在59Ma之前的5-6Ma，全球气温经过一定的降温，北太平洋深水环流加强之后，开始了新一轮的温度回暖，并在49-53Ma达到温度最高，叫做早始新世气候适宜期（Early Eocene Climate Optimum, EECO）。关于EECO，我们在后面的章节专门讲。在这一章，我们把目光聚焦到在达到EECO之前，全球在~55.9Ma还发生了一次引人注目的事件，叫做古新世/始新世极热事件（Paleocene/Eocene Thermal Maximum，PETM）。

我们观察全球δ¹⁸O和δ¹³C的变化曲线，就会发现这两个参数在~55.9Ma发生了快速降低事件，幅度变化可达千分之几。这个变化幅度超出了正常的构造和气候变化，在很短的时间内，全球温度快速熬，同时有大量的CO₂被注入大气和海洋。

我们先来看看先进地球的碳库有多大，植物+土地+岩石含有2300Gt C。石油等化石燃料含有3700 Gt C。中深海含有35100 Gt C。大气中则含有不到600Gt C。

我们复习一下这些单位，t是吨，g是克。G=10⁹，P=10¹⁵。所以，在1Pg = 1 Gt。

那么，在PETM，又多少碳被快速释放了呢？科学家的估算范围比较大，但是平均起来，在千年尺度，至少有1000-2000Gt C被释放，相当于一年释放1Gt C。我们这么一对比，虽然不知道Gt是个多大的单位，但是能理解到底释放了多少碳，这相当于把化石燃料几乎都燃烧了，这不就是人类目前面临的最大挑战吗？人类把化石燃料用完，不就和PTEM的CO₂释放量可比拟了吗？

因此，研究PTEM非常有用，可以作为一个很好的自然案例，研究短时间大规模释放CO₂会对全球气候和环境到底有什么样的影响。

我们在接下来的探索之前，需要澄清一个事实。现今CO₂的增加与影响，较之PETM并不完全一样，所以，也不能完全类比。首先，释放速度不一样，人类燃烧化石燃料释放CO₂的速度要比自然界快得多。目前我们人类才经历了300年的CO₂增加，远远没达到CO₂全球的平衡状态，也就是说目前观察到的影响不是最终影响，有滞后效应。其次，初始条件不一样。PETM时期，全球温度已经很高，两极没有冰盖，无法通过融化冰盖来调节气候。而现今不一样，冰盖融化，海平面上升，淹没大陆架，会增加有机碳埋藏。第三，PETM期间全球的海陆分布与洋流模式和现今也不一样。

即使如此，PETM还是有很大的研究价值。在自然界碳循环平衡的时间尺度和机制方面，提供重要的科学依据。

为什么科学家会给出非常不一致的碳释放量？

我们来看看科学家们是怎么进行估算的。

核心思想非常简单，就是质量平衡。体系最终的质量等于初始质量加额外的质量。体系中微量元素的质量也必须等于其初始质量加额外的质量。

M_最终 = M_初始 + M_增加 （1）

(M_最终) × (δ¹³C_最终) = (M_初始) × (δ¹³C_初始) + (M_增加) × (δ¹³C_增加) （2）

我们还可以定义δ¹³C异常的变化量为

CIE = δ¹³C_最终 -δ¹³C_初始 （3）

联合以上三个式子，我们就可以得到如下的简洁公式

M_增加 = -CIE × M初始/（δ¹³C_最终-δ¹³C_增加）（4）

从公式（4）可以看出，CIE的变化幅度越大，增加的碳量越大。δ¹³C_增加越偏负，增加的碳量越大小。

我们先来看看CIE的增加量是一个固定值吗？这个值从δ¹³C变化曲线上值得读取不就可以了吗？实际上，估算CIE还真是不容易。我们需要考虑全球整体分布，可是我们利用钻孔的钻孔数据有限，也就是只能用有限的数值分布来替代全球特征。其次，在海洋不同深度，不同的地理位置，δ¹³C变化量并不一致。所以，简单地用一个钻孔数据来代替全球的平均CIE变化，会有很大的误差。即使如此，随着数据量的增加，CIE的估算会越来越准确。

那么就剩下另外一个变量，增加的CO₂的δ¹³C值是多少？和这个问题相关的一个重要科学问题就是，这些CO₂的来源在那里？

所谓的δ¹³C的大小，代表着体系中¹²C的相对多少。¹²C比¹³C轻，所以，生物过程会优先利用¹²C。这样在有机质中¹²C含量丰富，δ¹³C就偏负。

我们来看看自然界种几种典型的具有负δ¹³C的物质。首先推举可燃冰甲烷，其δ¹³C可达-60‰。由此可见，在生成可燃冰甲烷的过程中，微生物一定深度参与。木炭沉积物δ¹³C为-22‰。加热过程生成的甲烷δ¹³C为-30‰。多年冻土带中的碳，其δ¹³C为-30‰。

科学家可以选取以上不同的候选物质来计算注入的碳量。如果选用水合物甲烷，其效果最显著，所用量也最小。如果选用δ¹³C绝对值偏小的物质，所需的量就非常大，乃至于不得不考虑相对应的地质过程合理不合理。

经过多年的争论，目前有两种碳的来源最为合理，天然气水合物甲烷和火山喷发出来的CO₂。在PETM时期，北大西洋和北冰洋还未联通，还处于裂解阶段，火山活动频发，在时间上与PETM非常一致。其次，造成CIE的碳量很大，光靠火山喷发CO2也难以达到，水合物甲烷是当时非常理想的一种碳库。

在PETM之前，我们已经讨论过，北太平洋深水环流正在缓缓瓦解。可是，突然的升温，又强行扰乱了地球的海洋环流与气候系统。此时，从赤道向南极的水汽输送加强，造成南大洋的盐度变低，于是南大洋的深水环流停滞。由于热量有效地向高伟传输，造成高纬升温幅度更大。比如高纬SST可以增加9°，而低纬地区则值增加5°。深层水的温度可以增加4-5°。

与之而来的就是深海CO₂通风不畅，造成海洋酸性增加，深层水温度突增，氧气缺乏，造成很多底栖生物灭绝。同时，碳酸盐补偿深度在大西洋区CCD快速升高2km，中层水区的碳酸钙被溶解。而在太平洋区，CCD只上升了500m。

为了解释这种不同大洋区CCD变化不一致的行为。科学家提出了几种解释方案。首先，如果我们把大西洋区作为酸性深水的源区，太平洋作为终端区，就可以解释从大西洋到太平洋区，CCD变化从大到小的趋势，越到远端，酸性深水的影响就越小。但似乎这种解释很难说明白，为什么大西洋的海水先变酸。

另外一种解释与大洋环流有关。PTEM期间，北太平洋深水环流加强，通风变好，于是深海CO₂不容易聚集，也就不会过多溶解碳酸钙。这个说法，对我而言，更容易被接受。当然，等PTEM结束，北太平洋深水形成过程又消失。所以，我们可以把PTEM看作大洋环流模式中的一个短暂绕动。

整个PTEM过程如果放大看，也分为前期事件、发生、发展与结束几个环节。其主体特征为，在4千年-2万年之内，释放出大量的碳，之后为7-10万年的持续期，继续加入一定量的碳。最后为25万年的恢复期，逐渐恢复到PETM之前的水平。这是一个典型的快速释放，缓慢回收的过程。

通过PETM的形态特，我们会分析出至少有两种不同的碳排放机制对应这快速排放和持续排放过程。对于快速排放过程，我们可以引入海洋中天然气水合物的快速分解。而对于后续的持续过程，科学家认为必须要额外的机制，比如陆地上的老碳来源。

天气变热，陆地上的物理侵蚀和化学风化加强。我们可以利用锂同位素来研究这一过程。在物理风化过程中，锂元素不分馏。但是在岩石分解为粘土矿物时，会发生分馏，δ⁷Li的值会增加。在岩石处于物理风化过程中，Li的输送通量增强，但是δ⁷Li的值较低。当粘土矿物开始形成，物理风化减弱，Li的输送通量会随之减弱，但是δ⁷Li的值会增加。当对应于很强的风化过程，粘土矿物开始溶解了，Li的输送通量很小，δ⁷Li的值会减小。

科学家发现，全球海水中δ⁷Li大幅度减少了~3‰，这对应着非常强的陆地化学风化和侵蚀过程。其中物理侵蚀强度增加了2-3倍，化学风化强度增加50-60%。这就使得早期岩石和大陆沉积物存储的老碳重获自由，在搬运过程中，很快就北氧化，变成CO₂，加入到后续的CO₂持续增加过程中。但是，同时，也会增加海洋中的碳埋藏过程，使得空气中的CO₂逐渐减少，直到达到新的平衡。

通过以上讨论，我们基本上达成一致意见，在PETM发生之前，海洋已经存储了大量的碳，就等机缘来爆发。这个过程就相当于之前提及的点炮竹理论。

实际上，在PETM之前，也并不平静，研究发现，在55.9Ma之前已经有了一次中等幅度的升温事件。我们可以把整个故事再串一遍。早期点炮竹的能量可能来自于北大西洋裂解过程中的火山喷发，增加的CO₂使得全球温度上升，同时，中层水的温度增加，使得该区储存的大量天然气水合物甲烷被快速释放，造成了正反馈，温度越高，甲烷释放的越多。海洋中记录的δ¹³C快速负偏。之后，海洋的环流模式和陆地风化过程被改变。当甲烷被释放得差不多得时候，全球进入CO₂的吸收调节期。高温使得海洋的风暴加大，海洋深水上涌加强，生物生产力增加，大量碳被埋藏于海底。同事，大陆风化过程也消耗了很多CO₂。这些过程，在20万年内最终完成。

PETM成为60几个百万以来的千古绝唱，从来没有被超越过，直到人类开始快速排放化石燃料。我们到底要不要从中学些教训？