地球冷却了6000万年，却无人知晓CO₂去了哪里——现在终于知道了

地球大气层在6000万年间持续释放二氧化碳，导致全球变冷。科学家早已知道这一点。但他们无法解释的是，这些CO₂最终流向了何处。牛津大学的罗斯·里卡比（Ros Rickaby）表示：“我们对这部分碳最终去向的了解极其有限。” 这一研究团队发现，答案藏在海底——由一系列海洋化学过程主导，这些过程受海平面和磷循环影响，并在此过程中担当了新生代地质年代的慢速行星温控器。

这项研究发表于《美国国家科学院院刊》，重建了6000万年的地质证据：古老海平面、海洋氧浓度、磷酸盐可用性以及大陆架沉积物中有机碳埋藏速率。研究揭示出一个此前未被记录的反馈循环，它将四个独立研究系统首次整合为一个单一机制。

温控器如何运作

这个温控器始于海平面。当海平面比现代水平高出约10至40米——团队识别的系统“最佳范围”——大陆架上会发生一些独特变化。有机质分解导致这些浅水区氧浓度降至临界阈值以下，在碳富集的架区沉积物暴露最多的地方形成缺氧水域。

推荐阅读北冰洋越过了一个养分临界点，也许再也回不去

这种低氧条件对磷元素有特定影响。通常情况下，磷酸盐会在氧气存在下与沉积颗粒结合；但当氧气被移除时，磷酸盐会重新释放回水体中。这种循环利用的磷元素促进了海洋藻类和其他浮游生物的爆发式增长，它们从表层水域吸收碳。当这些生物死亡并沉降时，会带走碳。在最初触发磷酸盐释放的低氧条件下，有机碳被埋藏而非分解——并且这种状态可持续数百万年。

结果是一个自我强化的循环：海平面设定初始条件，低氧释放磷元素，磷元素推动海洋生产力，生产力埋藏碳，埋藏碳降低大气CO₂。这种脉冲持续时间取决于合适的海平面条件——并在系统重新平衡前可运行数百万年。

“我们的合作者克里斯蒂安·比约恩（Christian Bjerrum）20年前用计算机模型研究了海平面、海洋氧气和磷酸盐之间的联系。” 叙拉古大学的卢尊礼（Zunli Lu）表示：“我们终于整合出了必要的地质记录来验证这一假设。”

温控器何时停止运作

团队的研究显示，这种机制并非持续运行。在始新世时期，约5600万年至3400万年前，海平面上升至超越最佳范围的高度。此时，氧气最小带不再与富含有机质的大陆架沉积物重叠——正是这两种条件使反馈循环得以运行。碳埋藏脉冲减弱。CO₂在大气中滞留而非被吸收。从地质标准来看，始新世是一个温暖时期：温暖到热带森林生长于如今怀俄明州的地区，鳄鱼类动物出现在北极圈以内。

这一系统的恢复——与南极冰川化相关的海平面变化同步——正值地球历史上过去3400万年持续冷却期的开始。

“我们的研究结果表明，海洋沉积物中有机碳埋藏增强发挥了比之前认为更重要的作用。” 里卡比表示。

这一机制无法做到什么

这个温控器运行于百万年时间尺度。从海平面触发到磷酸盐释放再到碳埋藏最终导致可测量的CO₂下降，每个循环需要数十万年才能完成。人类在工业化以来约200年间向大气中添加的CO₂积累速度远快于此。这种地质机制无法以如此快速响应。

结构上也存在不匹配：当前氧气最小带位置比新生代高峰运行时更深。现代大陆架更窄，其缺氧边缘与富含有机质沉积物的互动条件不再理想。使温控器在6000万年间高效运作的那些条件已不复存在。

研究者对这一局限性表述明确：该系统稳定了一个有数千年调整时间的气候；它并非设计用于——也无法作为快速碳汇来运作。

关于地球CO₂温控器的常见问题

什么是氧气最小带？这是一个海洋水层，通常位于100至1,000米深度处，溶解氧浓度急剧下降。海洋生物分解有机质会消耗几乎所有可用的氧气，在水流循环补充之前。在这些区域内，正常化学反应发生变化：通常会与沉积物结合的磷元素被释放回水体中。

这与海洋直接吸收CO₂有何不同？直接海洋吸收使CO₂在表面溶解并保持溶解状态——它不会永久移除碳，且随着海洋温度变化会反向释放。本研究描述的机制将有机碳物理埋藏于海底沉积物中，将其从大气中隔离数千年而非人类时代。

这一过程曾经失败过吗？始新世时期显示它会减弱。当海平面过高——超出最佳范围——反馈循环因氧气最小带不再触及最丰富的沉积物而中断。CO₂水平升高。地球变暖。机制仅在海平面回归合适范围时重新启动。

这一过程能否被人为触发？本研究未涉及地球工程问题。反馈循环依赖于海平面、氧气最小带位置和大陆架沉积物分布——这些变量目前超出任何人类技术控制范围。

接下来会发生什么

这一研究为古气候学中一个较老谜题开辟了直接调查路径：为什么新生代地质年代的碳吸收并非平滑进行。地质记录显示冷却脉冲间隔着温暖时期——这一模式现在可通过海平面变化推动系统进出其有效范围来解释。

对于当代气候科学而言，这一发现还为过去温暖期与现今区别提供了更具体的说明。始新世时期温暖是因为温控器失效。而当前变暖正发生于温控器结构范围内——只是CO₂添加速度已经远超任何地质响应能力。

参考文献：Rickaby等，《侵入大陆架的低氧水体控制新生代有机碳埋藏率》，美国国家科学院院刊，2026。DOI: 10.1073/pnas.2526409123

标签: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS

更多类似内容

LHS 1140 b成为宜居带岩石行星中首颗被证实拥有大气层的星球

繁殖季节的逆转：鸟类正在重写进化的时钟

火星在没有板块构造的情况下维持了数十亿年类似地球的山火岩浆系统

物理学家逆转了能量在湍流中的流动方向，扭动了一条80年的定律

速子：在光之边界思考物理学

JWST首次分别测量同一行星的晨昏，温差竟达1,775°C