全球变暖：谁控制了地球的温室效应？

                          吉林大学：杨学祥，杨冬红

温室效应

“温室效应”是指地球大气层上的一种物理特性。假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在合宜的15℃，而是十分低的-18℃。这温度上的差别是由于一类名为温室气体所引致，这些气体吸收红外线辐射而影响到地球整体的能量平衡。在现况中，地面和大气层在整体上吸收太阳辐射后能平衡释放红外线辐射到太空外。但受到温室气体的影响，大气层吸收红外线辐射的份量多过它释放出到太空外，这使地球表面温度上升，此过程可称为“天然的温室效应”。但由于人类活动释放出大量的温室气体，结果让更多红外线辐射被折返到地面上，加强了“温室效应”的作用。

引起温室效应的气体，如C0₂、甲烷、各种氟氯烃、臭氧和水蒸气等，称为温室气。大气中水蒸气的含量要高于CO₂等人为的温室气体，是导致自然温室效应的主要气体。研究表明，在中纬度地区晴朗天气下，水蒸气对温室效应的影响占60%～70%，CO₂仅占25%。但水蒸气在大气中的含量相对稳定，因此，目前普遍认为大气中的水蒸气不直接受人类活动的影响；而以CO₂为主的人为排放温室气体，随着人类工农业活动的发展，排放量在逐年增加，因此，目前各国主要关注各种人为温室气体的排放情况。尤其是CO₂，其对温室效应的贡献超过了其他人为温室气体，成为对温室效应贡献最大的人为温室气体，其中，化石燃料所排放的CO₂占温室气体总排放量的56.6%。

地球史上的五次生物大灭绝

据科学家探索发现，其实我们所居住和生活的地球已经经历过五次生物大灭绝。

第一次物种大灭绝发生在4亿4千万年前的奥陶纪末期，由于当时地球气候变冷和海平面下降，生活在水体的各种不同的无脊椎动物便荡然无存。

在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，发生地球史上第一次物种灭绝事件，约85%的物种灭亡。古生物学家认为这次物种灭绝是由全球气候变冷造成的。在大约4.4亿年前，撒哈拉所在的陆地曾经位于南极，当陆地汇集在极点附近时，容易造成厚的积冰——奥陶纪正是如此。大片的冰川使洋流和大气环流变冷，整个地球的温度下降，冰川锁住水，海平面降低，原先丰富的沿海生态系统被破坏，导致85%的物种灭绝。

第二次大灭绝发生在3.75亿年前，也就是过了不到1亿年，这次灭绝了一半的海洋生物。海洋生物诡异般地大规模消失了，相比之下，陆地生物却几乎毫发无损。

第二次物种大灭绝发生在泥盆纪晚期，其原因也是地球气候变冷和海洋退却。在公元前约3.65亿年的泥盆纪后期，历经两个高峰，中间间隔100万年，发生地球史上第二次物种灭绝事件，海洋生物遭到重创。

第三次大灭绝发生在2.51亿年前，相对于前一次大灭绝，这次也是又过了1亿年，也是史上已知规模最大的一次生物灭绝事件，这一次有70%的陆地生物灭绝了，96%的海洋生物灭绝了。科学家认为，灭绝原因比较复杂，可能是由于火山大规模喷发制造了大量的酸性颗粒和温室气体，不仅妨碍植物的光合作用，还推动全球气温急剧上升。

第四次灭绝发生在2亿年前，和第三次时间只差了5000万年。这一次有50%的物种灭绝了，原因不明，但为恐龙成为地球上生物链的霸主扫清了障碍。

第五次大灭绝相信大家都不陌生，在6500万年前，一颗小行星撞击了尤卡坦半岛，大量灰尘进入大气层，在随后的1年时间内都是遮天蔽日，日照量锐减令植物大批死亡，随着生态系统瓦解，75%的物种惨遭灭绝，其中就包括恐龙。

科学家们确信希克苏鲁伯陨石撞击事件是造成白垩纪至第三纪恐龙大灭绝的原因。希克苏鲁伯撞击事件会引发大规模海啸、地震与火山爆发，撞击产生的碎片和灰尘会造成全球性的风暴，长时期遮蔽阳光，妨碍植物的光合作用，造成生态系统的瓦解，一系列的灾难最终导致全球约17%的科、50%的属、75%的物种灭绝，灭绝事件的规模在5次大灭绝事件中排名第2。

现在的问题是，太阳能量的长期积累和释放对生物大灭绝有贡献吗？

过去科学家一致认为，温室气体来自火山喷发和人工排放^[2-3]，如今看来这是一个气候历史的大冤案。

全球气候变化的历史

表1  地球自转周期、气候变化、生物灭绝事件与地质旋回^[2]

光明正大的光合作用与暗无天日的化石燃料爆燃

太阳的光合作用是是地球化石燃料的唯一来源，温室气体通过光合作用变为草木、煤炭、石油、天然气、甲烷、可燃冰等矿物燃料，贮存在大陆和海洋中，被认为是减弱全球变暖的功臣。相反，人类开发化石燃料，产生大量温室气体，被认为是导致全球变暖得罪人。

事实远非如此。越来越多的证据辨明，亿万年积累的缓释燃料一旦被点燃，将导致不可遏止的生物大灭绝。这可以从全球成煤时期与生物灭绝时期的对比中看到答案。

我国煤炭资源形成于六个地质时期情况分别如下：

古生代石炭纪晚期至二叠纪早期：距今约3.20亿年-2.78亿年

古生代二叠纪晚期：距今约2.64亿年-2.50亿年

中生代三叠纪晚期：距今约2.27亿年-2.05亿年

中生代侏罗纪早中期：距今约2.05亿年-1.59亿年

中生代白垩纪早期：距今约1.42亿年-0.99亿年年

新生代第三纪：距今约6550万年-180万年

全球范围内有三个大的成煤期

(1)古生代的石炭纪和二叠纪，成煤植物主要是孢子植物。主要煤种为烟煤和无烟煤。　

(2)中生代的侏罗纪和白垩纪，成煤植物主要是裸子植物。主要煤种为褐煤和烟煤。　

(3)新生代的第三纪，成煤植物主要是被子植物。主要煤种为褐煤，其次为泥炭，也有部分年轻烟煤。煤矿稀薄程度的形成一座煤矿的煤层厚薄与这地区的地壳下降速度及植物遗骸堆积的多少有关。地壳下降的速度快，植物遗骸堆积得厚，这座煤矿的煤层就厚，反之，地壳下降的速度缓慢，植物遗骸堆积的薄，这座煤矿的煤层就薄。

全球范围内有三个大的成煤期与生物大灭绝有很好的对应关系。近期的科研成果不断揭示生物大灭绝与化石燃料爆燃的证据。

相关证据

2.5亿年前地球生物经历大灭绝的野火事件

近日，中科院南京地质古生物研究所的科研人员们发现，当时高强度频发的重大野火事件可能是这场大灭绝的罪魁祸首，相关成果在线发表于《地球科学评论》和《地学前沿》期刊上。

“在这次空前的大灭绝中，约有95%的海洋生物物种和约75%的陆地生物物种快速灭亡，旧的海陆生态系统几乎崩溃。”蔡垚峰介绍，这次大灭绝是地球史上最严重的事件，如果能够找出确切原因，将有助于揭开其他几次生物大灭绝的面纱。

长期以来，关于这次生物大灭绝的原因，全球的科学家们从多个角度展开分析，主流观点认为是火山喷发造成全球环境剧变。“这次史上最大规模的灭绝事件应该是在多种因素的影响下发生的，至于各因素之间的关联性，尚有待探索。”

新疆大龙口剖面位于新疆准噶尔盆地南缘，地层发育良好，以富产古脊椎动物和古植物化石而著称。科研团队对这里的炭屑化石及有机碳同位素等开展了详细研究，发现火山活动与野火事件存在关联性。

“野火是指发生在荒原、山地、森林等地区的以植被为主要燃料的自然大火，自植物出现以来，野火就一直存在。”蔡垚峰分析，距今约两亿多年前，在全球范围内曾频繁发生重大的野火事件，这些野火活动产生的各方面影响与生物的演化进程有密不可分的关联。

你可能会想，如何知道当时发生过野火呢？其实，野火烧过的痕迹就算是埋了几亿年，科学家们还是能扒出些蛛丝马迹。

“掩埋在地底的炭屑，能够还原早在人类出现前的地球面貌，这是曾经发生过野火的最直接证据。炭屑含量越高，野火强度越大。”科研团队在新疆大龙口剖面发现丰富的炭屑，且由底至顶炭屑丰度增加。这一发现证明该地区在两亿多年前曾频繁发生野火事件，并有愈演愈烈的趋势。他们还发现，当地曾发生过森林衰退的现象，而野火事件可能是导致该现象发生的直接原因。

“研究表明，火山活动驱使野火事件强度的增加，而且野火活动和陆地生态系统在当时的协同变化模式可能是全球性的。”科研人员们分析，两亿多年前全球气候干旱，导致野火事件频发。野火在该时期对植被的干扰和影响到达顶峰，并在短时间内快速摧毁了原有的陆地植被系统。之后野火活动便因失去燃料进入了贫乏期，直到植被系统的逐渐复苏。

http://www.xdkb.net/p1/207537.html

Geology：2.5亿年前火山喷发曾毁灭全球森林

英国科学家的最新研究称，在距今大约2.5亿年前，大规模火山喷发毁灭了全球的森林，使得地球到处是以树木为食的真菌。

这项研究证实，即便是生命力极强的树木，也未能在二叠纪物种大灭绝事件的浩劫中幸免，那也是已知地球上最具破坏性的物种灭绝事件之一。在这次灭绝事件中，超过95%的海洋生物物种和70%的陆地生物物种从地球上永远消失，它们极有可能毁灭于集中在当今西伯利亚一带的长期火山喷发喷射的有毒气体。

研究结果刊登在最新一期《地质学》(Geology)杂志上^[4-6]。

https://www.163.com/dy/article/FSE687EN05149AIR.html

化石能源燃烧加速推动地球生物灭绝

发生在大约2.52亿年前的二叠纪-三叠纪生物大灭绝，在短短几万年的时间里，使96%的海洋生物和约70％的陆地生命从地球上永远消失。

当时，位于如今西伯利亚地区的古老火山喷出了大量岩浆，覆盖了相当于美国表面积三分之一甚至一半的土地，这一过程持续了大约一百万年。然而，火山爆发不是导致大灭绝的根本原因。

据两个独立的科学家团队发布的最新研究论文，正是由于西伯利亚火山岩浆燃烧了大量地下石油和煤炭沉积物，燃烧过程中释放出二氧化碳和甲烷等温室气体，进而导致了大灭绝的发生。日本东北大学的地球化学家Kunio Kaiho团队发现两起火山爆发事件与二叠纪末陆地与海洋生物灭绝时间吻合。而苏格兰圣安德鲁斯大学生物地理化学家Hana Jurikova团队在大灭绝边界的贝壳化石中发现了海洋酸化的证据，证实了化石燃料燃烧和温室气体释放造成海洋酸化，从而导致珊瑚等海洋生物溶解死亡。

这些研究发现进一步证实了气候变化对地球生命的影响。如果将大灭绝与如今全球变暖进行类比，大灭绝期间排放的温室气体总量远远超过人类产生的温室气体。然而，当时火山释放出二氧化碳的速度比今天人类的排放速度要慢14倍。因此，我们目前每年燃烧产生的碳量比大灭绝时期的任何时候都高得多。如果不能遏制温室气体排放，未来气候变化对生物的严重影响或许可以预见。

https://www.163.com/dy/article/FSE687EN05149AIR.html

火山喷发点燃煤层导致二叠纪生物大灭绝

关于二叠纪绝灭事件原因的研究有很多，卡尔加里大学的研究者最近称是火山的大规模喷发点燃了大量的煤层，从而产生了大量浮灰团，对全球海洋产生了广泛的影响。

2.5亿年前地球经历了史上最大的一次生物绝灭事件，期间95%的海洋生物和70%的陆地生物都没有逃脱绝灭的命运。

关于此次绝灭事件原因的研究有很多，卡尔加里大学的研究者最近称他们找到支持火山喷发说的证据。研究者在加拿大北极地区的二叠纪末绝灭事件的岩石中发现了煤灰层的存在，这表明当时火山的大规模喷发点燃了大量的煤层，从而产生了大量浮灰团，对全球海洋产生了广泛的影响。

早期也有研究者猜测，西伯利亚的史上最大规模火山喷发可能在经过煤层的时候产生了大量的温室气体，而导致全球变暖。但卡尔加里的研究者却是第一次发现了支持这一说法的直接证据。

毁灭事件发生时，全球存在一个超级大陆盘吉亚（Pangaea），盘吉亚上从沙漠到森林都有，四足动物在其中逐渐分异出原始两栖类、爬行类、和羊膜类动物。火山喷发发生在西伯利亚地盾，这是一片比欧洲还大的地域，火山喷发产生的灰尘团漂移到加拿大极区，形成了研究者现在发现的煤灰层。

这些煤灰可使地球产生温室效果，更可怕的是，它还能降低海洋中的氧气含量，从而使生物窒息而亡。二叠纪末真的是地球上最艰难的一段时期，火山喷发产生的热熔岩、有毒气体、煤灰等多种因素共同导致了大绝灭事件的发生。

https://tech.qq.com/a/20120117/000232.htm

http://www.nigpas.cas.cn/kxcb/kpwz/201101/t20110125_3067150.html

揭秘：2.5亿年前全球90%物种灭绝之谜

由德国地学研究中心的地球动力学建模人员、法国格勒诺布尔大学的地球化学家、德国马克斯普朗克研究所和俄罗斯科学院的研究人员组成的一个国际研究小组，对西伯利亚地盾(Siberian traps)火山大爆发和地球史上规模最大的生物大灭绝的关系发表研究报告表达了新看法。研究报告发表在在最近一期的《自然》杂志上。

　　西伯利亚地盾位于俄罗斯西伯利亚。西伯利亚地盾的形成时间，介于二叠纪与三叠纪之间，约2.51亿年前到2.5亿年前，与二叠纪-三叠纪灭绝事件的时期相符合，那也正是地球最暖的时期。西伯利亚地盾火山爆发持续约一百万年，是过去5亿年来，已知最大型的火山爆发之一。

　　西伯利亚地盾火山喷出的岩浆面积高达7百万平方公里，接近澳大利亚的面积。西伯利亚地盾火山可能已向空中喷射多达100万亿吨的碳(人类每年排放到大气中的碳约为80亿吨)，这足以造成全球气候灾难。

研究人员认为，西伯利亚地盾火山连锁爆发引发煤炭燃烧，造成地球变暖，火山灰中含有的有毒物质逐渐渗入到陆地和水中，导致生物中毒而死，造成地球早期历史中生物大规模灭绝。

http://www.qulishi.com/news/201701/159696.html

澳大利亚一次森林大火的预演

2019年7月8日开始，澳大利新南威尔士州爆发了山火，由于当地天气的炎热，加上澳大利亚政府的救援不力，很快整个澳洲燃起了大火。山火像恶魔一样吞噬着澳大利亚的森林和草地，一直持续了整整7个月。

在这场大火中，大约400公顷的土地被烧毁，十亿野生动物死于大火，连澳洲的考拉也死了百分之三十，此外，鸭嘴兽直接成为了濒危动物。在七个月的燃烧期中，澳大利亚有33个人死于大火。而更为可怕的是，这场大火所造成的生态危害。

从小的方面来说，澳大利亚当地的物种生态得到大肆的毁灭，势必会造成当地各种的生态负面影响。一米长的蝙蝠开始进入城市，堪培拉、墨尔本的天空被大火染成了红色，城市中充满了灰烟。

最让人担忧的是，南极洲和澳洲的距离十分的近，七个月的大火，让本来就温室效应的世界气候变得更加的高温。常年堆积冰川的南极洲由于全球变暖，使得大量的冰川融化，冻土苏醒。全球的水平面急剧的增长，据科学家研究发现，在南极洲发现了很多的远古病毒。这些病毒都是被封印进去的，如今气候变暖，自然也是开始慢慢的苏醒。

https://new.qq.com/omn/20200104/20200104A056FD00.html

科学家表示，2021年7月是2003年开始有卫星记录以来全球山火最严重的7月。在北美洲、西伯利亚、非洲和欧洲南部，山火持续肆虐。

2021年7月全球各地的山火共释放出343兆吨碳，比2014年出现的上个7月全球峰值高出约五分之一。

欧盟哥白尼大气监测局资深科学家马克·帕林顿说：“自2003年我们开始有记录以来，今年7月的（山火碳排放）全球总量是最高的。”

https://new.qq.com/rain/a/20210808A07C9O00

全球变暖的主要原因

目前科学界普遍公认温室效应是全球变暖的主要原因，但是温室气体集中在大气是由何种因素来控制？

事实上，太阳光合作用将太阳能量和二氧化碳贮存在草木、甲烷和化石燃料矿藏之中，是一个能量积蓄过程。超级火山喷发点燃草木、甲烷和化石燃料，向大气释放出积累的太阳能量和温室气体，导致全球变暖和生物灭绝（高温型）；酸雨清洗大陆，将温室气体带入海洋，导致海洋酸化和岩石圈碳酸钙积累，引发大气温室气体降低、生物灭绝（低温型）和气候变冷（参见海底藏冷效应和海底温室气体贮存效应）。

因此，长期积累的太阳能量和温室气体的释放（石燃料矿藏爆燃），超级火山喷发，温室气体集中在大气，是全球变暖的三大主要原因。

冰期和小冰期是如何形成的？

从15至17世纪的200余年内,世界上强震很多，其它自然灾害也很集中，这也正是蒙德极小期。 这个时期太阳活动处于极小值，人们往往把它当作小冰期气候产生的原因。实际上，单凭太阳辐射能量变化不足以解释气候的巨大波动.。对宇宙飞船测量数据的分析确定，太阳的辐射输出变化于0.1~0.3%的水平上。 Eddy等人估计，气候响应与正常发生的变化相比是很小的——太阳常数的变化至多使地球表面的温度受到零点几度的扰动，问题的关键是能够激发低层大气发生变化的机制。 

海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，携带温室气体源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的富含温室气体的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的富含温室气体的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”和温室气体被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。这是典型的地、海、气相互作用。

计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度。有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。

目前海洋底层温度为摄氏2度，它为大气提供了充足的冷源。近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，这也是中生代全球变暖的原因之一。

  图1 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

结论：改写全球气候历史和生物灭绝历史的重大事件

发生在大约2.52亿年前的二叠纪-三叠纪生物大灭绝，在短短几万年的时间里，使96%的海洋生物和约70％的陆地生命从地球上永远消失。由于西伯利亚火山岩浆燃烧了大量森林、地下石油和煤炭沉积物，燃烧过程中释放出二氧化碳和甲烷等温室气体，进而导致了大灭绝的发生。澳大利亚山火就是一次未来大灭绝的预演。

与西伯利亚暗色岩类似，德干暗色岩也发生在大陆，因此可以加速化石燃料燃烧和温室气体超级排放，造成恐龙灭绝重大事件。小行星撞击扩大了这一事件。

这表明，太阳能量的长期积累和释放参与和扩大了全球变暖，温室气体和全球变暖的一致性，根源在太阳能量的长期积累和释放，元凶就是太阳能量积累和光合作用的逆反应^[1-2,7-8]。

人类的出现可能改变这一自然规律：化石燃料就是大陆和海洋内的火药桶，超级火山爆发就是导火索，人类开发化石能源，铲除了大陆和海洋内的火药桶，避免了下次超级火山引发的温室气体超级排放，阻止下一次生物大灭绝，变天灾为人类福祉与天人和谐，这应该是天大的好事。

要温室气体的爆炸式超级排放，还是要温室气体缓慢式人工排放，人类必须做出正确的抉择。

温室气体减排有利有弊：短期可以维持现状，但不过是扬汤止沸；长期留下后患，造成更严重的生物大灭绝。人类开发化石能源，铲除了大陆和海洋内的火药桶，这才是釜底抽薪。

温室气体循环路线图：太阳光合作用将太阳能量和二氧化碳贮存在草木、甲烷和化石燃料矿藏之中，超级火山喷发点燃草木、甲烷和化石燃料，向大气释放出积累的太阳能量和温室气体，导致全球变暖和生物灭绝（高温型）；酸雨清洗大陆，将温室气体带入海洋，导致海洋酸化和岩石圈碳酸钙积累，引发大气温室气体降低、生物灭绝（低温型）和气候变冷（参见海底藏冷效应和海底温室气体贮存效应）。

一个明显的规律是，温室气体在温暖时期集中在大气，在寒冷期集中在海洋和岩石圈。石炭二叠纪成煤期与生物大灭绝有很好的对应关系。

温室气体的大规模积聚和排放与太阳能量的长期积累和释放同时进行。人类忽视了后者，夸大了前者。

总之，碳中和要比控制碳排放更科学。人类在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。这是人类与自然和谐共生的明智之举。

参考文献

1.        杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.

2.        杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45(增刊): 33-42.

3.        杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

4.        Mark A. Sephton¹, Henk Visscher², Cindy V. Looy³, et al. Chemical constitution of a Permian-Triassic disaster species. Geology October 2009 v. 37 no. 10 p. 875-878 doi: 10.1130/G30096A.1

5.        Arizona State University. “Oasis effect” in urban parks could contribute to greenhouse gas emissions. ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201119083931.htm

6.        Burning Fossil Fuels Helped Drive Earth’s Most Massive Extinction, The New York Times. https://www.nytimes.com/2020/11/18/science/extinction-global-warming.html?searchResultPosition=14

7.        杨冬红，杨德彬，杨学祥. 2011a. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报， 54（4）：926-934

8.        杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.