地球，给科学家们出了一道与已有的气候理论相矛盾的谜题。
以万年计，我们可以发现地球的温度变化呈现出周期的规律性。
根据当下的气候特点，我们可以将地球历史分为冰河期和间冰期。在冰河时期，地球上大量的水被锁在冰层和冰川中，温度低，气候干燥，往往要持续10万年之久。间冰期是指两次冰河期之间相对温暖的时期，此时冰川退缩，海平面上升，气候也变得温暖，这个时期持续约1万至2万年。
南极过去80万年的温度变化，由Matthew Harris提供
人类所有文明都是由温暖的间冰期孵化而来的。地球从上一个冰河时期进入到适合生命存活的温暖时期大约经历了5000到6000年。人们认为在这数千年间，温度持续升高，海平面也持续升高（直至今日的水平）。然而，科学家们发现了一个奇怪的现象。南极洲发掘的以往温度记录显示，在大约 14000 年前，这种变暖有一个 2000 年的停滞期，仅限于高纬度的南半球。
这一谜题令人费解。
南极洲持续2000年的停滞变暖谜题提醒着科学家，地球或许会对快速的气候变化有一些自发的调节行为。在目前全球变暖已构成巨大威胁的情况下，这种调节行为或许能挽救人类。
让我们先看看地球的现状。
百年以来，地球的气候在持续改变。
自20世纪初以来，地球的温度上升了2华氏度（1摄氏度）。尽管在理论上，随着地球相对于太阳的位置的变化引发气候变暖或变冷是正常现象，但科学家们认为近百年的气温上升已经超出了自然变化的范畴，它是由人类引起的。人类工业的飞速发展造成大气中二氧化碳含量激增，随着向大气中排放的碳越多，地球将太阳辐射转化为热量就越多，气温也随之升高。
地球温度升高的影响是广泛而深远的，它会带来更严重的干旱、更频繁的野火、更猛烈的热带风暴、供水减少、农业产量减少以及沿海地区的洪水侵蚀，甚至增加城市中与炎热相关的疾病发病率。
因而，人们急需从过去数万年的气候变化中寻找规律和经验来应对未来可能发生的变化。
“地球正在变暖，” 澳大利亚古气候学家Matthew Harris说，“在这一点毋庸置疑。为了了解地球变暖的原因，寻找有效延缓地球变暖的方法，我们需要先了解过去地球对大气中过量的碳的应对方式。”
他把目光投向南大洋和南极地区，以一种不同的方式了解气候变化的机制——通过观察南极古代冰芯中的微生物，试图重建过去气候变化时的场景。他认为了解大气和海洋共同调节全球热量和碳的方式，对理解碳排放将如何影响地球的命运至关重要。
为了更多的了解地球应对快速气候变暖的调节机制，科学家们采用了一系列的方法试图重现地球海洋的过去，其中最重要的是使用替代性指标——通过地球内部的化学变化和微生物变化来指示过去的变化。这些替代物可以在很多地方找到，如海底的沉积层。
南极洲的南大洋占地球表面的14%，在全球碳循环和气候中起着核心作用。Harris想利用南极洲的古老冰层来研究远古时期从海洋中吹入的生物体，以期得到一些提示。
很庆幸，地球过去的气候变化真的给了人类一些提示。
大约在18000年前，地球距离我们最近的一次间冰期开始出现。大气中二氧化碳水平的升高使更多的太阳辐照变成了热量并积蓄起来，地球开始变热，人类文明也是在此时开始蓬勃发展。然而在14600到12700年前的南极洲，二氧化碳水平和变暖在近2000年的时间里保持稳定，停止增长，人们将这一时期称为南极冷逆转（ACR）。
为什么会有气温升高过程中的停滞或逆转？
首先要了解南极冷逆转阶段地球的其他角落在发生着什么。有理论认为，在南极冷逆转的同时期，位于北极圈的格陵兰岛发生了一些可能与之相关的变化——冰盖崩塌。彼时，格陵兰岛大量融化的冰或淡水被注入北大西洋，引发了北半球的快速变暖，海平面大幅上升（在几百年的时间里可能上升10米）。 奇怪的是，这一时期正好与南极冷逆转（ACR）相吻合，也就是说，当北半球气温上升，格陵兰冰盖坍塌，海平面在几百年的时间上升 10 米时，南大洋和南极洲却在变冷。
“这似乎昭示着气候和海洋之间存在某种连接，随着温度的迅速升高，某些不明的因素开始响应，阻止了大气中碳含量的增加和温度的升高。” Harris 说。
这一设想为科学突破提供了机会。
“科学界非常渴望找到一种方法能利用地球的自然机制来降低大气中的碳含量，以此减缓气候变暖的速度。” Harris表示：“我们希望能找到过去地球应对快速的全球变暖自发的进行调控的例子。”
根据Harris的说法，我们或许能利用地球自发的调控能力来减缓全球变暖的速度，但这并不意味着人类可以在温室效应面前松一口气。Harris强调，干扰地球的气候调控系统是非困难且复杂的，甚至一些无意识的错误举动会使地球变暖的进程加剧。过去反常的气候案例（如南极冷逆转）表明地球系统中存在未知的动力学，只是以人类对地球现有的了解还无法预测这些动力学的反应。
“我非常担忧这种不可预测性，我们无法判断某一行为会加速还是停止气温升高。“Harris说。
在南极两千年的气温“停滞”期间，有一个现象引起了Harris的关注，那就是南大洋的海洋微生物的空前繁盛，其中的浮游生物给了Harris灵感。
浮游生物是一种生活在海洋近表层的绿色微生物，为了产生能量，它们吸收二氧化碳，并利用叶绿素和阳光将其转化为氧气和能量。浮游生物的光合作用甚至比树木要强大得多，这些微小的树状生物在海洋中大量存在，并产生了50%至80%的植物氧气。在这一过程中，浮游生物将二氧化碳从大气中去除，并在它们被吃掉时输送到食物链，或当它们死亡时沉入海底。通过这种方式，浮游生物充当了“碳汇”，从大气中去除二氧化碳。
从历史上看，浮游生物在调节大气二氧化碳水平方面的作用至关重要，甚至超过了陆地上的树木和灌木丛。Harris团队认为，研究冰芯中存在的这些浮游生物，以及它们在调节大气二氧化碳中的作用，或许可以帮我们揭开14,000年前南极升温“停滞”机制的大门。
Aqualog 同步吸收-三维荧光光谱仪
如何揭开南极升温“停滞”机制的大门？这需要现代科学技术的支持。
Harris表示，英国斯塔福德郡的基尔冰实验室使用荧光光谱技术来分析南极冰芯中保存的荧光化合物，记录了南大洋海洋生产力和海冰的变化。
“海洋生物富含色氨酸和酪氨酸，这是生命必需的氨基酸，” Harris说。“通过检测冰芯中色氨酸和酪氨酸的含量，可以推断当时的海洋微生物的多寡。我们发现，当温度进入停滞期的时候，冰芯中微生物的数量大幅增加。”
Harris在澳大利亚新南威尔士大学和英国基尔大学冰实验室同样使用HORIBA Aqualog®同步吸收-三维荧光光谱仪来测量古代南极洲冰层中荧光化合物的强度和类型的变化。Aqualog®快速、同时执行吸光度和透射率测量以及激发发射矩阵（EEM）的采集。这种专有的Aqualog A-TEEM技术还可以自动校正EEM的内滤效应。
“Aqualog非常稳定，” Harris说。“它的信噪比非常高、简单易用且有很宽的带宽范围（紫外光到可见光）。这是我们能找到的最直接、最可靠的荧光光谱仪。”
通过Aqualog®对古代南极洲冰层中荧光化合物的强度和类型的测量，Harris发现冰层中的主要荧光物质是构成微生物的典型氨基酸。他认为这些原本应该存在于南大洋上的微生物或许是因为风暴等天气事件被吹到了冰上。
此外，Harris的研究组还有更令人惊讶的发现，在地球走出最后一个冰河时代的几千年里，冰芯中氨基酸荧光显著增加。这表明， 尽管 14000 年前出现了气候变暖的停滞，但微小的海洋生物在这期间仍繁衍兴盛。Harris说:“我们从这一时期采集的冰样本表明，与冰芯记录的其他时期相比，南极冷逆转时期冰层中微生物的氨基酸的荧光信号达到了峰值。”
这个惊人发现可以将南极冷逆转现象和海洋中微生物的繁盛联系起来。“可以推测，这种生命吸收了大量的碳，并可能在大约2000年的时间里阻止了大气中二氧化碳的上升。” Harris表示。
冰芯的取样方式曾经也是制约冰芯研究的难题。
通常，科学家直接钻穿冰层来收集冰芯样本。年代越久的冰越需要深入的钻取，冰层也会因此被压缩，并且科学家也只能获得一个钻头宽度的冰，这对Harris来说远远不够。为此，他的研究小组采用了一种完全不同的取样方式。
南极冰盖本质上是一条巨大的冰冻河流，由于重力的作用，它正在缓慢地流向海洋。Harris的团队寻找冰层已向其一侧移动的山脉，因为它被迫靠在山谷的一侧，所以那里的冰不是垂直分层，而是水平放置，只需要沿着合适的切面收集，研究人员就能获得几乎无限量的古代冰。当然，这不是完美方法，在确定冰的年代时会更加困难。
蓝冰区域的横截面显示了冰流的方向，Matthew Harris提供
在Harris的团队研究之前，没有一个恰当的理论来解释为什么南大洋的碳和温度在大约2000年的时间里都处于稳定状态。
Harris说:“像这样奇怪的气候动力学意味着，地球系统中存在着能够阻止或启动大气变暖的自然机制。”
现在，我们可以看出，Harris 的研究小组认为，在全球其他地区气温持续变暖的同时，南极气温下降且大气中碳含量的上升也暂停，这可能是由于南大洋中海洋微生物的繁荣引起的。这些微小的海洋微生物在气温升高停滞期间异常活跃，它们充当了主要的碳消耗者——从大气中吸收大量的碳，阻止其上升，从而抑制了地球温度升高。
然而，这个结论的意义并不在于找出谜题的答案，而是它关涉到碳方面，因为碳对当前的气候变化至关重要，Harris 团队真正感兴趣的是它。
由于地球大气中的二氧化碳含量仍在迅速上升，越来越多的人呼吁采取迅速而激烈的行动来减缓气温上升。例如用铁等营养物质“施肥”南大洋，以此促进浮游生物快速繁殖，并通过吸收和储存碳来消耗大气中过量的碳。这种所谓的“铁施肥假说”或许会引发类似于14000年前在南极洲发生的温度逆转，但也可能会产生意想不到的后果。
“这会产生什么样的连带影响?” Harris想。“地球工程是一个非常敏感的课题，但如果我们没有进行这项研究，那就没有选择。我们在未来会非常绝望，所以也许这项研究将为解决地球的温室效应提供一种干预手段。”
[i] Glacial-Interglacial Cycles, National Centers for Environmental Information, National Oceanic and Atmospheric Administration, 2020
[ii] - Jouzel, J., Masson-Delmotte, V., Cattani, O., Dreyfus, G., Falourd, S., Hoffmann, G., … Wolff, E. W. (2007). Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science, 317(5839), 793 LP – 796.
[iii] Lindsey, Rebecca and Dahlman, LuAnn, Climate Change: Global Temperature, National Oceanic and Atmospheric Administration, August 14, 2020
[iv] Karl, Thomas R and Trenberth, Kevin E. Modern Global Climate Change –Science, Dec. 2003
[v] The Effects of Climate Change, NASA, 2020
[vi] Fogwill, C. J; Turney, C. S. M, Cooper, A, et al. Southern Ocean carbon sink enhanced by sea-ice feedbacks at the Antarctic Cold Reversal Nature Geoscience, June 2020
[vii] Harris, Matthew, Southern Ocean carbon dynamics: New insights from ancient ice, Nature Research, June 22, 2020
[viii] Ibid
[ix] - Jouzel, J., Masson-Delmotte, V., Cattani, O., Dreyfus, G., Falourd, S., Hoffmann, G., … Wolff, E. W. (2007). Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science, 317(5839), 793 LP – 796.
[x] How much oxygen comes from the ocean? National Ocean Service, National Oceanic and Atmospheric Administration, June 6, 2020
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