生种子的植物是种子蕨。 最古老的种子蕨化石可以追溯到泥盆纪晚期。 这些尺寸从小树到灌木不等。从那时起， 在接下来的三亿年里，花粉的记录不断积累。 花粉本质上是通过空气传播的。 无论是通过昆虫或其他生物在空气中传播， 还是通过风传播，它都可以传播很远的距离， 因此，这是一项令人难以置信的进化创新。 这种适应至今仍然存在于所有种子植物中。

花粉提供了一个地区植被的记录。 我们恢复并用作古气候代理的大部分记录来自湖泊沉积物。 漂浮在空气中的花粉接触水后就会被粘住， 最终沉降到湖床上。 通过有时在显微镜下进行繁琐的工作， 从新兴的植被剖面中， 可能会出现某个地区当时和地点的气候的详细视图。 花粉记录可以追溯到近几亿年前。 因此，它们是整个时间跨度内有用的古气候指标。

火灾历史（短时间尺度）

火灾历史数据往往记录更新的古气候数据。 它也更加零星，不是连续记录， 而是在季节性的强烈燃烧时刻记录。 数据也是多代理的， 这意味着它有不止一种形式， 一些火灾数据可能来自树木年轮。 其他火灾历史数据可能来自湖泊沉积物， 甚至还有一个全球木炭数据库！

火灾历史让我们深入了解古代气候以及一个地区随时间的变化。 他们还为现代野火知识做出了贡献， 并为创建森林管理模型做出了贡献。 这些系统模型使用一段时间内的火灾历史作为众多变量之一， 以帮助理解与从干旱频率到森林地面火种数量等各种事物相关的反馈和变量。

动物群数据（短到中等时间尺度）

动物数据与植物数据非常相似， 因为在某个地点发现的动物遗骸类型可以很好地了解该地区当时的气候。 动物遗骸有多种形式。 当然，还有动物化石数据， 这可以包括从海洋贝类到陆地乳齿象遗骸的一切。

严重依赖动物群数据的一项重要项目是描述全新世期间北非撒哈拉沙漠地区的变化。 对这片广阔地区的生物体进行的分析提供了过去潮湿环境的证据， 而不是今天的干旱景观。 各种动物利用当时存在的水道作为迁徙路线。 其中一些动物是水生的， 这些水道由相互连接的湖泊、河流和内陆三角洲组成。 这些环境存在于更新世末次间冰期以及全新世早期。

物理代理记录

沉积物-海洋和湖泊（短到长的时间尺度）

沉积物受到高地侵蚀后积聚在盆地中。 当这种情况发生时， 他们带来了大量关于他们前世生活和前往这个新目的地的旅程的证据。 在成为岩石之前， 这些沉积物包含丰富的气候线索， 无论是埋藏在海洋沉积物还是湖泊沉积物中。

海洋沉积物不仅要分析其物理属性， 还要分析化学变量， 其中包括同位素数据和痕量金属分析。 它们还包含丰富的微化石信息。 海洋沉积物本身可以通过其颜色提供有关海洋健康的信息。 颜色较深的沉积物可能含有很少的贝壳， 并且可以提供一段时期几乎没有氧气（缺氧到缺氧）的证据。 浅色沉积物可能含有大量贝壳， 表明海洋更加健康、富含氧气。 海洋氧合的变化是过去与气候变化时期相关的酸化事件的线索， 通常与二氧化碳上升等大气变化有关。

湖泊沉积物用于类似的研究， 但也用于分析一个地区的水分剖面。 由于淡水湖的深度变化确实很大， 与季节和其他水文变化直接相关， 因此湖泊水位是衡量一个地区湿度的有用指标。 因此，可以根据这种湿度来描述气候， 是潮湿还是干旱？

树木年轮（短时间尺度）

接触年轮就像进入了一个隐藏的世界， 在这个世界里，好奇的信息触手可及。 它可能是最有形和最熟悉的代理记录之一。 树轮数据的主要来源包括 “Southwest Paleoclimate CLIMAS portal”，“Colorado River Basin Tree Ring Analysis”和“Living Blended Drought Prediction (LBDP)”。

只要颗粒小到足以被吹动并且风能足够大以使颗粒保持悬浮， 灰尘就会被吹得到处都是。 因此，冰芯是尘埃记录最重要的储存库之一， 因为大部分尘埃会飞越极地，在冰盖上找到休息的地方。

灰尘来自干燥的土地，潮湿的沉积物不像干燥的沉积物那么容易被吹走。 因此，从古气候的角度来看， 大量灰尘的涌入表明某些地区正在经历严重干旱。 这种灰尘也可以进行化学分析。 碳日期、有机物百分比和其他测量可以提供有关灰尘源和沉积位置的更广泛的信息。

我国黄土高原是黄土数据对于了解其古气候非常有用的地区之一， 例如，相关研究者使用磁化率数据和粒度测量来创建 2006 年东南亚季风的详细记录。

中国临夏县西河乡松软黄土中形成的峡谷。

全新世。干旱和灰尘显着增加的时期发生在距今 12,500 年（距今之前）和距今 11,500 年， 这一时期也被称为“新仙女木”， 是全新世开始后发生的突然变冷的时期。 距今 5000 年之后， 另一个值得注意的干旱时期开始出现， 非常接近现在所说的全新世梅加拉亚时代的开始。 这些时期很可能是该地区季风发生重大转变的时期。

化学代理记录

化学代理记录主要作为同位素数据。 您可能还记得早期化学课上的一些元素以不同的形式存在。 换言之，存在一种稳定的形式， 存在具有不同中子数但保留相同原子序数的该元素的版本。 元素的不同同位素根据其原子质量、原子核中质子和中子的总数来命名（例如，Oxygen-16 和 Oxygen-18）。一般来说， 在氧和碳等情况下， 这些元素的稳定版本碳 12 和氧 16 几乎随处可见。 然而，它们并不能 100% 地构成环境中的碳或氧。

洞穴植物

美国西弗吉尼亚州有一个洞穴， 名为“Buckeye Creek Cave”。 七叶树溪洞穴与喀斯特地区形成的任何其他洞穴相似。 石灰岩下方的区域通过化学风化形成某些特征， 例如天坑、洞穴等，称为喀斯特。 喀斯特在世界各地都很常见， 考虑到水很容易流过环境， 喀斯特是一种对环境特别敏感的景观。 与其他洞穴一样， 七叶树溪洞穴位于石灰岩中， 即格林布赖尔石灰岩。 它包含洞穴、钟乳石和石笋等洞穴结构， 与许多其他石灰岩洞穴一样。

但重要且独特的是， 科学家们在这些七叶树溪洞穴洞穴中发现了 7000 年来的气候数据。

珊瑚和硬海绵

珊瑚礁可能是这个星球上最濒临灭绝的动物群之一。 珊瑚是海洋动物，它们会形成巨大的骨礁， 并每年不断增加，为营养贫乏的热带水域中的无数生物体创造了广泛的栖息地。 关于珊瑚礁的一切都与共生有关。 首先是珊瑚动物本身， 如果没有废物，珊瑚就无法生存， 这些废物是珊瑚的食物， 这些废物是通过与珊瑚虫生活在一起的虫黄藻进行光合作用产生的。

冰芯

在所有古气候指标中， 冰芯也许是最迷人的。 这不仅是因为它们更为人们所熟悉， 还因为冰芯中蕴含的信息量相当惊人。 使用岩心钻机从冰川中提取冰芯。 冰每年都会分层，就像树木年轮、珊瑚生长和洞穴一样。每年， 降雪最终会凝结成雪， 然后结成冰。 在此过程中， 它会捕获与该时刻相关的灰尘和气泡。 对我们来说很方便的是， 科学家可以在 80 万年后回来并“从冰箱里”取出这些数据。

冰芯数据包括氧、氘、碳，通常还包括其他稳定同位素。 它还包括灰尘、大气气体浓度（例如二氧化碳和甲烷）以及其他地球化学数据， 包括铅、硫以及其他工业和环境参数。 薄薄的火山灰层有助于限制冰的年龄， 这是一个丰富的信息宝库！

海洋微型浮游生物

海洋微型浮游生物形成食物网和营养金字塔的最底部。 他们是海洋领域的主要生产者， 其他一切事物的生存都取决于他们持续的幸福。 其中一些微化石，有孔虫， 分泌碳酸钙壳，或测试。 其他的则分泌由二氧化硅制成的硅质测试。 化石在进行这些测试时将使用周围可用的氧同位素以及氢。 因为它们非常小并且是浮游生物， 根据定义意味着它们漂浮在周围， 所以它们很容易被洋流移动。 一旦它们死亡，它们的尸体就会像雨点一样落入海底， 研究人员可以从沉积物核心样本中提取它们。

以上提到了地球漫长历史中许多重要的古气候事件， 帮助我们了解过去的气候。 古气候学研究对于了解我们的未来至关重要。