新研究发现地球可以在数千年内调节自身温度

地球的气候经历了一些巨大的变化，从全球火山活动到使行星变冷的冰河时代，再到太阳辐射的急剧变化。然而，在过去的 37 亿年里，生命一直在不停地跳动。

现在，麻省理工学院研究人员在《科学进展》杂志上的一项研究证实，地球拥有一种“稳定反馈”机制，该机制在数十万年的时间里发挥作用，将气候从边缘拉回，使全球温度保持在稳定、适宜居住的范围内。

它是如何做到这一点的?一种可能的机制是“硅酸盐风化”——一种地质过程，硅酸盐岩石缓慢而稳定的风化涉及化学反应，最终将二氧化碳从大气中吸出并进入海洋沉积物，将气体困在岩石中。

长期以来，科学家们一直怀疑硅酸盐风化作用在调节地球碳循环中起着重要作用。硅酸盐风化的机制可以提供一种地质上恒定的力量来控制二氧化碳和全球温度。但直到现在，还没有直接证据表明这种反馈会持续运作。

新发现基于对记录过去 6600 万年全球平均温度变化的古气候数据的研究。麻省理工学院的团队应用数学分析来查看数据是否揭示了在地质时间尺度上控制全球温度的稳定现象的任何特征模式。

他们发现，确实存在一种一致的模式，即地球的温度波动在数十万年的时间尺度上受到抑制。这种影响的持续时间类似于预测硅酸盐风化作用的时间尺度。

该结果首次使用实际数据证实了稳定反馈的存在，其机制可能是硅酸盐风化。这种稳定的反馈可以解释地球如何在地质过去的剧烈气候事件中保持宜居。

“一方面，这很好，因为我们知道今天的全球变暖最终会通过这种稳定的反馈被抵消，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系 (EAPS) 的研究生 Constantin Arnscheidt 说。“但另一方面，这需要数十万年的时间才能发生，所以速度还不足以解决我们当前的问题。”

该研究由 Arnscheidt 和麻省理工学院地球物理学教授 Daniel Rothman 共同撰写。

数据稳定性

科学家们之前已经看到地球碳循环中气候稳定效应的迹象：对古代岩石的化学分析表明，即使全球温度剧烈波动，进出地球表面环境的碳通量仍保持相对平衡。此外，硅酸盐风化模型预测该过程应对全球气候产生一定的稳定作用。最后，地球持久宜居的事实表明，极端温度波动存在某种内在的地质学检查。

“你有一个星球，其气候受到如此多剧烈的外部变化的影响。为什么生命一直存活下来?一个论点是我们需要某种稳定机制来保持适合生命生存的温度，”Arnscheidt 说。“但从未有数据证明这种机制一直控制着地球的气候。”

Arnscheidt 和 Rothman 试图通过查看地质历史中全球温度波动的数据来确认稳定反馈是否确实在起作用。他们研究了由其他科学家编制的一系列全球温度记录，包括古代海洋化石和贝壳的化学成分，以及保存完好的南极冰芯。

“这整个研究之所以成为可能，是因为在提高这些深海温度记录的分辨率方面取得了巨大进步，”Arnscheidt 指出。“现在我们有 6600 万年前的数据，数据点最多相隔数千年。”

超速停车

对于这些数据，该团队应用了随机微分方程的数学理论，该理论通常用于揭示广泛波动的数据集中的模式。

Arnscheidt 解释说：“我们意识到，如果在某些时间尺度上有反馈作用，这个理论可以预测地球温度历史的样子。”

使用这种方法，该团队分析了过去 6600 万年全球平均温度的历史，考虑了不同时间尺度(例如数万年与数十万年)的整个时期，以查看是否出现了任何稳定反馈模式每个时间尺度。

“在某种程度上，这就像你的车在街上飞驰，当你踩刹车时，你滑了很长时间才停下来，”罗斯曼说。“当系统恢复到稳定状态时，摩擦阻力或稳定反馈会出现一个时间尺度。”

如果没有稳定的反馈，全球温度的波动应该会随着时间的推移而增长。但该团队的分析揭示了一种波动没有增长的机制，这意味着在波动变得过于极端之前，一种稳定机制在气候中占主导地位。这种稳定效应的时间尺度——数十万年——与科学家对硅酸盐风化作用的预测相吻合。

有趣的是，Arnscheidt 和 Rothman 发现在更长的时间尺度上，数据没有显示任何稳定反馈。也就是说，在超过一百万年的时间尺度上，似乎没有任何反复出现的全球温度回落。那么，在这些更长的时间尺度上，是什么让全球温度得到控制?

“有一种观点认为，在超过 30 亿年后，为什么生命仍然存在，机会可能发挥了重要作用，”罗斯曼说。

换句话说，随着地球温度在较长时间内波动，这些波动在地质意义上可能恰好足够小，处于稳定反馈(如硅酸盐风化)可以周期性地控制气候的范围内，更重要的是，在宜居带内。

“有两个阵营：一些人说随机机会是一个很好的解释，而另一些人说必须有稳定的反馈，”Arnscheidt 说。“我们能够直接从数据中证明，答案可能介于两者之间。换句话说，有一些稳定，但纯粹的运气也可能在保持地球持续宜居方面发挥了作用。”

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