前面講了一大堆，說的是最近幾十年的時間里面，地表的平均溫度在上升。從能影響地表平均溫度的各個因素來看，似乎人類行為的影響是造成這個升溫的主要原 因。具體的歸因過程我們后面再談，現(xiàn)在看看，在人類開始有能力對氣候影響之前，地球的氣候是怎么變化的，是不是也有這么快的升溫過程呢？對于有儀器記錄以 前的氣候變化，人們不可能再去直接測量了，不過大自然的變化總是有一些痕跡可循的，對這些資料進(jìn)行分析整理，就可以推斷出古代氣候的變化情況。比如在冰川 鉆孔可以取得過去的溫度數(shù)據(jù)，還可以分析海洋沉積物孔隙水變化，對冰川變化范圍進(jìn)行測量等等，從里面尋找到各種氣候信息。這里面，有一些方法也可以通過現(xiàn) 代的數(shù)據(jù)與儀器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來進(jìn)行校正。

重建古氣候信息最重要的時間序列資料是從冰芯里面得到的。冰川的沉積有很好的時間序列，可以通過技術(shù)手段對不同截面冰芯的時間進(jìn)行推測，而冰芯里面所儲存 的微小氣泡，就可以提供古代氣體的直接資料。目前通過對冰芯進(jìn)行分析，已經(jīng)可以重建65萬年以來的很多氣候信息。研究古氣候很多時候都無法進(jìn)行甚至間接測 量，只能使用代用資料，這些代用資料利用涉及到化學(xué)、物理和生物參數(shù)的變化。很多生物有機(jī)體，比如樹木、珊瑚、浮游生物、動物等等，對不同的氣候有不同的 變化，分析這些資料，很多時候是化石資料，就可以重建這些生物體的生長過程信息。比如樹木年輪的寬度，密度就可以來推斷當(dāng)時的溫度變化等等信息。不過使用 代用資料的時候需要很謹(jǐn)慎，單一的某種代用資料往往不夠全面充分，代表性不足，所以古氣候研究很多時候需要使用多種代用資料進(jìn)行交叉檢驗，盡可能更全面地 分析問題，也可以了解不同資料的可靠程度和處理方法。不過無論人們怎么努力，古氣候研究所使用的資料無論從空間分布上還是時間跨度上都是非常有限的，要使 用這些分析結(jié)果進(jìn)行局部的甚至全球的氣候分析，就需要在樣品的空間時間季節(jié)分布等等方面特別小心。

雖然很早就有人通過各種資料對古代氣候進(jìn)行分析描述，古氣候?qū)W真正起步是從1970年代開始的。早期的研究集中在冰河時期的研究上，揭示了小冰川期和中世 紀(jì)暖期的存在。1980年代特別是1990年代以后，古氣候?qū)W的研究進(jìn)步迅速，已經(jīng)可以對很多問題進(jìn)行更加嚴(yán)格系統(tǒng)地分析，不過整體上來講，這個學(xué)科仍然 處于發(fā)展之中。

4億年來的氣候變化

上圖最上面一個是重建的4億年來的資料。從頂端伸下來的藍(lán)色柱子，代表不同歷史時期陸地冰川覆蓋的緯度范圍，這里面能看到兩次大的冰川覆蓋，一次在3億年 前左右，冰川覆蓋到30度，然后就是比較近的時期，冰川曾經(jīng)達(dá)到40度。在兩個冰期之間，就是無冰期。顯然有冰川的時候氣溫低，沒有冰川的時候氣溫高。下 面的幾條線是重建的大氣中二氧化碳的濃度，不同的顏色是不同的研究者的結(jié)論，這里面可以看出來不同的估計之間的差距是很大的，說明數(shù)據(jù)的不確定性非常高。 不過還是有共同規(guī)律的，可以看到在陸地沒有冰川的時候大氣的二氧化碳濃度高，最高的估計值超過了4000ppm，是目前大氣中二氧化碳濃度的10倍多，而 在陸地上有冰川，也就是平均溫度比較低的時候，大氣中的二氧化碳濃度就比較低，從圖上粗略來看，基本上都在1000ppm以下，甚至在500ppm以下。 看起來氣溫大氣二氧化碳含量應(yīng)該是有聯(lián)系的。

中間的圖的黑色數(shù)據(jù)是通過對深海底有孔蟲沉積進(jìn)行采樣分析得到的6500萬年以來的O18含量紀(jì)錄。在海洋不結(jié)冰的時候，O18的含量與深層海水溫度有直 接關(guān)系，圖中的紅線表示的是這個情況，可以看出這個時期深海海水溫度很高，最熱的時候竟然超過了12攝氏度。在大約3300萬年前海洋開始結(jié)冰以 后，O18的含量變化就與南北極的冰面面積有關(guān)。圖中的藍(lán)色橫條顯示了冰面的情況，從上到下分別是南極東部冰原、南極西部冰原、北半球冰原。虛線的地方是 臨時性冰面或者冰面面積比目前的冰面小的時期，實(shí)線的部分是冰面面積和現(xiàn)代的冰面面積相當(dāng)或者更大的時期。

下面的圖是6500萬年以來的大氣二氧化碳紀(jì)錄。不同顏色的數(shù)據(jù)是不同研究者得到的不同結(jié)果，一個個長條實(shí)際上是一個個數(shù)據(jù)，長條的范圍表示誤差，可以看 出估計的誤差還是非常大。這一階段對于樣本時間的估計誤差也是驚人的，經(jīng)過人們多年的努力，對時間的估計的誤差仍然在100萬年左右。這里面引起較多人興 趣的是在300-330萬年的這個階段。一般認(rèn)為這個時候地球的溫度比工業(yè)化前要溫暖2-3攝氏度，這個幅度基本上是很多模型預(yù)計的21世紀(jì)中后期的地球 升溫幅度。由于那個時候現(xiàn)代人還沒有出現(xiàn)，所以這個時期應(yīng)該可以反映在沒有人類干擾的情況下，這個溫度狀態(tài)下的自然平衡。300萬年在地質(zhì)上相距現(xiàn)在的時 間并不算遙遠(yuǎn)，大陸、海洋的位置、植被等等情況都與人類工業(yè)化以前的地球比較接近，所以有很重要的參考價值。目前估計這個時期的大氣二氧化碳濃度在 360-400ppm之間，海平面比目前要高出15-25米，冰面的面積比現(xiàn)在也要小很多，陸地旱情也要比現(xiàn)在緩解不少。此外還發(fā)現(xiàn)了極地溫度升高幅度很 大，而熱帶地區(qū)溫度與現(xiàn)在差別不明顯。當(dāng)然，因為信息并不完整，這些結(jié)論也許與使用的數(shù)據(jù)重建方法的可靠性有關(guān)。

65萬年來的氣候資料重建

研究幾十萬年以內(nèi)的氣候，冰芯是最好的手段。冰芯里面直接封存了氣體，這樣就可以直接測量相應(yīng)時間段的大氣中的各種氣體含量，特別是二氧化碳、甲烷和氧化 亞氮這三種溫室氣體；測量氫的同位素氘可以了解當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓闆r，測量氧的同位素O18可以了解全球冰的總量的變化情況，要注意后兩個都是代用資料。上 圖是65萬年來的這些數(shù)據(jù)?；疑珟菧嘏拈g冰期，其他的時間就是冰期。右上角的數(shù)字是2000年時候的大氣溫室氣體含量。這里面相對比較充分的研究是 43萬年以來的變化?？梢钥吹?3萬年來，有一個大約10萬年的冰期-間冰期周期，當(dāng)然每個冰期都不大相同，間冰期的長度也各不一樣，大約從1萬年到3萬 年。共同的特點(diǎn)就是間冰期的時候，南極大氣中的二氧化碳和甲烷的含量就高；冰期的時候，南極大氣中二氧化碳和甲烷的含量就低，兩者看起來似乎有什么關(guān)系。 需要注意追溯65萬年來的大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，最高值也比目前要低上不少。冰期和間冰期的變化應(yīng)該是受到地球輻射強(qiáng)迫的變化的影響，地球的能量平衡發(fā)生 變化，氣候就會有相應(yīng)的變化。在過去的300萬年里面，地球有規(guī)律的冰期間冰期的變化這個現(xiàn)象，有很強(qiáng)的證據(jù)證明與地球圍繞太陽軌道的長周期運(yùn)動有關(guān)，也 就是下圖顯示的米蘭科維奇周期。

米蘭科維奇周期

到目前為止的最后一次冰期，或者叫末次冰期，開始于11萬6千年前，一直持續(xù)到2萬1千年前，已經(jīng)有證據(jù)證明冰期的發(fā)生和結(jié)束都與地球的軌道運(yùn)動有關(guān)，有 個專門名詞描述軌道運(yùn)動變化而導(dǎo)致的能量變化，叫做軌道強(qiáng)迫。軌道強(qiáng)迫發(fā)生之后，地球的化學(xué)和物理變化對這個強(qiáng)迫進(jìn)行反饋，放大了這個軌道強(qiáng)迫的效應(yīng)。使 用軌道強(qiáng)迫的概念對末次冰期進(jìn)行模擬，基本上可以重建溫度和降水形態(tài)變化的特征。軌道強(qiáng)迫模型還可以模擬6000年前的中緯度變暖以及增強(qiáng)的季風(fēng)等變化， 模擬當(dāng)時的溫度變化幅度。也就是因為目前對軌道強(qiáng)迫的理解，研究者認(rèn)為目前的間冰期應(yīng)該至少持續(xù)上萬年的時間，甚至認(rèn)為促發(fā)11萬6千年前冰期發(fā)生的北半 球夏季極冷現(xiàn)象可能還需要3萬年才會再次發(fā)生。末次冰期前的就叫做末次間冰期，時間是從11萬6千年前到13萬年前。冰芯資料顯示這個時候在格陵蘭頂峰地 區(qū)仍然被冰覆蓋，但是格陵蘭島南部的一些冰原面積在減少。冰芯資料還顯示當(dāng)時極地平均溫度要比20世紀(jì)的極地溫度高出3-5攝氏度。高溫造成的北半球大量 的冰蓋融化可能造成了高達(dá)4米的海平面升高，南極冰蓋也有可能為海平面升高做出貢獻(xiàn)。下圖是重建的12萬5千年前到13萬年前北極夏季地表溫度與現(xiàn)在的差 別（左），以及格陵蘭和西北極海冰的最小冰層厚度與范圍分布（右）。

末次間冰期

在末次間冰期間，有證據(jù)發(fā)生了多次氣候突變。氣候突變一般被定義為在30年以內(nèi)發(fā)生的大規(guī)模的氣候變化，在這個相對短的時間內(nèi)，陸地生物、冰川、海洋都有 巨大變化。最大的突變曾經(jīng)導(dǎo)致格陵蘭的溫度在幾十年內(nèi)升高8-16攝氏度，然后再花數(shù)百年的時間慢慢降溫；還觀察到北大西洋的冰山曾經(jīng)大量流出，海表鹽度 曾經(jīng)突然降低等等。目前的認(rèn)識表明，當(dāng)超過關(guān)鍵的閾值的時候，海洋環(huán)流變得不穩(wěn)定，并會發(fā)生快速變化。這些變化或許與南北半球之間的熱量重新分配有關(guān)系， 但是與全球平均溫度的大的變化并沒有什么聯(lián)系。兩個關(guān)于氣候變化的電影后天和2012都是基于這種突變的氣候模型，不過目前還沒有任何跡象說明突變有可能 在可以預(yù)期的將來發(fā)生，所以并不需要過分擔(dān)心。下圖是末次冰期結(jié)束時候一些指標(biāo)的突變情況，大多是各種氣候指標(biāo)的代用資料?？梢钥吹竭@些指標(biāo)的一致性，以 及觀察到的一些突變。

末次冰期結(jié)束時的氣候突變