太长不看版

除了温室气候，还有一种冰室气候。简单地说，冰室气候是冰盖的地质历史时期。冰室气候中的大量碳排放会导致温度迅速升高，导致海洋大面积缺氧，最终灭绝大量生物。

如今，我们正处于冰室气候中，仍在排放大量碳…

在地质史上， 天翻地覆的气候波动多次发生，其中最著名的一次发生在3亿年前。

在被称为显生宙持续时间最长的晚古生代大冰期，地球上发生了一起巨大的碳排放事件，几乎使二氧化碳浓度翻了一番，也使当时（石炭纪）生活的巨大昆虫走到了尽头。

与现代碳排放相比，二氧化碳的浓度值和环境似，对预测未来气候变化具有很强的参考作用。

凛冬将至

石炭纪的地球生物在进化中可以说是英雄和人才。由于石炭纪早期种子植物的辐射和巨大发展，以及未来的植物收割机——脊椎动物仍在陆地上徘徊，森林迅速占据了地球上每一寸适合生存的地方，这极大地改变了地球的环境。

首先，森林本身的光合作用会吸收大量的二氧化碳，此时二氧化碳会转化为植物体内的有机物。一旦植物死亡煤层，碳就会固定在地层中。

其次，大量的根使原来坚固的地面松动脆弱，导致硅酸盐岩风化加剧。硅酸盐在风化过程中会与二氧化碳发生反应，形成碳酸盐岩和二氧化硅，这也是固碳的过程。

最后，风化使磷和其他陆地营养物质大规模进入海洋，这是海洋中各种浮游藻类的大补丸，它们迅速繁殖，使全球海洋生产力飙升。今天，人们称之为藻类、赤潮等。但与陆地上的植物相似，浮游藻类死亡后，体内的有机物也会被埋葬，成为地层的一部分。

结果是大气中二氧化碳含量迅速下降。众所周知，二氧化碳是一种重要的温室气体。失去二氧化碳的大被子后，地球的温度开始向下俯冲。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。几千年来，冬天不可避免地来了。

碳循环在地球上 图片来源：https://earthobservatory.nasa.gov/

冰期的证据已经开始出现在石炭纪初期的地层，而在石炭纪晚期-二叠纪初期，冰川的巨大痕迹随处可见。在这一时期，一种叫做坠石的地层现象也很常见，这是一种在规则沉积的地层中突然出现砾石的地层现象。这种看起来像镶嵌在地层中的石头实际上与冰川有关。

右侧地层落石与平均整齐的地层格格不入，代表冰川现象。 图片来源：陈吉涛在阿根廷拍摄

大型冰川崩解后，带有一些碎砾的小冰山开始四处漂浮。随着这些孤儿越来越融化，它们夹带的碎屑和砾石散落在原本正常沉积的地层中，就像随地排尿一样，非常引人注目。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

与今天四分五裂的大陆形态不同，地球上有一个巨大的超大陆（Pangaea），而无数的英雄在这片中原大地上也乐在其中，节肢动物无疑是最引人注目的一群。

由于野蛮生长的植物拼命排放氧气，当时大气中的氧气含量惊人，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75厘米的巨脉蜻蜓在遮天蔽日的树冠下飞翔，地面不时爬过2米长的巨型马陆。在黑暗的树荫下，有70厘米长的肺蝎静静地等待着猎物来到门口……当时，世界各地的雨林给了这些巨虫独特的栖息地，使石炭纪成为巨虫时代。

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开始远离河流，小心翼翼地探索内陆广阔的森林。他们将继续演变成未来弓形和蜥蜴形的巨兽。但至少在石炭纪，它们都是像蜥蜴一样的原始爬行动物。它们很小，经常成为巨大昆虫的口粮。但当这些动物王国在森林里杀死你和我时，巨大的变化来了！

3.2亿年前的超大陆可以看到冈瓦纳南部超大范围的冰川 图片来源：http://www.earthbyte.org/paleomap-paleoatlas-for-gplates/

久甘霖逢旱

石炭纪巨大的雨林系统虽然潮湿，但仍有致命的隐患——森林大火。

由于当时空气中氧气含量高，随着气候逐渐变冷，冰川越来越大，这些庞然大物带走了大量水分，降低了海平面，改变了洋流和季风，使晚石炭空气异常干燥。

只要有一点点点火，如闪电、局部阳光、火山爆发等，就会让大片森林陷入熊熊大火，立即消失。在石炭纪末，这种森林火灾经常发生，使森林和森林中的生物一次又一次地遭受灾难。

在火旱的洗礼下，曾经浪漫蓬勃的雨林系统终于无法支撑，彻底崩溃。这一事件被称为石炭纪雨林崩溃。

巨虫落幕

与此同时，地球上积累了数千万年的二氧化碳也疯狂地喷涌而出。中国贵州石炭纪晚期的卡西莫夫期和格舍尔期的科学家（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3.2004亿年，地球在30万年内向大气中抛出了约9万亿吨碳，当时地球的大气二氧化碳浓度为350ppm飙到了接近700ppm（ppm，即百万分比)，几乎翻了一倍。目前二氧化碳浓度约为420ppm。

从碳的同位素比来看，大量碳的来源是有机碳。造成这种结果的原因可能有两个：

首先，火山，从热熔岩接触有机沉积物（如煤层）的那一刻起，碳就回到了大型空气家庭，更不用说熔岩本身携带了大量的碳了。斯卡格拉克中心火成岩省的存在似乎证实了这一点，但这需要更详细的研究来确定。

煤层中储存的碳在火山喷发过程中释放 图片来源：HOWARD LEE 修改重绘于 Fristad et al Palaeo3 2015, with input from Henrik Svensen

二是永久冻土层的融化，可谓恶性循环杀手。在变暖的驱动下，这些常年冻土开始融化，释放出有机碳，使气候迅速变暖。

冻土中隐藏着大量的有机碳 图片来源：USGS

然而，无论谁是凶手，全球变暖都会给许多无辜的生物带来痛苦。除了温度急剧上升外，还有一个致命的结果是海洋缺氧。科学家对KGB铀同位素测进行铀同位素测量，发现这一时期的巨量碳排放使海水的缺氧面积从4%扩大到22%左右。这对当时相对简单的海洋环境不那么友好。孔虫、腕足动物和珊瑚都因缺乏运动能力而在窒息中大规模死亡。

在森林火灾和雨林崩溃引起的栖息地急剧缩水的双重破坏下，陆地上的巨大昆虫遭受了全球变暖和氧气含量下降的致命打击。我们再也不能继续辉煌了。从那时起，我们放弃了霸权，走上了小型化的道路。从那时起，巨大的昆虫时代结束了，但它开始了另一场权力游戏。从那时起，地球正式进入了巨兽和龙的时代。

地质时期的生物多样性示意图表明，黄色箭头的灭绝是KGB时间。图片来源：Fan et al., 2020, Science

趁你冰，要你命

虽然巨虫时代已经结束，但3亿年前巨量碳排放对我们现代人的警告还远未结束。

事实上，碳排放的增加在地质史上是无数次的，而这一次KGB特别不寻常的是，同等碳排放导致海洋缺氧面积最大。

铀同位素的缺氧坐标图是基于几大排放事件，其中A横坐标是碳排放速率，B水平坐标是温度上升速率，垂直坐标是海洋缺氧面积，你可以看到一个独特的二叠纪末，除了碳排放（PTB），其他缺氧面积不如其他缺氧面积KGB，但二叠纪末也符合其他几个相关曲线，同等排放也不如KGB的。图片来源：Chen et al., 2022, PNAS

地球气候一般可分为冰室气候和温室气候两类。两者的区别在于两极是否有冰盖，前面说过，KGB发生时，地球处于显生宙以来最长的冰室气候，极地冰盖又厚又大。其他事件都处于温室气候环境中，所以数据显示，冰室气候下的碳排放可能比温室气候下的碳排放更致命。

地球本身就有自我调节的功能，就像一个身体一样。一旦碳排放过多，降雨也会增加，导致化学风化进一步加强，使碳更多地密封在岩石中，从而减缓温度上升。相反，温度下降会减少降雨，风化会减弱，从而减缓温度下降。原则上，这个系统没有问题。

但问题是，一旦排放过快，短期内冰盖的影响是否完全不同：冰盖会有大量的冻土层，融化会进一步加剧碳排放；冰盖反射率高，冰盖快速融化的结果是太阳反射回太空，这意味着地球上的热量大大增加。

这两点使冰室期间的碳排放具有火上浇油的效果。此外，冰川的融化也给了原本覆盖的岩石风化溶解并流入海洋的机会。营养物质导致海洋中的赤潮——随之而来的是缺氧和毒素的丰富，导致大量其他生物死亡。

“冰室气候”中冰川的正反馈过程增强气候敏感性，也导致CO增加引起的温度变化较大。图片来源：environmental science for a changing world 2nd edition

过去的逝，警钟长鸣

不幸的是，我们现在处于冰室气候中。自工业革命以来，我们向大气排放的二氧化碳逐年增加——大部分二氧化碳来自埋在地下的有机碳。

目前，我们面临的困难是，两极冰川已经开始大面积崩溃，地球上的冻土也处于崩溃的边缘，频繁的森林火灾和无尽的极端天气也给我们敲响了警钟。

虽然我们已经意识到形势的紧迫性，但全球政府的步伐并不一致，现代社会的发展是基于化石燃料。因此，在日益紧迫的气候变化下，如何平衡发展和环境，如何实现全球一致行动，对每个人来说都是一个巨大的挑战。

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：中国科学院南京地质古生物研究所

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