蓝星编年史-12

随着恐龙的灭绝，中生代结束，地球进入了一个新纪元——新生代。

新生代又可以进一步划分，如下表。

新生代断代。最后一栏为各年代的年限，单位为万年。

进入新生代，经历了一次巨大的生物灭绝事件，可谓几家欢喜几家愁。愁的是，经历了这次事件，爬行类动物元气大伤，统治地位不复存在，蕨类植物、裸子植物衰落，而我们熟悉的恐龙却不愁，因为直接灭绝了（当然，这个灭绝存疑）。而喜的是，哺乳类动物取代爬行类的地位，开始大发展，被子植物占据了绝对优势。而随着被子植物的繁盛，真正意义上的花才开始点缀地球，从雪域高原到热带雨林。这些略过，主要是生物界我不太懂。

在固体地球科学领域，新生代发生的最重要的一次事件当为青藏高原的隆起，不仅是地质学研究的热点，而且它对全球气候、生态、水系等方面的影响也是各领域的研究前沿。

自1970年代起，伴随着板块构造理论的提出，地学界开展了两个国际大洋钻探计划（（Deep Ocean Drilling Project，DODP；Ocean Drilling Program (ODP)），获取了大量的大洋沉积物岩芯；在大陆上，也钻取了连续的冰芯和湖泊沉积物，借助高精度的同位素测量技术，人们对新生代的全球气候演变有了深刻的认识。

多变的气候

地球的气候向来是多变的，忽冷忽热，从5.4亿年以前的寒武纪以来，地球经历了多次冷热交替。

显生宙以来（5.4亿年）地球δ18O值的变化。蓝线为短期平均值，黑线为长期平均值。一般来说，δ18O值越小，表示温度越高。下面蓝色方框为冰期。可以看出，地球历史上绝大部分时间的温度都比现在要高。注意，横轴的年龄单位为百万年，从右向左变年轻。[1]

进入新生代，气候变化可分为两个主要的阶段：在渐新世之前（3400万年以前），仍旧是温暖的，温室气体含量也很高；但在渐新世之后，地球慢慢冷却，温室气体含量下降，最终导致了极端寒冷的第四纪冰期。

新生代δ18O值（竖轴）随时代（横轴）的变化。在3500万年之前，地球气候仍相对温暖，两极冰盖尚未发育。35000万年之后，气候转冷，南极最先发育永久冰盖，大约在1000万年的时候，北极冰盖也开始发育。注意，图右边温度轴只表示3400万年以前，全球永久冰盖出现以前大洋底的温度。[2]

3500万年以前，地球处于一个暖期，根据对大洋沉积物的研究结果，在5000万年的时候，大洋底的温度达到最大值（约为12℃），随后慢慢下降，到3400万年的时候，下降至4.5 °C[2]；而且，在5000万年时，亚热带和亚极地地区的海面温度差别相当小，在随后降温的过程中逐渐变大[5]。

在这一段时间内，有一个比较特殊的事件，即在约5600万年的时候，出现了一次气候异常变暖事件，被称为古新世—始新世极暖期（Paleocene-Eocene Thermal Maximum，PETM）。

根据深海碳、氧同位素，这次事件中，在不到两万年的时间里，超过2万亿吨的二氧化碳进入大气和海洋，海洋表面温度升高了大约5~8 °C，洋底温度升高了大约5 °C；但这次事件仅持续了大约20万年；这次突然的变暖事件对生物界也造成了很大的影像，一些生物的分布范围快速扩大或演化，而一些则走向了灭绝[2,3]。目前，对这一现象的解释很多，比较流行的一个看法是在短时间内，储存在海底的大量温室气体甲烷突然释放出来。至于原因，则是莫衷一是，比如一直以来的升温在这个时候达到了深海气体水合物分解（如可燃冰）的阈值，彗星撞击、岩浆侵入也会造成水合物的突然分解，以及海洋自身组织的变化、大陆坡的风化等[6]。然后，就是原因可能多样，具体未定。

这个事件备受科学家的关注，因为在短时间内数亿吨的二氧化碳进入大气和海洋，这个数量级和人类目前造成的排放量相当（有人估计到2400年，会有超过5万亿吨的二氧化碳进入大气和海洋[2,4]），所以这个事件的发生和随后的影响也会让人类处理今天所面临的困境时有所借鉴。

变暖初期，会引起一系列的正反馈效应，导致温度变得更高，比如土壤中温室气体的释放、海水增温致使海底气体水合物巨量分解等等。大气中CO2含量的增高，可能达到现在的4倍以上，在短期内（千年尺度）会造成海水的酸化，减小CO2的增加速度，表面温度升高会影响海水的上下流通、海底缺氧等。而在更长的尺度上，当二氧化碳停止增加，大气中CO2的含量达到最大值，海水会吸收很大一部分的CO2并酸化，海洋中的碳酸盐减少；同时，大气的增温会使地表硅酸盐风化加剧，大量的钙离子进入海洋，形成碳酸盐沉淀下来，降低海洋中的碳酸根离子，进而降低大气中的CO2，然后就是降温。但这个过程需要的时间要远大于增温所需要的事件。这个过程在PETM事件中得到了部分证实[2]，也许会对当今人类所面临的问题有所启发。

在5000万年以后，跨过了最高温度，地球已经开始慢慢地降温，这个第一个降温阶段，直到3400万年，出现了一个大的转折。

地球降温

自3400万年以来，地球气候的特征之一就是冰川，就是我们所熟知的两极冰盖以及冰河世纪——第四纪大陆冰川。

在始新世和渐新世之交的3400万年，南极大陆开始出现大规模的大陆冰盖，并延续至今；大约800万年的时候，北半球的大陆冰盖也开始发育；3000~200万年间，北半球的大陆冰盖开始向低纬度地区扩大，鼎盛时期到达欧洲中部和北美腹陆，今天的北美五大湖就是冰川的产物。在亚洲，西伯利亚和青藏高原可能就戴着一个大冰帽[注]。大陆山岳冰川发育，冰期理论最初就源于对阿尔卑斯冰川的研究；在川西，冰川发展留下来的终碛堤形成了一个个的海子，才有了今天九寨沟的美景。

上文提到过，在地球的暖期，高纬度地区和赤道地区的温差并不大，这次冷却事件主要表现为地球的中高纬度地区变冷，年平均温度与赤道地区拉大。也就是说，这次降温主要是中、高纬度地区变冷。伴随着降温，两极冰盖发育，海平面下降，沧海边桑田，人类生活的陆地更加广阔。

地球在不同年代温度示意图。横轴为纬度（负值为南纬），中间竖轴为温度。橘黄色曲线为55~48百万年的温度，蓝线为45~39百万年，黑线为现今温度曲线。高纬度地区从亚热带变成了寒带，两极和赤道的温度梯度变大[7]

本来好好的，为啥突然就降温了呢？而且，南极还要戴上那么厚的一顶帽子。

然而，和其他众多的地质问题一样，目前还没有找到一个或若干个确切的因素，来为这次变暖事件"负责"。

但目前科学界认为，长周期的气候变化（百万年尺度）的最大影像因素是大气中温室气体的含量，大多数时候是二氧化碳的含量。上文中也提到，在新生代的早期，大气中二氧化碳的含量是现在的好几倍，相应地温度肯定也比现在要高不少；随之CO2含量降低，温度就会下降[8,9]。不过，为什么CO2会有变化呢？

上文中提到的甲烷的快速释放会导致增温。在更长期的尺度上，CO2的主要来源是火山，主要是大洋洋中脊。洋中脊是大洋地壳产生的地方，每年都有大量的岩浆从这个地方冒出来。但是，在不同的地质历史时期，洋中脊扩张的速度会有变化，比较快的时候带出来的CO2就比较多，造成地球升温。

而降温，就比较复杂了。导致二氧化碳含量降低的因素有很多，比如岩石的风化、水中溶解的碳酸根与钙离子结合沉淀、生物体碳被埋藏等等诸多地质过程。总结起来，就是大气中的碳被固定下来。这个，可能就是新生代晚期降温的主要原因。很多地质过程，比如印度-欧亚板块的碰撞与青藏高原的隆起、安第斯山的隆起等，都会加速风化的过程，起到降低CO2浓度的作用。

但实际情况要远比这个复杂，尤其是在2500万年以后，大气中CO2的浓度已经相当低了，在这个大背景下，很多其他的过程可能也会干预气候的波动，比如大洋水道的开合及对洋流的改变、高原或山脉对气流的影像、大陆板块的位置、地球轨道的周期性变化。

a图是大气CO2浓度（单位是ppm v.，即百万分之一体积分数）。b图是深海水温。横轴是年代，以现代为0，单位是百万年[9]。大气中的CO2浓度在2500万年以后，就降到了和现在水平大致相当的水平。

地球上一些构造事件和气候事件的对应关系。比如北大西洋开裂，地球火山活动加剧，CO2排放量增多，导致温度升高。洋中脊扩张减速导致降温。德雷克海峡贯通，指示南极出现冰盖。哥伦比亚河火山可能导致了中新世适宜期。青藏高原抬升加速可能引起降温。[10]

举一些栗子。比如水道理论，最典型的就是南极冰盖的形成。这个理论认为，在全球降温的大背景下，南极洲和南美州分裂，中间出现水道（德雷克海峡），形成了环南极洲洋流，阻断了内部与赤道的热交换，致使南极地区降温形成冰盖。而南、北美之间巴拿马水道的关闭，可能导致了北极冰盖的形成。

南极大陆与南美大陆（左上角绿色大陆）的分离，德雷克海峡打开，环南极洲的洋流形成，阻止了来自赤道的温暖海水，可能是南极冰盖形成的原因。（via worldatlas.com）

而在80万年以来，地球的冷暖周期大约是10万年；而在这以前只500万年，冷暖周期大约是4.1万年，这个即米兰科维奇旋回。这可能是因为地球轨道的变化导致其接受的太阳能量发生变化的结果。

还有很多，就不一一说了。但是，没有哪一个理论能完美地解释气候的变化规律，有太多太多的东西我们现在不知道，也许气候的变化本身就是多个因素共同作用的结果，这无疑增加了研究的难度。

人类目前正处在一个关键点上，全球变暖会带来许许多多的问题。但是，全球变暖对人类影像最大的，我认为，是海平面的上升。根据一些研究，新生代的气候是非常适合人类生存的，总有一些地方适合人居住。但是，海平面上升带来的生存空间的严重压缩则是一个不可解决的问题，除非人类能够长出在海上生存的本领。不过，似乎很少有人考虑气候突然转冷怎么办。在冰盛期，冰川的范围可以达到中纬度，大陆冰川（如青藏高原、阿尔卑斯山）也会向低海拔地区扩展，这无疑也会极大地压缩人类的生存空间。虽然现在地球气候的整体趋势是在变暖，但是不要忘了，我们所处的是地球历史上最寒冷的时代之一，现在是一个大冰期，突然转冷的情况在不久前就出现过（比如新仙女木事件）。

人类目前所做的一切，在地球面前不过是个渣渣，人类灭绝之后不到一千年，地球上基本看不出来曾经有这么一群生物存在过。

References

[1] http://www.oocities.org/marie.mitchell@rogers.com/PaleoClimate.html

[2] Zachos, James C., Gerald R. Dickens, and Richard E. Zeebe. "An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics." Nature 451.7176 (2008): 279-283.

[3] McInerney, Francesca A., and Scott L. Wing. "The Paleocene-Eocene thermal maximum: a perturbation of carbon cycle, climate, and biosphere with implications for the future." Annual Review of Earth and Planetary Sciences 39 (2011): 489-516

[4] Caldeira, Ken, and Michael E. Wickett. "Oceanography: anthropogenic carbon and ocean pH." Nature 425.6956 (2003): 365-365.

[5] Bijl, Peter K., et al. "Early Palaeogene temperature evolution of the southwest Pacific Ocean." Nature 461.7265 (2009): 776-779.

[6] Lourens, Lucas J., et al. "Astronomical pacing of late Palaeocene to early Eocene global warming events." Nature 435.7045 (2005): 1083-1087.

[7] Bijl, Peter K., et al. "Early Palaeogene temperature evolution of the southwest Pacific Ocean." Nature 461.7265 (2009): 776-779.

[8] Pagani, Mark, et al. "Marked decline in atmospheric carbon dioxide concentrations during the Paleogene." Science 309.5734 (2005): 600-603.

[9] Stoll, Heather M. "Climate Change: The Arctic tells its story." Nature 441.7093 (2006): 579-581.

[10] Zachos, James, et al. "Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present." Science 292.5517 (2001): 686-693.

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：Olivine

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