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麻省理工学院的研究预测第六次大规模灭绝的阈值

2018-05-14
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em根据麻省理工学院最近发表的一项研究,地球的海洋可能拥有足够的碳以在未来数千年内发生物种的大规模灭绝。 / em

在过去的5.4亿年中,地球已经经历了五次大规模灭绝事件,每次事件涉及过程,这些过程使碳在大气和海洋中正常循环。这些全球性致命的碳干扰都在数千年至数百万年间展开,并且与世界范围内海洋物种的广泛消灭一致。

对于许多科学家来说,问题是碳循环是否正在经历一场可能使地球向第六次大规模灭绝行进的重大颠簸。在现代时代,自19世纪以来二氧化碳排放量稳步上升,但解释了近期碳排放量增加是否会导致大规模灭绝的挑战。这主要是因为很难将古老的碳异常(发生在数千年至数百万年)与今天的中断联系起来,而这些中断只发生在一个多世纪之后。

现在,麻省理工学院大气与行星科学系地球物理学教授,麻省理工学院洛伦兹中心联合主任Daniel Rothman分析了过去5.4亿年碳循环的重大变化,包括五次大规模灭绝事件。他已经确定碳循环中的“灾难阈值”,如果超过,将导致不稳定的环境,并最终导致大规模灭绝。

在今天发表在“科学进展”杂志上的一篇论文中,他提出如果跨越两个阈值中的一个,就会发生大规模灭绝:对于长时间尺度内发生的碳循环变化,如果发生这些变化速度快于全球生态系统可以适应的速度。对于在较短时间内发生的碳扰动,碳循环变化的速度并不重要;相反,变化的大小或大小将决定灭绝事件的可能性。

罗思曼预测,鉴于近期二氧化碳排放量在相对较短的时间范围内上升,第六次灭绝将取决于是否向海洋中添加了临界量的碳。他计算,这一数字大约为310亿吨,据他估计,这大约相当于到2100年人类活动将增加到世界海洋的碳量。

这是否意味着在世纪之交很快会出现大规模灭绝?罗斯曼说,需要一些时间 - 大约一万年 - 才能发生这样的生态灾难。不过,他表示,到2100年,世界可能会陷入“未知领域”。

“这并不是说第二天会发生灾难,”罗斯曼说。 “这就是说,如果放任不管,碳循环将进入一个不再稳定的领域,并且行为方式难以预测。在地质历史上,这种行为与大规模灭绝有关。“

历史遵循理论

罗斯曼以前曾在二叠纪末灭绝事件上做过工作,这是地球历史上最严重的灭绝事件,在地球系统中,通过大量的碳脉冲消灭了全球超过95%的海洋物种。从那以后,与同事的交谈促使他考虑到第六次灭绝的可能性,提出了一个基本问题:

“你怎么能真正比较地质过去发生在如此巨大的时间尺度上的这些重大事件,以及今天发生的事情,这是几个世纪以来最长的事情?”罗斯曼说。 “所以我坐下了一个夏日,试图想想如何有系统地去做这件事。”

他最终根据基本的物理原理推导出一个简单的数学公式,该公式基于碳循环变化的临界速率和幅度与快速分离和慢速变化的时间尺度相关。他假设这个公式应该预测是否应该发生大规模灭绝或其他类似的全球性灾难。

罗斯曼问道历史是否符合他的假设。通过搜索数百篇已发表的地球化学论文,他确定了过去5.42亿年间发生的31次地球碳循环发生重大变化的事件。对于包括五次大规模灭绝在内的每一次事件,Rothman注意到碳的变化,在地球化学记录中表示为两个同位素相对丰度的变化,即碳-12和碳-13。他还指出了变化发生的持续时间。

然后,他设计了一个数学转换,将这些数量转换为每次事件中加入海洋的总碳质量。最后,他绘制了每个事件的质量和时间尺度。

罗斯曼说:“显而易见的是,系统基本上不喜欢经过的特征变化率。”

换句话说,他观察到一个共同的门槛,31个事件中的大部分似乎都在其中。虽然这些事件涉及碳的重大变化,但它们相对良性 - 不足以使系统不稳定,不致发生灾难。相比之下,五次大规模灭绝事件中有四次超过了阈值,最严重的二叠纪末灭绝是最严重的。

“然后它成为了解它的含义的问题,”罗斯曼说。

一个隐藏的泄漏

经过进一步分析,Rothman发现灾难的临界速率与地球自然碳循环中隐藏的过程有关。该循环本质上是光合作用和呼吸作用之间的循环。通常情况下,周期中有一个“泄漏”,其中有少量有机碳沉入海底,并随着时间的推移被埋藏为沉积物并与其余的碳循环隔离开来。

罗斯曼发现,临界速率相当于堵塞泄漏导致的二氧化碳过量产生速率。注入循环的任何额外二氧化碳都不能由循环本身来描述。一个或多个其他过程反而会将碳循环带入不稳定的领域。

然后他确定临界速率只能在海洋碳循环受到干扰后重新建立其平衡的时间范围之外。今天,这个时间大概是一万年。对于更短的事件,临界阈值不再与碳加入海洋的速度相关,而是与碳的总质量相关。这两种情况都会使过量的碳在海洋和大气中流通,可能导致全球变暖和海洋酸化。

世纪的极限

从临界速度和平衡时间尺度,罗斯曼计算出现代的碳临界质量约为310亿吨。

然后他根据政府间气候变化专门委员会最近的报告预测,将他的预测与2100年前加入地球海洋的碳总量相比较。 IPCC预测考虑了四种可能的二氧化碳排放途径,从与严格政策相关的二氧化碳排放限制到二氧化碳排放限制,以及与无限制的高范围情景相关的另一个途径。

到2100年,人类将在海洋中增加300亿吨碳的最佳情景项目,而在最坏情况下将增加500多亿吨,远远超过临界阈值。在所有情景中,罗斯曼表明,到2100年,碳循环将接近或超出灾难阈值。

“应该有办法回收二氧化碳排放量,”罗斯曼说。 “但这项工作指出了我们需要小心的原因,并且为研究过去告知现在提供了更多理由。”

这项研究得到NASA和国家科学基金会的部分支持。

出版物:Daniel H. Rothman等人“地球系统灾难的阈值”,Science Advances 2017年9月20日:Vol。 3,没有。 9,e1700906; DOI:10.1126 / sciadv.1700906

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu