自然探秘：9000萬年前南極曾有雨林


德國破冰研究船“極地”號，由亥姆霍茲極地和海洋研究中心的阿爾弗雷德·韋格納研究所運營。圖片來源：阿爾弗雷德·韋格納研究所/JOHANN KLAGES
由來自亥姆霍茲極地和海洋研究中心（Helmholtz Centre for Polar and Marine Research，AWI）的阿爾弗雷德·韋格納研究所（Alfred Wegener Institute）的地球科學家領導的一個國際研究團隊，為了解南極洲的氣候史提供了一個前所未有的全新視角。在 2017 年 2 月在西南極洲阿蒙森海（Amundsen Sea）采集的沉積岩心中，研究團隊發現了白堊紀時期保存完好的森林土壤，其中包括大量的植物花粉和孢子，以及密集的樹根網絡。這些植物遺跡證實，大約 9000 萬年前，西南極洲海岸曾是溫帶沼澤雨林的家園，那裏的年平均氣溫約為 12 攝氏度——對於這個靠近南極的地方來說，這是個異常溫暖的氣候。研究人員推測，這種溫暖的氣候存在的必需條件，是當時的南極沒有冰蓋，而且大氣中的二氧化碳濃度明顯高於現今的氣候模型所推測的水平。該研究提供了白堊紀時代地球最南端的可直接評估的氣候和環境數據，並對全球的氣候建模研究者提出了新的挑戰。該研究發表在《自然》（Nature）雜誌上。
從大約 1.15 億年前到 8000 萬年前的白堊紀中期，不僅被認為是恐龍的時代，也是過去 1.4 億年間最溫暖的時期。當時熱帶地區的海洋表麵氣溫可能高達約 35 攝氏度，海平麵比現在高出 170 米。然而，我們對白堊紀時期南極圈的環境條件仍然知之甚少，因為幾乎沒有可靠的氣候檔案可以追溯到那個遙遠的年代。新的沉積岩心為專家團隊提供了第一次機會，重建白堊紀最溫暖時期的南極西部氣候，這要感謝它所包含的獨特證據。
研究團隊在一次破冰研究船“極地”號的探險中，用不來梅大學（University of Bremen）的海床鑽機 MARUMMeBo70 在鬆島冰川（Pine Island Glacier）附近采集了沉積岩心。在該沉積岩心中，他們發現了白堊紀時代保存完好的森林土壤。“在最初的船上評估時，沉積物層不同尋常的顏色很快引起了我們的注意；它顯然不同於上麵的層。此外，第一次分析表明，在海床以下 27 至 30 米處，我們發現了原本在陸地而非海洋形成的沉積物層。”第一作者約翰•克拉奇（Johann Klages）博士說道，他是 AWI 的地質學家。


富含植被的沼澤景觀。圖片來源：pixabay
然而，直到對沉積岩心進行了 X 射線計算機斷層掃描（CT），研究人員才弄清楚這個氣候檔案究竟有多麽獨特。CT 圖像顯示了一個密集的樹根網絡，它遍布於整個由細粒粘土和淤泥構成的土層，並且保存得相當完好，研究人員甚至能辨認出單個的細胞結構。此外，土壤樣本中含有無數來自各種維管植物的花粉和孢子的遺跡，包括在南極高緯度地區發現的第一批開花植物的遺骸。
“大量的植物遺跡表明，9300 到 8300 萬年前，西南極洲的海岸是溫帶雨林生長的沼澤景觀，類似於現在仍能見到的森林，例如新西蘭南島的森林，”論文的共同作者烏爾裏希•薩爾茲曼（Ulrich Salzmann）教授解釋道，他是諾森比亞大學（Northumbria University）的古生態學家。
植被分析的結果讓研究人員感到困惑：當時，在南緯 82 度左右的地理位置，是什麽樣的氣候條件才會形成溫帶雨林呢？即使在白堊紀，南極大陸也位於南極，這意味著這些森林土壤來源的地區要經曆四個月的極夜，也就是說每年有三分之一的時間，根本沒有能帶來生機的陽光。
“為了更好地了解白堊紀這個最溫暖時期的氣候，我們首先評估了這些植物後代的現代生活氣候條件，”約翰·克拉奇說。研究人員隨後在土壤樣本中搜尋氣溫和降水的生物和地球化學指標，以據此重建南極西部熱帶雨林的空氣和水的溫度，及其接受的降水量。
大量分析得出了一致的結論：在白堊紀，南極洲沒有冰，而且非常溫暖。
各種分析結果就像拚圖一樣契合在一起：大約 9000 萬年前，在離南極點僅 900 公裏的地方氣候溫和，全年平均氣溫約為 12 攝氏度。換句話說，白堊紀時南極附近的平均溫度比現今德國的平均氣溫高大約 2 度。夏季的平均氣溫約為 19 攝氏度；河流和沼澤的水溫高達 20 攝氏度；西南極洲的降雨量和強度與如今的威爾士相似。


圖片來源：pixabay
接下來，研究人員使用來自西南極洲的新植被、氣溫和降水數據作為模擬白堊紀中期氣候的目標值。他們用古氣候模型做的計算表明，隻有當以下條件滿足時才能重建該氣候：（1）南極大陸被茂密的植被所覆蓋；（2）南極地區沒有冰蓋尺度的陸地冰層；（3）大氣中二氧化碳的濃度遠遠高於人們之前對白堊紀的推測。“在我們的研究之前，一般的假設是白堊紀時全球二氧化碳濃度約為 1000 ppm。但在我們基於模型的實驗中，二氧化碳濃度在 1120 到 1680 ppm 之間才能重現當時南極的平均氣溫。”論文的共同作者，AWI 的氣候模擬專家蓋裏•羅曼（Gerrit Lohmann）教授說道。
因此，這項研究既顯示了二氧化碳作為一種溫室氣體的巨大威力，也顯示了當今冰蓋的降溫作用是多麽重要。“我們現在知道，在白堊紀也很可能連續四個月沒有陽光。但是因為二氧化碳濃度極高，南極周圍的氣候仍然是溫和的，都不會結冰，”論文的共同作者、不來梅大學海洋環境科學中心（Center for Marine Environmental Sciences，MARUM）的地學科學家托斯騰•比科特（Torsten Bickert）博士解釋道。
現在最大的問題是：如果當時南極的氣溫那麽高，那導致後來氣候驟降，重新形成冰蓋的原因是什麽呢？“我們的氣候模擬還無法提供一個令人滿意的答案，”蓋裏•羅曼說。找到這些引發變化的成因，是目前國際氣候研究界麵臨的一個關鍵挑戰。
翻譯：頁一
審校：戚譯引
引進來源：亥姆霍茲極地和海洋研究中心，阿爾弗雷德·韋格納研究所
引進鏈接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-04/awih-asd033020.php
本文來自：環球科學


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