古新世-始新世过渡期：地球气候突然改变之时

PETM的描绘：快速全球变暖 — 在地球的档案中：5600万年前的气候危机。这处露头显示了古新世和始新世之间的界限。正是在地面的这个精确位置，记录了PETM的痕迹——一次由大规模碳释放引起的迅猛全球变暖。
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科学摘要

5600万年前，地球经历了其最快速、最强烈的全球变暖事件之一：古新世-始新世极热事件（PETM）。在不到20,000年的时间里，全球平均温度上升了5至8 °C，扰乱了海洋和陆地生态系统。这一现象与大量碳（估计在2000至4500吉吨之间）释放到大气和海洋中有关，可能是由北大西洋的火山喷发、甲烷水合物融化或永久冻土解冻引发的。PETM为当前的气候变化提供了一个宝贵但不完美的类比：我们今天所经历的碳排放速度确实比PETM时期要快得多。

什么是古新世-始新世极热事件（PETM），为什么它对于理解当前气候如此重要？

Astronoo的文章通过深入探讨古新世-始新世极热事件（PETM）来回答这个问题。这是发生在5600万年前、古新世和始新世地质时代交界处的一段极端全球变暖时期。在短短几千年内，巨量的碳被释放到大气中，导致全球温度上升5至8 °C。这场剧变带来了重大后果：海洋酸化和缺氧、众多海洋物种（特别是有孔虫）的灭绝，以及陆地哺乳动物被迫向两极迁移。文章详细阐述了这一事件的可能原因，如与大西洋开放有关的强烈火山活动，并强调了PETM作为当前气候失调的自然类比物的重要性——同时指明了一个本质区别：碳目前被释放到大气中的速度在过去6600万年中没有已知的等同物。

前所未有的全球变暖

5600万年前，地球经历了其最大的气候冲击之一。古新世-始新世极热事件（PETM）期间，全球气温在不到20,000年内上升了5至8 °C。这种在地质尺度上极其迅速的变暖，深刻改变了碳循环、洋流和生物多样性。这一时代的海洋沉积物见证了海洋的大规模酸化，使得具有钙质外壳的生物（如有孔虫 (外壳是优良气候指标的单细胞海洋生物)）生存困难。

气候转折的原因

PETM的确切原因仍在争论中，但最被接受的设想涉及地球系统突然、大量的碳释放。几种来源被考虑：

北大西洋岩浆省的火山活动：大西洋的开放引发了巨大的火山喷发，燃烧了巨大的煤炭和油页岩矿床，从而释放出数量惊人的\(CO_2\)和甲烷。
甲烷水合物的融化：最初可能源于火山的变暖，可能使存在于海底沉积物中的甲烷水合物 (高压低温下稳定的水和甲烷的固体化合物)失稳，进而释放这种强大的温室气体。
永久冻土解冻：变暖还可能解冻了广阔的永久冻土 (永久冻结的土壤)区，释放出被囚禁了数千年的甲烷和\(CO_2\)。

生物和环境影响

PETM的影响对许多物种来说是灾难性的，但对其他物种而言也是选择和多样化的驱动力。

PETM对生态系统的关键影响
领域	观察到的影响	参考文献
海洋	大规模酸化、缺氧（死亡区）、30%至50%的底栖有孔虫灭绝	Zachos et al. (2005)
陆地	哺乳动物向高纬度迁移（例如：Hyracotherium (马的祖先)）、部分哺乳动物出现侏儒化	Gingerich (2006)
植被	热带和亚热带森林向两极扩张、植物区系组成改变	Wing et al. (2005)

在海洋中

海洋对\(CO_2\)的大量吸收引发了前所未有的酸化，溶解了浮游生物的外壳。生活在沉积物中的底栖有孔虫遭受了大规模灭绝，消失率高达50%。这种消失伴随着深水区的缺氧（缺氧），形成了广泛的“死亡区”。

在大陆上

在陆地上，变暖使得哺乳动物能够迁移到更高纬度。正是在这个时期，第一批灵长类和有蹄类出现在欧洲和北美。在某些哺乳动物中还观察到侏儒化现象，体型因热应激和营养可用性降低而缩小。

PETM：对未来的警告

研究PETM至关重要，因为它构成了当前气候变化的最佳地质类比。当时观察到的后果（海洋酸化、大规模灭绝、生态系统破坏）让我们得以一窥一个变暖几度的世界可能是什么样子。但这个类比有其局限性，如下一章所示。

关于气候阈值的教训

PETM表明，一旦超过某个变暖阈值，地球系统可能突然从一个气候状态转变为另一个。最新估计将PETM初始阶段积累的碳量定在2,500至4,500吉吨之间，这一数量级是我们的化石燃料储备在未来几个世纪内可能达到或超过的。理解这一阈值对于预测气候系统的临界点（如永久冻土解冻或冰盖融化）至关重要。

前所未有的排放速率：PETM与当前变暖的比较

虽然PETM仍然是现代气候变化的最佳自然类比，但一个重要的细微差别需要注意：今天碳被释放的速率与PETM的速率无法相提并论。Richard Zeebe、Andy Ridgwell和James Zachos在2016年发表于Nature Geoscience的一项基准研究，根据新泽西大陆架的沉积物重建了PETM开始时的碳释放速度。他们的结果表明，最初的碳注入持续了至少4,000年，最大持续速率低于大约每年1.1吉吨碳。

今天的速率快了十倍

然而，人类的碳排放量在2010年代中期已达到约每年10吉吨，并且还在持续增加。换言之，人类目前向大气中释放碳的速度大约比过去6600万年中最强烈的变暖事件时期快了十倍。该研究的作者提到了一个“无类比状态”：地质记录中的任何事件都无法让我们确定地预测气候系统将如何应对如此迅速的干扰。这种速率差异至关重要，因为一个被猛然推动的系统可能比一个经历缓慢干扰的系统反应更剧烈、更难以预测，即使涉及的碳总量处于同一数量级。

回归平衡：地球系统的缓慢愈合

PETM的另一个宝贵教训：过量碳被注入气候系统的速度，与其被清除的缓慢形成鲜明对比。一旦达到变暖峰值，地球气候花费了大约150,000至200,000年才恢复到接近PETM之前的状态。这种恢复主要通过大陆硅酸盐的风化（一种在数十万年的时间尺度上消耗大气\(CO_2\)的缓慢地球化学过程）以及有机碳在海洋沉积物中的逐渐埋藏实现。

海洋的缓慢恢复

海洋钻探岩芯还显示，在酸化峰值之后，碳酸盐补偿深度（在这个深度以下，钙质壳在海洋中溶解）经历了一次暂时性的超出，然后才逐渐稳定下来，这表明海洋化学花了很长时间才恢复稳定的平衡。这种干扰速度（数千年）与恢复速度（数十万年）之间的差距，是PETM向现在传递的最重要信息之一：即使今天的碳排放迅速停止，它们也会将地球气候锁定在远远超出人类社会的时间尺度上。

发现的关键人物

对PETM的理解是众多古气候学家和地球化学家工作的成果。其中包括加州大学圣克鲁兹分校的James Zachos，他关于碳和氧同位素的工作对于量化变暖和酸化的程度至关重要。密歇根大学的Philip Gingerich（生于1946年）提供了关于该事件期间哺乳动物迁移和进化的重要证据。最近，夏威夷大学马诺阿分校的Richard Zeebe揭示了当前碳排放速率相对于PETM的前所未有的性质。