气候|6600万年来天文定年的地球气候变化记录及其可预测性同位素|新生代|地球|状态

过去6600万年以来，大型恐龙绝灭，被子植物、哺乳类和鸟类繁盛，是地质历史中的新生代。新生代早期两极没有冰盖，晚期两极出现大规模冰盖。温室气体浓度一度超过2000ppmv ，而到末次冰期不足200ppmv 。古气候学家一直希望获得新生代以来的气候变化记录，来理解现代的地球气候演化规律和发展趋势。
整整100年前，米兰科维奇提出地球轨道参数变化，包括偏心率、倾角以及岁差，影响了地球表面获得的太阳辐射纬度和季节分配，驱动了地球气候准周期变化(Milankovitch, 1920) 。过去50年中，米兰科维奇假说不但成了一种古气候研究的理论范式，而且也为古气候研究提供了天文定年方法。
从1980年代中期开始，古气候学者利用深海沉积物的碳、氧同位素记录来集成重建新生代气候历史。迄今最有影响的集成曲线是2001年 UCSC古海洋学教授Jim Zachos团队发表在Science上的论文(Zachos et al., 2001a) 。这篇文章很大程度上奠定了学界对新生代气候演化的整体认识。但当时，天文定年时间标尺刚刚迈进了古近纪门槛(Zachos et al., 2001b) ，新生代早期的时间标尺主要依赖于生物地层和磁性地层，还有不少分歧。
在过去20年里，全球新获得的深海沉积钻孔极大地弥补了这些缺憾(图1) ，天文时间标尺逐渐跨过新生代，向古生代延伸。新的集成曲线呼之欲出。

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图1 CENOGRID钻孔分布(Westerhold et al., 2020附件)
最近，这项工作由德国不来梅大学海洋环境科学中心(MARUM)的Thomas Westerhold领衔完成，论文9月11日在Science发表(Westerhold et al., 2020) 。
他们在超过1000个深海沉积钻孔中挑选出14个钻孔，仔细检查并修正了这些岩芯的拼接方式，选择两个长寿的有孔虫属Cibicidoides和Nuttallides的氧、碳同位素记录重建气候历史。根据初步的时间标尺，补充测试了部分晚中新世到早始新世的样品，来保证足够的时间分辨率。他们收集了所有记录已有的天文时间标尺，并且把这些时间标尺统一调整到La2010b的轨道方案，最终获得了一条经过天文调谐定年的，连续覆盖整个新生代全球气候参考曲线CENOGRID(CENOzoic Global Reference benthic foraminifer carbon and oxygen Isotope Dataset)(图2) 。

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图2 CENOGRID数据集(Westerhold et al., 2020)
数据集由23629个数据点组成，时间分辨率渐新世以来高达2ka ，古新世和始新世为4.4ka ，估计年代误差古新世-始新世为10万年，渐新世-中中新世为5万年，晚中新世-更新世为1万年。这是全球第一条完整覆盖新生代的高清晰度同位素地层参考曲线。
全球气候是一个复杂的动态系统，在万年到百万年尺度上，对准周期性的天文强迫有复杂的非线性响应。为研究CENOGRID的时域特征，研究团队进行了重现分析(recurrence analysis, 也称递归分析) 。重现分析可以揭示系统的非线性动力学过程，以及非线性相互作用信息，重现图是对时间序列的内部结构及可预测性的可视化。
CENOGRID氧同位素的重现图揭示了4种截然不同的方块区域(图3) 。每个方块对应着气候在特定状态下反复循环。新生代气候据此可以分成4个状态，称为热室、温室、冷室和冰室状态。热室状态是从56 Ma持续到47 Ma ，温度比现在高10度，还出现了氧同位素和碳同位素同步负漂的极热事件。温室状态有两个时期，分别是66 Ma到56 Ma ，以及47 Ma到34 Ma 。这两个温室状态温度相似，但碳同位素值和二氧化碳浓度截然不同。 34 Ma前后始新世-渐新世界线是新生代最显著的转换事件。冷室状态从34 Ma持续到3.3 Ma ，以13.9 Ma可以分为两个阶段。 3.3 Ma之后为冰室状态，地球的气候受北半球冰盖消长控制。这四种状态的划分，与之前对新生代气候历史的认识大体相符，但是重现图首次提供了统计稳健的客观证据。