北京大学李明松带领的国际团队在理解5600万年前发生的大规模碳释放事件（即古新世-始新世极热事件，PETM）对海洋化学影响方面取得新进展。这项研究定量重建了过去海洋pH值的下降幅度、碳酸盐饱和度的降低程度以及大气二氧化碳浓度的升高幅度。这些发现揭示了远古地球如何经历了严重的海洋酸化，并与当今因人类活动导致的趋势存在相似之处。该研究近日发表在国际学术期刊《自然·地球科学》杂志上。

PETM是地球历史上最迅速和最严重的自然气候变化事件之一。大量的碳快速释放了数千年，导致全球温度骤升，极大地改变了地球的气候和生态系统。其中一个重要影响是海洋酸化，这与今天因人类碳排放而导致的酸化现象相似。

数据同化：理解海洋酸化的新工具

这项研究通过同化古气候指标数据和地球系统模型模拟结果，采用了数据同化的方法，系统地重建了这次气候灾难期间的海洋化学状况。他们使用了中等复杂度地球系统模型cGENIE，结合了海洋沉积物碳酸钙含量和其他指标数据，以更清晰地呈现该时期的海洋碳循环扰动状态。数据同化提供了研究过去气候事件的多种优势。与传统模型不同，数据同化将有限的古气候记录与气候模拟结果相结合，使我们能够对过去气候状况做出更全面的估计，尤其是在无法直接测量过去海洋碳酸盐饱和度的情况之下。通过同化与海面温度和海底沉积物中碳酸钙含量有关的指标数据，研究团队重建了PETM期间的海洋碳循环扰动状态。结果表明，大气二氧化碳浓度从事件前的890 ppm增加到PETM期间的1980 ppm，同时海洋pH值平均下降了0.46单位，表层海水方解石和文石饱和度也大幅度降低。

这些变化表明，碳酸盐的欠饱和现象在高纬度表层海水中尤为严重，这与今天的北极地区相似，因人为碳排放导致文石饱和度下降。这表明二氧化碳水平、海洋酸化与海洋生物多样性损失之间存在着联系。这次事件的海洋酸化对生态系统产生了严重的影响，可能导致了新生代时期底栖有孔虫的大规模灭绝，灭绝率达到了30%到50%。随着海洋pH值的下降，碳酸盐离子的可用性大幅减少，这对依赖这些离子构建外壳的生物，如珊瑚、软体动物和浮游生物产生了重大影响。研究重建的数据显示，PETM期间平均海洋表面pH值从7.91下降到7.45，高纬度地区的酸化程度更加严重。在这些地区，表面pH值下降多达0.61单位，而赤道和低纬度水域则经历了较小但显著的变化。这种差异性突显了理解海洋酸化的区域性影响的重要性。

当今的启示与未来展望

这一研究发现不仅帮助我们理解远古气候，同时也对未来气候变化提出了警示。PETM期间的海洋pH值下降与现代高排放情景下的预测相似（如共享社会经济路径5-8.5）。如果碳排放继续增加，今天的海洋可能面临比PETM更快的酸化速度，对海洋生物多样性造成严重影响。PETM持续了约20万年，但即使在如此漫长的时间内，碳释放对海洋生物也造成了显著且持久的破坏。相比之下，今天的碳排放发生得更加迅速，使得海洋物种更难以适应。PETM的教训表明，海洋化学的快速变化可能对海洋生态系统产生灾难性的后果。这项研究得到了科技部重点研发计划项目等的支持。

大洋酸化导致珊瑚礁白化死亡