2015, Vol.35
1 引言
大气中的CO2是一种重要的温室气体。科学界早就意识到了大气CO2的温室效应可能会对全球气候产生影响，Tyndall[1]最初通过实验证明了CO2和水蒸气具有温室效应，之后他的学生Arrhenius[2]对大气CO2的温室效应进行了量化计算。而早期更多的认识则来自于对太阳系行星演化的比较，特别是将火星的大气和温度演化历史与地球进行的比较[3]，使人们认识到CO2的温室效应对于行星在上亿年时间尺度上的温度变化是一个重要的影响因素，这也是为什么人们担心人类活动造成的大气CO2浓度急剧升高可能会导致全球进一步变暖的原因。2013年，全球多个大气CO2观测站的数据表明，大气中的CO2浓度已经突破400ppmv，更增加了公众对于气候变化可能失控的担忧。但事实上，由于大气圈只是地球系统的一个储量较小的碳库，气候变化将引起其他碳库中碳量的变化，从而也可能引起大气CO2浓度的变化。因而，气候变化也可能是大气CO2浓度变化的原因。
探索大气CO2浓度与地球表面温度之间的关系，除了进行现代化的仪器气象观测外，重建地质历史时期的大气CO2浓度与温度变化更是一项基础任务。相对于温度的重建，大气CO2浓度的重建难度更大，因为在全球尺度上，陆地、 海洋、 生态等各系统圈层对温度的变化会留下较多的物理、 化学和生物记录，而CO2作为大气成分的一部分，留下的记录则要少的多。不过，经过过去几十年的努力，科学家们在这两个方面均取得了令人瞩目的成就。例如，以模拟计算和地质载体记录为基础，科学家们重建了大量的地质时期的大气CO2浓度[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]，并与同时期的气候变化进行了对比分析和讨论[4, 6]。极地冰芯的钻取和研究，不仅为古气候研究做出了重大的贡献，而且较好地重建了800ka以来的大气CO2浓度[14, 15, 16, 17]，为科学家们探索大气CO2浓度与气候变化之间的关系提供了重要的思路。自有仪器观测资料以来，人们所掌握的数据越来越丰富，而大气CO2浓度和全球平均温度在趋势上的总体上升，使得人类开始关注自身的工业化活动等对大气环境的影响，以及由此可能带来的一系列全球性问题。
任一时段的气候变化是不同时空尺度变化规律叠加的结果，这也意味着从不同的时空角度看到的结果往往会有所不同。要认识当前气候变化与大气CO2浓度变化之间的相互作用，首先需要了解过去不同时期它们之间的变化规律，因此，研究地质历史时期的大气CO2浓度与气候变化之间的关系就显得尤为重要，本文从不同的时间尺度出发，对目前科学界重建的大气CO2浓度变化以及其与气候变化之间的关系进行了整理分析，以期深化对这一问题的认识。
2 地质历史时期不同阶段的大气CO2浓度与气候变化 2.1 显生宙以来的大气CO2浓度和气候变化地球46亿年的历史分为隐生宙和显生宙两大阶段。以寒武纪(约始于541Ma前)生物大爆发为标志，地球历史进入到了显生宙阶段，地球上开始出现大量较高级别的动物。
目前，科学家对显生宙大气CO2浓度的重建，主要是基于模拟计算和地质载体记录两种方式。其中模拟计算以Berner等[10, 11, 12, 13, 18, 19]的工作最具代表性，Berner[10]利用碳总量和同位素质量平衡方程建立了全球碳循环模型GEOCARBⅠ，之后又逐渐对其进行了完善，形成了GEOCARBⅡ[11]、 GEOCARBⅢ[13]，以及GEOCARBSULF[12]模型(图 1a)。在GEOCARB系列模型中，大气CO2的浓度是从Ca和Mg的硅酸盐风化过程化学反应方程中计算的，其中引入的计算参数包括侵蚀作用、 河流流量、 植物演化、 火山作用以及全球CO2的脱气作用和陆地面积等。GEOCARBSULF模型[12]是在GEOCARB模型的基础上增添了有机碳、 硫铁矿和CaSO4的风化速率等因素改进而成。其中，根据是否考虑火山岩的风化作用，GEOCARBSULF模型又分为GEOCARBSULF volc(考虑了火山岩的风化作用)和GEOCARBSULF no volc(未考虑火山岩的风化作用)。Berner模型[10, 11, 12, 13, 18, 19]的计算结果显示，在早古生代寒武纪和奥陶纪时期，大气中的CO2浓度极高，可以达到现代水平的20倍左右(图 1a的纵坐标RCO2为地质时期与工业革命之前大气CO2浓度的比值)。在志留纪时期，大气CO2浓度出现了一次快速的下降，之后在泥盆纪早期则较为稳定，为现代水平的14倍左右。在晚泥盆纪和早石炭纪，大气CO2浓度急剧下降，并在晚石炭纪稳定下来，当时大气CO2的浓度比现代略高，但基本低于500ppmv。这一浓度水平持续了将近100Ma，直至古生代结束。在中生代时期，CO2的浓度又恢复到了一个较高值，大约是现代水平的4~8倍，到晚中生代和新生代则一直处于下降趋势。
利用地质载体记录重建古大气CO2浓度的方法主要包括古土壤(成壤过程中形成的碳酸盐和针铁矿)[8, 9, 20]，古生物(浮游植物、 维管植物、 浮游有孔虫和苔藓类植物)[21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]以及一些替代性指标(如硼同位素[29])。王尹等[30]对该方面的重建技术和方法进行过较为详细的综述，本文不再重复。图 1b所示为Royer[5]整理的490个奥陶纪至第三纪该方面具有代表性的大气CO2浓度重建数据，其中的记录载体包括古土壤、 古植物叶片化石、 浮游生物、 苔藓植物以及硼同位素，其所得结果与Berner的模型[10, 11, 12, 13, 18, 19]计算结果总体上是相似的，在具体数值上，大气CO2浓度最高可达6000ppmv以上，最低可至100ppmv以下。
关于显生宙大气CO2浓度和气候变化之间的关系，以Royer等[5, 7, 31, 32, 33]为代表的一方认为，大气CO2浓度与气候的变化具有相似性，当CO2的浓度低于500ppmv时，地球上的气候总体上处于冰期状态或者冷模式之下，而当CO2的浓度高于1000ppmv时，地球则处于一种暖模式之下，因此认为，气候的变化总体上是由大气CO2所驱动。
古温度重建方面，最常用的温度替代性指标为深海沉积物的氧同位素比值 δ18O。其基本原理大致为: 在水的蒸发过程中，由于同位素的分馏作用，H216O分子比H218O分子更易于蒸发。因此在气候寒冷的冰期，大陆冰盖的扩张会将大量的高16O含量的淡水固定在冰盖中，使得海水中的18O升高，而海洋中有孔虫介壳的CO32-与海水中的CO32-在一定时间段内是处于平衡状态的，因此介壳中的18O也会相应的增高，所以在低温时期一般都对应着18O/16O值的增大。以现代海水平均18O/16O值(SMOW)为标准，可以计算不同时期海洋沉积物中有孔虫化石的 δ18O值，因此就可以对当时的温度和全球冰量进行估算。图 1c为Veizer等[4, 6]以深海沉积物中钙质壳体的 δ18O作为替代性指标重建的显生宙全球温度变化，将显生宙分为4次大的冰室(相对于温室)时期，即晚奥陶纪-早志留纪时期、 石炭纪-二叠纪时期、 晚侏罗纪-早白垩纪时期和晚第三纪-第四纪时期，通过对比认为这些冷期并非和大气CO2浓度的变化具有明显的对应关系，至少在晚奥陶纪-早志留纪和晚侏罗纪-早白垩纪时期并非如此，由此对Royer等[5, 7, 31, 32, 33]的观点持怀疑态度。并且，Shaviv和Veizer[34, 35]通过对地质时期到达地球的宇宙射线的变化进行研究，认为地球历史上这种2~3亿年周期的大冰期循环可能与太阳系在银河系中的位置有关。
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图 1 过去约600Ma大气CO2浓度(a，b)[5, 11, 12, 13]和氧同位素温度指标变化(c)[4] Fig. 1 The atmospheric CO2 concentration(a，b)[5, 11, 12, 13] and temperature proxy(δ18O)(c)[4] over the past 600Ma |
显生宙分为古生代、 中生代和新生代3个时期。据目前的研究，中生代(约252.2~65.0Ma前)时期的大气CO2浓度较高，温度也较高，是地质历史上典型的温室地球时期。
大气中CO2分压的变化会对植物的光合作用产生直接影响，而植物体中CO2的获得主要是通过植物叶片表面的气孔来进行。植物体死亡之后，在特定的环境条件下，这些叶片会以化石的形态保存下来，对这些叶片表皮的气孔指数进行统计分析可以很好的反演当时的大气CO2浓度。Retallack[8, 9, 36]通过对澳大利亚和美国西部等地区的古植物叶片化石银杏(Ginkgo)、 鳞翅类(Lepidopteris)、 马铃薯(Tatarina)以及蕨类植物(Rhachiphyllum)的大量研究，重建了过去300Ma的大气CO2浓度(图 2)。结果表明，大气CO2在白垩纪森诺曼阶(Cenomanian)与土仑阶(Turonian)的交替(约93~95Ma)出现最高值，接近6000ppmv，是现代大气CO2浓度的十几倍。从整个重建结果的变化来看，少数时期的CO2浓度可达4000ppmv以上，大多数时期则保持在1000~2000ppmv之间，只有极少数时期会降低至1000ppmv以下。通过与Veizer[4]和Zachos等[37]重建的深海氧同位素序列进行对比，Retallack[8, 9, 36]发现几乎在每一个CO2升高的时期，δ18O值都会出现负偏(代表温度的上升)，比如中中新世时期、 古新世-始新世交替的极热期(PETM)、 森诺曼阶-土仑阶交界、 早阿普第阶(Aptian)、 侏罗纪-白垩纪交界、 三叠纪-侏罗纪交界等时期(图 2灰色)。然而，δ18O值的变化又并非与CO2完全对应，比如在三叠纪卡尼阶(Carnian)生物大灭绝时期，CO2出现了峰值，而 δ18O却是一个相对正偏的时期。并且，二者在整体变化趋势上也不尽一致，中生代以来的氧同位素曲线整体上是一个正偏的趋势(代表温度的下降)，三叠纪时期的 δ18O平均接近-8‰，而自侏罗纪、 白垩纪以来的值都在增大，到新生代已经基本变为正值，这和CO2变化曲线并没有很好的对应关系。
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图 2 过去300Ma温度替代性指标-深海氧同位素值 δ18O(散点图)[4, 37]与大气CO2浓度(点线)[8, 9]变化 Fig. 2 The temperature proxy(δ18O，scattered dots)[4, 37]and atmospheric CO2 concentration(dotted line)[8, 9]over the past 300Ma |
新生代(约始于65Ma前)是继古生代和中生代之后，距离现代最近的一个地质时代，以大型爬行动物恐龙的灭绝和哺乳动物的崛起繁荣为标志。
深海沉积物中底栖有孔虫的氧同位素比值 δ18O被认为是全球冰量的良好记录，而全球冰量主要受控于温度的变化，温度高的时候，山地冰川和两极的冰量会减小，对应的深海氧同位素值就会变轻，反之亦然。Zachos等[37]以深海钻探计划(DSDP)和大洋钻探计划(ODP)获取的氧同位素数据为基础重建了新生代以来的氧同位素变化曲线(图 3a)，并以此为依据，对新生代主要的构造活动和气候事件进行了划分。过去65Ma来，底栖有孔虫氧同位素值逐步正偏，揭示了新生代全球气候逐渐变冷的趋势。其间，氧同位素值出现了3次稳定的低值时期，分别为早始新世气候适宜期(约52~50Ma)、 中中新世气候适宜期(约17~15Ma)和上新世暖期(约5~3Ma)。地球也经历了从两极无冰到南极冰盖的形成，再到两极均有冰盖发育的状态，以及青藏高原的隆升、 特提斯海的退缩以及巴拿马海峡的关闭等构造运动。
Beerling和Royer[38]综合整理了7种共370个前人重建的新生代大气CO2浓度数据(图 3b)。可以看出，始新世大气CO2浓度可达1500ppmv以上，但在渐新世出现了持续下降，至中新世之后则已与工业革命之前的水平相当，且之间没有太大的波动，基本保持在500ppmv之下。
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图 3 新生代以来的深海氧同位素比值 δ18O(a)[37]和大气CO2浓度(b)[38]变化 Fig. 3 The Cenozoic marine oxygen isotope δ18O[37]and atmospheric CO2 concentration[38]records |
从整体趋势上看，新生代大气CO2浓度与温度的变化是一致的，即二者都处于下降的趋势中。在一些温度突变的时段，二者也出现了共同的变化，例如在早始新世气候适宜期大约52Ma处，氧同位素指示的温度是整个新生代最高的时期，而CO2的浓度也达到了最高。在33~34Ma处，全球温度突然降低，大气CO2浓度也出现突然降低。但是，大气CO2浓度与温度变化之间的因果关系，依然存在很大的不确定性。首先，古气候研究领域主要趋向于利用地球轨道运行参数的变化，即广义的米兰科维奇理论，来解释新生代的气候变化，并且取得了重大的成就[39, 40, 41]。其次，全球温度的变化除了可能受大气CO2浓度的影响之外，还明显受到上述构造活动(如青藏高原的隆升)以及区域性气候事件(如两极冰盖的发育)对气候变化的反馈作用以及火山活动等因素的影响。Raymo等[42, 43]采用锶同位素比值 87Sr/86Sr 作为大陆风化作用强度的替代性指标，提出了“抬升-风化-降温”模型来解释新生代(40Ma以来)的降温趋势，认为喜马拉雅-青藏高原的抬升造成了大陆硅酸盐化学风化作用的加强，消耗了大气CO2，进而导致了全球性的降温。这一观点目前虽然存在争议，但是地质构造运动对于气候变化的潜在影响是近年来古气候研究的一个热点。
2.4 南极冰芯记录的中更新世以来的大气CO2浓度和温度变化第四纪始于约2.58Ma前，冰期-间冰期循环是第四纪全球气候变化的基本特征。自从早期的4次冰期学说被打破[44]以来，深海沉积[45]、 极地冰芯[14, 17]、 中国的黄土[46, 47, 48]以及石笋[49, 50, 51]等研究均表明，地球轨道运行参数(偏心率、 地轴倾角、 岁差)的变化是驱动第四纪气候变化的主要外部驱动力。
冰芯研究中的温度替代性指标主要有稳定氧同位素比值(δ18O)和稳定氢同位素比值(δD)。其中，δ18O值记录的基本原理恰好与深海沉积相反，在水汽凝结时，H218O分子比H216O分子更易于凝结，因此陆地水体中的18O/16O值基本小于标准海水，并且距离海洋蒸发源越远，水体中的18O/16O值越小(雨量效应)，δ18O值越负偏，而凝结作用与温度有关，因此根据 δ18O值可以估算温度的变化。关于δD，虽然在水体的相变过程中，δD和 δ18O的分馏过程存在差异，但是大致的记录原理是类似的。能够精确地重建古大气中的CO2浓度是冰芯研究的一大特点，因为在粒雪发育成冰川的过程中，会将当时的空气包裹进去，形成气泡，而这些封闭的气体很好的记录了当时的大气成分。
Petit等[17]基于对南极Vostok冰芯的分析重建了过去420ka的南极温度和大气CO2浓度变化(图 4a和4c)，不仅检测到了100ka、 41ka和23ka轨道变化周期，而且清楚地显示大气CO2浓度与温度变化之间的高度一致性。Jouzel等[52]和Luthi等[14]通过对南极Dronning Maud Land(DML)和Dome Concordia(Dome C)冰芯的研究将南极大气CO2浓度和温度的重建扩展到了中更新世800ka B.P. (图 4b和4d)。上述重建结果表明，大气中温室气体的含量在冰期和间冰期存在明显的差异，大气CO2浓度可从冰期时的约180ppmv增加到间冰期时的280~300ppmv，过去800ka以来大气中CO2浓度的变化与温度的变化存在显著的正相关关系。在相位关系上，上述重建结果都表明大气CO2浓度的变化落后于温度的变化。目前大多认为[14, 17]，大气CO2在冰期-间冰期旋回中所起的是一个放大效应机制，在冰期结束时，地球轨道运行参数的变化首先会使高纬地区的温度升高，进而改变大洋环流(主要是南极绕极流)的强度，使得储藏在深海的大量CO2释放到大气之中，而大气CO2的温室效应会将这种升温效果放大，加速冰期的终结。但是，关于大气CO2浓度与温度之间的关系，还存在很大的不确定性，上述所说的二者之间的相位关系目前也存在很大的争议。
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图 4 过去800ka的南极大气CO2浓度[14, 17] 和温度替代性指标[17, 52]重建结果 Fig. 4 The atmospheric CO2 concentration[14, 17]and temperature proxy[17, 52]records of Antarctic ice cores over the past 800ka |
末次冰消期是距离现代最近的一次全球性温度由冰期向间冰期转暖的过程，约发生在20~10ka B.P. 之间，是研究第四纪气候冰期-间冰期转化机制最为理想的时间段，该时期的大气CO2浓度与温度变化之间的关系也是探讨CO2在气候变化中所起作用的重要时段，是近年来的一个研究热点[16, 51, 53, 54, 55, 56, 57, 58]。
Monnin等[15]利用南极Dome C冰芯重建的末次冰消期大气CO2变化被认为是最具有代表性的末次冰消期CO2变化曲线[57]，但是由于空气在冰川的形成过程中被捕获封闭需要一定的时间(锁定时间)，所以在重建的过程中需要对这一时间进行校正，而不同的校正模型产生的结果是有差异的，如Monnin采用的是Schwander等[59]的粒雪压实模型，其重建结果显示温度的变化领先CO2的变化约 800±600年(图 5)。但这一结果近年来被不断改变，如Parrenin等[16]对Schwander的模型进行了改进，通过测量气泡中15N同位素含量的方法来确定气泡的封闭时间。该项研究发现，在末次冰消期南极大气CO2浓度与温度的变化基本是同步的，二者的相位差不会超过200年。与此同时，有些学者的研究认为，地球轨道参数的变化对于冰期的终结只是相当于触发装置，不会持续太久，而CO2可能是一个更为关键的因素，在末次冰消期真正驱动了全球变暖。例如，Shakun等[56]利用全球80个高分辨率古温度替代性指标重建了末次冰消期的全球和半球平均温度变化，其结果认为，轨道参数的变化致使北半球高纬地区在末次冰消期最先变暖，导致了大量的冰川融水注入北大西洋，进而减弱了其径向翻转环流的强度，使得南大洋深部的CO2释放到大气之中，在此之后，南北半球气候变化的“跷跷板”模式逐渐减弱，而大气CO2的温室效应则主导了后期的变暖过程。因此，Shakun等[56]认为大气CO2浓度的升高才是末次冰期终结的主要驱动力。不过，Shakun等[56]所选用的原始数据地理分布和数据质量都很不均匀，他们采用的面积加权平均方法也可能会引入人为的偏差。
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图 5 南极Dome C冰芯重建的末次冰消期温度替代性 指标δD(a)与大气CO2(b)变化[15] ACR—南极转冷事件，YD—新仙女木事件 Fig. 5 The last deglaciation temperature proxy(δD)(a) and atmospheric CO2 concentration (b) records from Antarctic Dome C ice cores[15] |
可见，虽然末次冰消期的大气CO2浓度重建取得了重大进展，但是到目前为止，关于其与温度变化之间的先后关系都还未能研究清楚，足见这一问题的复杂性。
2.6 全新世以来的大气CO2浓度和温度变化新仙女木事件结束之后，地球进入到了一个温暖的间冰期阶段，即全新世时期(大致11.7ka B.P. 至今)。这一时段的研究，可资利用的气候记录资料比较丰富，包括树轮[60]、 孢粉[61, 62]、 钻孔温度[63, 64]、 石笋[65, 66, 67, 68, 69]、 冰芯[70, 71]、 古文献资料[72, 73, 74]等。
图 6所示为南极Vostok冰芯重建的全新世大气CO2浓度和温度变化[17]以及低纬地区热带海洋表面温度变化[75]，可以看出，大气CO2浓度在冰后期11.0~6.5ka B.P. 从约270ppmv缓慢下降到260ppmv以下，在约6.5ka B.P. 之后则一直处于上升阶段。温度的变化无论在高纬还是低纬地区均表现的比较平稳，但是也能看出大约5~2ka B.P. 期间小冰期的存在。
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图 6 南极Vostok冰芯重建的全新世大气CO2浓度 和温度变化[17]以及全新世热带海洋表面温度变化[75] Fig. 6 The temperature and atmospheric CO2 concentration histories reconstructed from Vostok ice core[17]，and the tropical sea surface temperature change[75]of the Holocene |
关于全新世时期温度变化与大气CO2之间关系的研究尚不多见，早期的研究认为全新世是一个气候相对平稳的时间段。格陵兰冰芯的研究[76]向人们展示了全新世气候变化的不稳定性。Bond等[77]对北大西洋冰漂碎屑进行研究时发现的规律性红色石英颗粒分布，将全新世气候变化与北大西洋这一全球气候变化的敏感区域联系起来，并且提出了1470年左右的全新世气候变化周期[78]，但是这些目前都是具有争议的。
2.7 过去千年的大气CO2浓度和温度变化全球近千年以来的气候经历过3个显著的变化时期，即中世纪暖期、 小冰期和现代变暖过程(图 7)。其中，中世纪暖期是距离现代变暖最近的一次全球性变暖时期，因此，受到了学术界的广泛关注，在世界各大区域内均有研究报道。如Tyson等[79]分析南非的一处石笋氧、 碳稳定同位素记录，发现在公元1000年之前开始出现了明显的温暖时期，并持续到大约公元1300年。Khim等[80]分析了采自南极半岛的沉积物，结果显示小冰期和中世纪暖期在南极大陆也曾出现。在亚洲，使用泥炭、 湖泊沉积、 冰芯、 树木年轮和其他代用资料等多种气候记录，Yang等[81]确认了中国在公元800~1100年间处于普遍的异常暖期。在欧洲，McDermott等[82]分析了采自爱尔兰西南部洞穴中的石笋样品，其中的氧同位素记录显示，大约 1000±200年前存在中世纪暖期。
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图 7 过去1000年以来的大气CO2浓度变化[83, 84, 85] 和不同指标重建的温度距平[86, 88, 89] Fig. 7 The atmospheric CO2 concentration[83, 84, 85] and temperature anomaly[86, 88, 89] of the last millennium |
图 7所示为公元1000年以来的全球大气CO2浓度变化[83, 84, 85]和利用不同替代指标重建的全球或半球温度距平，其中红色为Huang等[86]利用钻孔温度重建的过去500年全球地表温度变化历史，蓝色为Moberg等[87]重建的北半球温度距平，粉色和绿色分别为Crowley[88]和Mann[89]重建的全球温度距平。可以看出，过去1000年的大气CO2浓度在1850年之前没有表现出显著的变化，基本维持在280~300ppmv之间。而1850年之后则迅速增长，到2000年达到约360ppmv。温度距平曲线表明，在约公元1300年(不同地区的具体年代尚不确定)之前的温度相对较高，之后经历了小冰期时代，直到约1850年之后温度再次上升。对比来看，在1850年之前大气CO2浓度和温度之间似乎没有明显的联系，至少二者不是亦步亦趋的变化。利用钻孔温度数据反演地表温度变化具有坚实的理论基础，并且是直接的温度-温度的研究方法，可以降低利用替代性指标反演温度带来的不确定性[64]。Huang等[63]利用全球陆地热流数据反演的地表温度变化历史表明中世纪暖期的温度比现代要高约1~2℃。但当时的大气CO2浓度却比1850年之后的现代变暖时期要低的多，因此中世纪暖期的出现可能与大气CO2关系不大。并且，关于现代变暖的开始时间也存在争议，很多学者认为现代变暖开始于工业革命之后，但是Huang等[86]利用分布于全球6大陆的钻孔温度数据反演的过去500年的全球地表温度变化历史，结果表明全球性的气候变暖趋势可以追溯到16~17世纪。
2.8 近几十年来仪器观测的大气CO2浓度和温度变化19世纪中叶，气候变化研究进入了仪器观测阶段，气象资料迅速积累，尤其是最近几十年，气象观测受到了各国政府和学者的重视，目前已有成千上万个气象台站遍布全球各个角落。对于大气CO2浓度持续的仪器观测始于1958年，美国科学家率先在夏威夷的冒纳罗亚火山上建造了世界上第一个大气CO2浓度观测站。
根据第四次IPCC的评估报告[90]，近百年来全球平均温度上升了0.74℃，特别是自1970年以来，全球平均气温在全世界范围内明显增高。2013年，全球多个大气CO2观测站的数据表明大气中的CO2浓度突破了400ppmv。图 8中，我们对南北半球的月平均大气CO2观测数据进行了对比，同时也和HadCRUT4温度数据[91, 92]进行了对比。可以看出，南北半球的温度和大气CO2浓度在过去的几十年中均处于上升趋势，北半球的温度和大气CO2浓度上升的幅度明显大于南半球，波动也要比南半球剧烈。这些现象主要和南北半球的海陆面积差异有关。从HadCRUT4来看，1970至2013年之间的温度整体虽呈上升趋势，但是存在明显的波动，70年代、 80年代以及90年代初，出现了短暂的降温，1998年左右，温度达到了最高值。而2000年之后的全球温度则似乎停止了上升，即出现了目前所说的“全球变暖停滞”。
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图 8 全球不同地区1970年至2013年(不同站点的跨越时间不同)大气CO2浓度月平均观测变化 (www.esrl.noaa.gov/gmdobop)和南北半球温度距平变化[91, 92] Fig. 8 The monthly atmospheric CO2 concentration in different regions(www.esrl.noaa.gov/gmdobop) and hemispheric temperature anomalies[91, 92] from 1970 to 2013 |
学界普遍认为目前的全球变暖和大气CO2浓度上升是观测到的事实，但是两者之间是否存在必然的联系仍然有不同的意见。首先是关于全球变暖到底是人为因素引起的还是自然变化的一个阶段，IPCC将气候变暖主要归因于温室效应，特别是人类活动导致的大气CO2浓度增加。持自然因素起主要作用的学者则认为目前的变暖只是历史变化的一个阶段。其次，气象站点的数量和分布对全球温度的估算影响很大，早期的监测站站点较少，而且主要分布在北半球和陆地，其中主要是欧美国家。虽然后来站点逐渐增多，但在一些地区，尤其在南半球和海洋地区，站点仍然比较少。
再者，现代城市的热岛效应对区域和全球的增温估计也会有显著影响，因为气象台站多位于人口密集的市区或城郊。还有，火山喷发、 气溶胶、 太阳活动以及ENSO等的影响都是不能忽略的。而且，对于2000年之后出现的全球变暖停滞现象，也存在众多的解释，比如认为在仪器观测的全球温度中存在准21年和准65年的周期性波动，并且这种波动受到百年尺度波动的影响，而温度的变化是这3个周期性波动相位叠加的结果[93]。也有研究认为[94]，1999~2008年的全球温度只是出现了一个10年际的温度平台。这种温度平台只是暂时的，全球增暖趋势还将继续。
3 总结本文按显生宙、 中生代、 新生代、 中更新世、 末次冰消期、 全新世、 过去千年以及近几十年8个时间段分别对过去约500Ma以来的大气CO2浓度与气候变化数据进行了整理分析。根据记录载体和时间跨越尺度，认为可以将现有的数据和所记录的变化归纳为3个类型: 1)以模型计算和古土壤、 古生物(叶片化石等)等为记录载体的百万年及更长时间尺度的古气候和古大气CO2纪录，跨越显生宙、 中生代和新生代，虽然CO2和温度的重建以及定年的误差都比较大，但是两者的变化总体趋势一致是明确的。认识二者之间的关系，主要是从对比其变化的相似性来进行，同时也有与其他因素(例如宇宙射线强度)的对比研究。但是由于时间尺度跨越过大，所以很难进行明确的因果关系研究； 2)以极地冰芯为载体的轨道时间尺度(800ka以来)古气候和古大气CO2纪录，米兰科维奇轨道周期理论虽被大量的研究所证实，但是高分辨率的大气CO2浓度与温度重建一方面表明了二者之间的密切相关性，另一方面也为探索在轨道时间尺度上，大气CO2在气候变化过程中所扮演的具体角色提供了可能； 3)以冰核和积雪，以及仪器观测资料为记录的百年及更短时间尺度的气候和大气CO2纪录，气候变化的研究资料比较丰富，记录的精确性也更高，特别是在大气CO2资料方面，已经有了过去几十年直接的仪器记录。但是相比于大气CO2的影响，其他因素(如太阳活动、 火山活动、 ENSO等)对气候的影响很难被具体分辨，从而出现了众多的解释。
图 9中，我们对本文搜集到的地质历史时期的温度变化替代性指标和大气CO2浓度进行了综合对比，得到以下认识: 1)从长趋势来看，全球温度和大气CO2浓度均表现出降低的趋势，但在细节上存在很多的不确定性； 2)地质时期的大气CO2浓度有过很大的差别，存在多次高大气CO2浓度时期，最高时可达5000ppmv以上，也存在一些低大气CO2浓度时期，最低时可达200ppmv以下； 3)依据目前的全球观测数据，大气CO2浓度在很多地区已经突破400ppmv，虽然没有确切的证据表明这一数值具有特殊的含义，但是从本文收集到的数据来看，这一浓度是过去800ka(冰芯记录)以来的最高值，甚至在整个第四纪(2.58Ma)都是罕见的，需要引起人们的关注。
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图 9 本文讨论的地质历史时期温度和大气CO2浓度变化历史集成 所有数据来源于正文涉及到的相关文献； 刻度单位详见文中 Fig. 9 Compilation of the atmospheric CO2 concentration and temperature proxy records used in this paper |
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Abstract
The atmospheric CO2 concentration has recently exceeded 400ppmv, which deepens the concern of a potentially accelerated global climate change. To understand the relationship between climate change and atmospheric CO2 concentration, the past is the key. In this paper, we collect and analyze past 500Ma records of atmospheric CO2 concentration and temperature in eight time periods, namely Phanerozoic, Mesozoic, Cenozoic, middle Pleistocene, last deglaciation, Holocene, past millennium, and recent decades. According to the information carriers and time spans, we divide these records into three categories:(1) The millionaire and longer records from model calculation and paleosols or paleobotany proxies:Although the trends of the changes in atmospheric CO2 concentration and temperature are generally consistent on this time scale, it is difficult to establish a clear causal relationship because of the great uncertainties and low resolutions of both sets of data.(2) The orbital scale records mainly from the polar ice core:High precision atmospheric CO2 concentration and temperature reconstructions allow for an examination of the possible role of atmospheric CO2 in the process of glacial-interglacial transformation. However, no definite causal relationship has been found.(3) The records at centennial and shorter time scales over the past millennium from ice, snow, and the instrumental data:The records are the most abundant and of highest resolutions. Moreover, there are instrumental records of atmospheric CO2 concentrations over the recent decades. However, due to the difficulties in distinguishing the effect of the greenhouse CO2 from other climatic factors, there are great uncertainties in the interpretation of climate change versus atmospheric CO2 concentration. Overall, this paper comes to the following major conclusions:(1) Paleoclimate reconstructions show that global surface air temperature and atmospheric CO2 concentration have generally decreased over the past 500Ma. However, there is no consistent sequential order in the changes between these two variables.(2) The Earth's atmospheric CO2 concentration has a drastic fluctuation history. There were many carbon-enriched periods when atmospheric CO2 concentration were as high as greater than 5000ppmv; whereas there were relatively fewer carbon-depleted periods when atmospheric CO2 concentration dropped to as low as smaller than 200ppmv. (3) According to the world-wide observational data, atmospheric CO2 concentration has recently exceeded 400ppmv. Although there is no conclusive evidence to show that this CO2 concentration value bears any significant climate consequences, it is the highest since the last 800ka, and rare over the Quaternary(2.58Ma).