自然探秘：9000万年前南极曾有雨林


德国破冰研究船“极地”号，由亥姆霍兹极地和海洋研究中心的阿尔弗雷德·韦格纳研究所运营。图片来源：阿尔弗雷德·韦格纳研究所/JOHANN KLAGES
由来自亥姆霍兹极地和海洋研究中心（Helmholtz Centre for Polar and Marine Research，AWI）的阿尔弗雷德·韦格纳研究所（Alfred Wegener Institute）的地球科学家领导的一个国际研究团队，为了解南极洲的气候史提供了一个前所未有的全新视角。在 2017 年 2 月在西南极洲阿蒙森海（Amundsen Sea）采集的沉积岩心中，研究团队发现了白垩纪时期保存完好的森林土壤，其中包括大量的植物花粉和孢子，以及密集的树根网络。这些植物遗迹证实，大约 9000 万年前，西南极洲海岸曾是温带沼泽雨林的家园，那里的年平均气温约为 12 摄氏度——对于这个靠近南极的地方来说，这是个异常温暖的气候。研究人员推测，这种温暖的气候存在的必需条件，是当时的南极没有冰盖，而且大气中的二氧化碳浓度明显高于现今的气候模型所推测的水平。该研究提供了白垩纪时代地球最南端的可直接评估的气候和环境数据，并对全球的气候建模研究者提出了新的挑战。该研究发表在《自然》（Nature）杂志上。
从大约 1.15 亿年前到 8000 万年前的白垩纪中期，不仅被认为是恐龙的时代，也是过去 1.4 亿年间最温暖的时期。当时热带地区的海洋表面气温可能高达约 35 摄氏度，海平面比现在高出 170 米。然而，我们对白垩纪时期南极圈的环境条件仍然知之甚少，因为几乎没有可靠的气候档案可以追溯到那个遥远的年代。新的沉积岩心为专家团队提供了第一次机会，重建白垩纪最温暖时期的南极西部气候，这要感谢它所包含的独特证据。
研究团队在一次破冰研究船“极地”号的探险中，用不来梅大学（University of Bremen）的海床钻机 MARUMMeBo70 在松岛冰川（Pine Island Glacier）附近采集了沉积岩心。在该沉积岩心中，他们发现了白垩纪时代保存完好的森林土壤。“在最初的船上评估时，沉积物层不同寻常的颜色很快引起了我们的注意；它显然不同于上面的层。此外，第一次分析表明，在海床以下 27 至 30 米处，我们发现了原本在陆地而非海洋形成的沉积物层。”第一作者约翰•克拉奇（Johann Klages）博士说道，他是 AWI 的地质学家。


富含植被的沼泽景观。图片来源：pixabay
然而，直到对沉积岩心进行了 X 射线计算机断层扫描（CT），研究人员才弄清楚这个气候档案究竟有多么独特。CT 图像显示了一个密集的树根网络，它遍布于整个由细粒粘土和淤泥构成的土层，并且保存得相当完好，研究人员甚至能辨认出单个的细胞结构。此外，土壤样本中含有无数来自各种维管植物的花粉和孢子的遗迹，包括在南极高纬度地区发现的第一批开花植物的遗骸。
“大量的植物遗迹表明，9300 到 8300 万年前，西南极洲的海岸是温带雨林生长的沼泽景观，类似于现在仍能见到的森林，例如新西兰南岛的森林，”论文的共同作者乌尔里希•萨尔兹曼（Ulrich Salzmann）教授解释道，他是诺森比亚大学（Northumbria University）的古生态学家。
植被分析的结果让研究人员感到困惑：当时，在南纬 82 度左右的地理位置，是什么样的气候条件才会形成温带雨林呢？即使在白垩纪，南极大陆也位于南极，这意味着这些森林土壤来源的地区要经历四个月的极夜，也就是说每年有三分之一的时间，根本没有能带来生机的阳光。
“为了更好地了解白垩纪这个最温暖时期的气候，我们首先评估了这些植物后代的现代生活气候条件，”约翰·克拉奇说。研究人员随后在土壤样本中搜寻气温和降水的生物和地球化学指标，以据此重建南极西部热带雨林的空气和水的温度，及其接受的降水量。
大量分析得出了一致的结论：在白垩纪，南极洲没有冰，而且非常温暖。
各种分析结果就像拼图一样契合在一起：大约 9000 万年前，在离南极点仅 900 公里的地方气候温和，全年平均气温约为 12 摄氏度。换句话说，白垩纪时南极附近的平均温度比现今德国的平均气温高大约 2 度。夏季的平均气温约为 19 摄氏度；河流和沼泽的水温高达 20 摄氏度；西南极洲的降雨量和强度与如今的威尔士相似。


图片来源：pixabay
接下来，研究人员使用来自西南极洲的新植被、气温和降水数据作为模拟白垩纪中期气候的目标值。他们用古气候模型做的计算表明，只有当以下条件满足时才能重建该气候：（1）南极大陆被茂密的植被所覆盖；（2）南极地区没有冰盖尺度的陆地冰层；（3）大气中二氧化碳的浓度远远高于人们之前对白垩纪的推测。“在我们的研究之前，一般的假设是白垩纪时全球二氧化碳浓度约为 1000 ppm。但在我们基于模型的实验中，二氧化碳浓度在 1120 到 1680 ppm 之间才能重现当时南极的平均气温。”论文的共同作者，AWI 的气候模拟专家盖里•罗曼（Gerrit Lohmann）教授说道。
因此，这项研究既显示了二氧化碳作为一种温室气体的巨大威力，也显示了当今冰盖的降温作用是多么重要。“我们现在知道，在白垩纪也很可能连续四个月没有阳光。但是因为二氧化碳浓度极高，南极周围的气候仍然是温和的，都不会结冰，”论文的共同作者、不来梅大学海洋环境科学中心（Center for Marine Environmental Sciences，MARUM）的地学科学家托斯腾•比科特（Torsten Bickert）博士解释道。
现在最大的问题是：如果当时南极的气温那么高，那导致后来气候骤降，重新形成冰盖的原因是什么呢？“我们的气候模拟还无法提供一个令人满意的答案，”盖里•罗曼说。找到这些引发变化的成因，是目前国际气候研究界面临的一个关键挑战。
翻译：页一
审校：戚译引
引进来源：亥姆霍兹极地和海洋研究中心，阿尔弗雷德·韦格纳研究所
引进链接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-04/awih-asd033020.php
本文来自：环球科学


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