全新世的大氣溫度變化與全球暖化現象

演化之聲
3月5日
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在瞭解人類活動造成的暖化之前，我們需先回答一個問題，過去的一萬多年裡，地球的平均氣溫究竟如何變化？自上個冰期（glacial period）結束以來的年代，被稱作全新世（Holocene），很多研究者希望透過它，理解工業化之後的氣候暖化究竟有多特別。有不少證據強調全新世前半段有一個明顯的全球暖化高峰期，但氣候模型卻往往模擬出相反的走勢，所以在數據與模擬之間，形成了全新世溫度之謎的問題。

解開這個謎題，首先得從可以追溯溫度的自然紀錄談起。藉由古氣候代理（proxy records）方式，也就是以現在地球上的冰芯、海洋沉積、生物化學指標、花粉與許多物理與生物等逐年沉積的材料，來間接重建過去的氣候。透過將全球近七百筆陸地與海洋記錄整合後，重建出全新世的全球平均地表氣溫（global mean surface temperature，GMST）。在約 6,500 年前曾有一段為期數百年的相對暖化高峰期，溫度比 19 世紀高約 0.6 至 0.7°C，最高可能達到 1.8°C 的區間估計。海洋底層與中層水溫的證據也支持這筆資料，例如太平洋與大西洋的赤道與亞熱帶海水紀錄指出，早期全新世的海水比後期更溫暖。地底熱流的分析也指出，在約 6,000 至 7,000 年前，地表溫度的平均狀態比現代（1960 至 1991）更高約 1 到 2°C。

全新世的溫度變化（圖片來源：Dragons flight，採用 CC BY-SA 3.0 授權）

除了溫度代理之外，冰川地貌也給了明確的線索。全球山岳冰川在 1 萬到 6,000 年前普遍後退至最小範圍，符合溫暖的情況；在之後的 5,000 至 3,000 年前，北半球與南半球的冰川再度拓展，標誌著逐步進入全新世中晚期的新冰期（neoglacial period）。像是格陵蘭冰蓋（Greenland Ice Sheet）與西南極冰蓋（West Antarctic Ice Sheet）也呈現類似的反應，在全新世後半逐漸增厚。這些冷暖交替的現象與氣候代理記錄整合起來，都指向全新世前半段確實有一段全球性氣溫偏暖的時期。

若該時段確實存在暖化高峰，那麼驅動它的力量來自哪裡？答案得從地球公轉軌道造成的日照分配變化談起。在全新世早期，地球的地軸傾斜角（obliquity）較大（約 24° 到 24.2°），以及歲差（axial precession）使北半球夏季靠近近日點，導致北半球高緯度地區的夏天太陽較強、日照較長，地表吸收的能量也就多得多。這種夏天偏強的情況會帶來一連串效果，冰雪更容易融化、森林能往北移動，這也進而讓地表吸收更多熱；海冰變少後，海水也更容易把熱量傳到空氣裡。整個系統因此變得更暖，暖化又進一步加速這些變化。

在全新世中期，陸地植被比後期茂盛，例如撒哈拉在當時擁有大片綠地。花粉記錄推測，這些植被的改變降低了反照率，使地面吸收更多太陽能量，提升高緯度夏季與秋季的溫度。若將這些植被變化納入模擬，6,000 年前的全球平均氣溫可能比前工業時期高約 0.4 至 0.9°C，符合代理資料所推測的暖化高峰期。同期大氣灰塵含量也較低，減少了陽光散射，為整體暖化再添一筆。相較之下，溫室氣體在這段時期的變化相當微弱。全新世中期的大氣二氧化碳與甲烷和工業革命之前比較下也僅有小幅變化。

另外，全球多處地區的紀錄都看到氣候在過去的 2,000 年中逐漸變冷，最後在 15 至 19 世紀的小冰期（Little Ice Age）達到最低點。這段漫長的轉冷與植被退縮、海冰增加等因素完美契合。