二疊紀-三疊紀界線附近的替代氣候穩態

核心概念

這篇研究論文探討了二疊紀-三疊紀界線附近，在相同的大氣二氧化碳濃度下，氣候系統可能存在多種穩態。

摘要

書目資訊

Ragon, C., Vérard, C., Kasparian, J. & Brunetti, M. 二疊紀-三疊紀界線附近的替代氣候穩態。《科學報告》 (2024)。

研究目標

本研究旨在探討二疊紀-三疊紀界線 (PTB) 附近是否存在多種氣候穩態，並分析這些穩態對大氣二氧化碳濃度變化的響應。

研究方法

• 研究人員使用 MITgcm 氣候模型，結合大氣、海洋、熱力學海冰、陸地和固定的古地理數據進行模擬。
• 他們採用 PANALESIS 模型重建了二疊紀-三疊紀的古地理環境。
• 為了尋找多種氣候穩態，研究人員在固定邊界條件和外部強迫下，通過改變初始條件（如海洋溫度）進行了多次模擬。
• 為了構建分岔圖，研究人員逐步改變大氣二氧化碳濃度，並分析系統達到穩定狀態時的全球平均地表氣溫。
• 此外，他們還使用 BIOME4 植被模型評估了植被覆蓋對氣候的長期影響，並通過激活 MITgcm 中的相關模組，分析了海氣碳交換的影響。

主要發現

• 研究發現，在相同的二氧化碳濃度下，氣候系統可以達到三種不同的穩態：熱態、暖態和冷態，它們之間的全球平均地表氣溫差異約為 10°C。
• 分岔圖顯示，熱態和冷態之間存在一個較大的雙穩態區域，表明在這兩個穩態之間存在遲滯迴圈。
• 植被覆蓋和海氣碳交換的影響會導致穩態的平均地表氣溫略有變化，但不會改變穩態的數量。

主要結論

• 二疊紀-三疊紀界線附近氣候系統的多穩態特性可以解釋早期三疊紀地質記錄中觀察到的氣候變化，特別是在史密斯紀-斯帕斯紀界線附近的氣候震盪。
• 熱態和冷態之間的 10°C 溫差可以解釋地質記錄和數值模型在 PTB 附近地表溫度估計之間的差異。
• 未來需要使用其他數值模型和更詳細的模擬設置來驗證這些發現，並進一步研究其他長期反饋機制（如冰蓋演化）的影響。

統計資料

熱態、暖態和冷態的全球平均地表氣溫差異約為 10°C。
熱態的平均生物量密度約為 145 毫克/公頃，而冷態為 92 毫克/公頃。
冷態的行星反照率為 30%，暖態為 29%，熱態為 27%。

引述

"我們的數值結果表明，傾覆機制可以導致氣候變化幅度達到這個量級的狀態轉變，而當時由於西伯利亞地盾的火山活動，碳循環處於擾動狀態 [22-26]。"
"有趣的是，我們在 2.3 節中估計的生物量碳差異約為 1017 摩爾，與冷態（3.0 · 1018 摩爾）和熱態（2.8 · 1018 摩爾）中碳含量之間的差異處於同一範圍。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Alternative climatic steady states near the Permian-Triassic Boundary

by Char... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.08363.pdf

深入探究

除了大氣二氧化碳濃度外，還有哪些因素可能導致二疊紀-三疊紀界線附近出現多種氣候穩態？

除了大氣二氧化碳濃度，以下因素也可能導致二疊紀-三疊紀界線附近出現多種氣候穩態：

古地理分佈: 二疊紀-三疊紀時期，地球大陸板塊合併成盤古大陸，並被泛大洋環繞。這種獨特的古地理分佈會影響洋流模式、熱量傳輸以及大氣環流，進而影響氣候系統的穩定狀態。
火山活動: 西伯利亞暗色岩事件是地球歷史上規模最大的火山事件之一，被認為是導致二疊紀末生物大滅絕的主要原因。持續的火山噴發會釋放大量溫室氣體和氣溶膠，對氣候系統造成強烈擾動，並可能導致氣候系統在多個穩態之間擺盪。
冰雪反照率回饋: 冰雪覆蓋面積的變化會影響地球表面的反照率，進而影響吸收的太陽輻射量。在高緯度地區，冰雪覆蓋面積的變化會放大氣溫變化，並可能導致氣候系統出現多個穩態，例如冰期和間冰期。
海洋環流: 海洋環流在全球熱量傳輸中扮演著重要角色。二疊紀-三疊紀時期，海洋環流模式可能發生重大變化，例如溫鹽環流的強度和方向，進而影響全球氣候分佈和穩定狀態。
生物圈回饋: 生物圈，特別是陸地植被，可以通過影響碳循環、水循環和地表反照率來影響氣候。二疊紀末生物大滅絕事件導致生物圈發生劇烈變化，可能會影響氣候系統的穩定狀態。

如果考慮更複雜的碳循環模型，包括陸地生物圈和岩石圈的碳通量，那麼這些穩態的穩定性區域會如何變化？

如果考慮更複雜的碳循環模型，包括陸地生物圈和岩石圈的碳通量，那麼二疊紀-三疊紀界線附近氣候穩態的穩定性區域可能會發生以下變化：

穩定性區域的範圍和位置可能發生變化: 陸地生物圈和岩石圈的碳通量會影響大氣二氧化碳濃度，進而影響氣候系統的穩定狀態。例如，風化作用會吸收大氣中的二氧化碳，而火山活動則會釋放二氧化碳。這些過程的時間尺度很長，但會對氣候系統產生持續的影響。
新的穩定狀態可能出現: 更複雜的碳循環模型可能會揭示新的氣候回饋機制，進而導致新的穩定狀態出現。例如，陸地生物圈可以通過碳儲存和釋放來調節大氣二氧化碳濃度，進而影響氣候系統的穩定性。
穩定狀態之間的轉變可能變得更加複雜: 考慮更複雜的碳循環模型後，氣候系統從一個穩定狀態轉變到另一個穩定狀態的過程可能變得更加複雜，並可能出現新的臨界轉變點和滯後現象。
總之，更複雜的碳循環模型可以提供對二疊紀-三疊紀氣候變化的更全面理解，並揭示氣候系統中更複雜的回饋機制和穩定性特徵。

這項研究的發現如何幫助我們理解當前氣候變化背景下的臨界轉變和潛在的傾覆點？

儘管二疊紀-三疊紀時期的氣候變化與當前氣候變化存在差異，但这项研究的发现仍然可以帮助我们更好地理解當前氣候變化背景下的臨界轉變和潛在的傾覆點：

提高對氣候系統多穩態的認識: 这项研究表明，即使在單一的大氣二氧化碳濃度下，氣候系統也可能存在多個穩定狀態。這意味著當前的氣候系統可能比我們想像的更加敏感，即使在溫室氣體排放量相對較小的情況下，也可能跨越臨界轉變點，導致氣候發生劇烈變化。
識別潛在的傾覆點: 通過研究過去的氣候變化，我們可以識別出可能導致氣候系統發生劇烈變化的潛在傾覆點。例如，格陵蘭冰蓋和南極冰蓋的融化、亞馬遜雨林的消亡以及北極永久凍土的融化都被認為是潛在的傾覆點。
改進氣候模型: 通過研究過去的氣候變化，我們可以改進氣候模型，使其能夠更準確地模擬氣候系統的行為，包括臨界轉變和潛在的傾覆點。
總之，研究過去的氣候變化可以幫助我們更好地理解當前的氣候變化，並為應對氣候變化的挑戰提供寶貴的見解。