300万年前，气候比现在温暖，冰川稀少，海洋广布，天气类型各异。掌握当时气候变暖的根据，气候模拟装置将有助于预测未来的天气。

在理论上，空气中增加二氧化碳和其它温室气体会使地球变暖，但是没有人知道这种变化有多大。决策者们需要知道在许多预报中哪种预报是最可靠的，但是科学家们还不能分辨哪种预报最可靠。广泛用于气候研究的各种大气环流模式基于今天的气候条件：预报人员感到，如果他们能通过一年中的各个季节较合理地再现气候，那么这些大气环流模式就是相当可靠的。但是相同的大气环流模式能再现地球上温暖气候的各种不同“边界条件”吗？如：某些地区的低矮山脉，格陵兰岛上的非永久冰川。如不能再现，那地球上由温室效应增加热量的各种条件反射就不能成立。

寻找各种气候模式怎样适于地球变暖的一种方法，是利用地质记录上的数据。虽然地球在40亿年的历史中经历了许多次温暖期和寒冷期，但美国的研究人员一直把注意力集中到最现代的气候变化，因为这一时期的气候比上新世中期热得多。

从530万年到160万年前，上新世时期既有温暖期又有寒冷期。大约在300万年前，上新世时期的地球要比现在的地球温暖得多，森林覆盖面波及到今天格陵兰岛的北冰洋沿岸，北极覆盖的冰极少，温暖的海洋比现在高出30 ~ 35米。

研究人员正在搜集上新世时期海洋温度、冰覆盖量、降水量、海平面以及动植物分布的数据，这些数据能很好地显示这些数量模式是怎样预测温暖地球上的气候条件的。美国地质调查局（USGS）理查德 · 普尔（Richard Poore）说，他正在整理上新世时期气候研究的数据。USGS在1988年已开始观测上新世时期的气候，作为研究气候变化工程的组成部分，这个工程取名为“上新世研究解释及天气绘图”（PRISM）。现在他们有三个方案，集中对上新世时期深海，浅海和陆地上的沉积物进行研究。

地球在上新世时期并不是最温暖的时期，但是普尔说，这一时期为温暖的地球提供了最佳窗口，因为这一时期与我们最&近。许多动植物在过去几百万年进化得并不大，这就有助于研究人员能从动植物的现代亲缘关系中推出动植物化石的生长环境。大陆每年以12厘米的速度合并和分离，它们接近上新世时期的现代位置。大陆的分布对气候影响非常大，因为它影响大气环流和洋流。除了因白令海峡敞开和封闭使海平面在冰期上升和下降外，海洋环流最后的主要变化出现在300 ~ 320万年前，即当巴拿马地峡封闭的时候。太平洋和大西洋之间最终被堵塞的赤道水流也许会使温暖的湾流对今天我们熟悉的海平面产生影响。

有化石证据表明：高纬地区在上新世时期就非常温暖。汤普森（Bob Thompson）说，与现代气候条件相比。那时的温度变化非常大。加拿大地质调查局（GSC）的约翰 · 马修斯（John Matthews）和其他研究人员利用植物和花粉的记录，发现在苔原带今天生长着一种北方的森林“泰加群落”（taiga），很多地方还生长着温度适中的铁杉树种。苏联北部某些地区也存在着相似的记录。

从对树叶的大小和对树叶边缘结构的研究发现，树叶是随温度和降水量而变化的，美国地质调查局的杰克 · 沃尔夫（Jack wolfe）估计，上新世时期加利福尼亚和俄勒冈的年平均温度为2 ~ 4°C。但降水量的分布比较复杂。

但是上新世时期地球变暖的大量证据来源于海洋，水质和冰川的融化将成为全球变暖的最引人注目的因素，当多余的水使海平面升高——即当温暖海洋的热膨胀产生某种效应时，这种影响便会遍及全球。气候研究人员推测，如果今天的冰冠全部融化，那么海平面就会升高60 ~ 70米。有迹象清楚地表明：海平面升高冰覆盖量减少在300万年前就开始了。

据哈里 · 多塞特（H. Dowsett）（他领导P RISM的海洋部分）和美国地质调查局的托马斯 · 克罗宁（T. Cronin）的看法，上新世中期的海平面大约比今天的海平面高出35米。他们对美国北部沿海平原上的一条从北卡罗来纳州延伸到佛罗里达州的山脉——“奥兰治堡悬崖”（Orangeburg Scarp）进行了勘测，当海平面升高时，这条山脉受到波浪的侵蚀，表明它处于古代沿岸的位置，而现在这个悬崖却位于内陆。他们认为，这条山脉形成于300 ~ 500万年前的上新世时期。

冰川稀少，海洋温暖

南极冰盾至少有一部分在上新世时期融化了。内布拉斯加大学的戴维 · 哈伍德（David Harwood）在跨越南极的山脉中发现海洋沉积物中有海洋微生物和大体动物的化石，包括海豚的化石。他推测，像地中海或墨西哥湾那样的波涛汹涌的海面在500 ~ 300万年前一定覆盖了南极大陆的一部分。上述海洋沉积物的分布以及所形成的航线，表明了冰只覆盖了南极大陆的高纬地区，大约为现在南极大陆的三分之一。哈伍德说，这与多塞特和克罗宁对上新世中期海平面升高的估计是一致的。其他研究人员认为，冰已在过去1400万年覆盖了整个南极大陆，但哈伍德主张，冰覆盖量在500万年前就减少了，直到250万年前，即当现在的冰盾形成的时候。

克罗宁和其它研究人员用温度计测定了生活在浅海洋底的甲胄鱼类（ostracode），小甲壳动物（Small c-rustaceans）的分布，它们常常以化石的形式保存下来，其中许多物种只是在某一温度下才能生存，这表明当时的深海洋温度适宜于它们在沉积物中生存，它们在北极是特别有用的，此地深海沉积物中的少量岩芯已被搜集起来。克罗宁说，这些甲胄鱼类表明：早期的湾流在350 ~ 300万年期间的影响很大，它产生的冬季温度比今天弗吉尼亚州和马萨诸塞州远离沿岸的温度高5 ~ 8°C。那时的最高温度是在巴拿马地峡封闭时出现的。他又补充说，上新世时期海洋的热梯度比今天海洋的热梯度平缓，而且夏季的海洋温度比美国的大西南更凉爽。

多塞特和普尔用一种不同的方法测定了上新世时期海洋表面的温度，即通过分析深藏于深海岩核之中以前生活在海洋表面的微生物化石而测定出来的。特殊种类的浮游生物只能适宜于狭小的温度范围，因此它们成为最佳的温度计。研究人员发现，大约在310万年前，北大西洋、冰岛南部和爱尔兰岛西部冬季的海洋表面平均温度比今天的平均温度高3.5°C。冰筏上所携带的有机物残渣在215万年前就开始出现了，这表明相当大的冰盾已经在北半球形成。特拉华大学的戴维 · 克兰茨（David krantz）从化石壳中的氧18的比例中计算出沿美国大西洋沿岸平原的海洋温度，他发现，上新世中晚期的高海平面为温暖的温带气候，其温度范围为8 ~ 24°C。接近亚热带温度。现在的温度范围是8 ~ 19°C。

大量对上新世时期气候的早期研究集中在西北大西洋和北美。但对气候，气候模式以及数据的有用分析应该来源于全球。普尔和多塞特已制定了北大西洋大量岩样区的计划。克罗宁同威尔士大学的罗宾 · 沃特利（Robin whatley）共同研究东北大西洋、北海、不列颠群岛和欧洲北部甲胄鱼类记录的相互关系。在今后两年中，这个工程将研究西北太平洋、从西伯利亚到马来西亚以及北极的6个地区。1993年，他们希望勘测太平洋的东北部，其中包括加利福尼亚和南加利福尼亚海岸。

因此看起来三百万年前的全球气候似乎是比较温暖的，且天气和气候区十分不同，这是为什么呢？从现为人们普遍关心的温室气体因素来看，大气中的大量二氧化碳似乎很可能是问题的一个答案。但是可能还存在其它几种使上新世时期变暖的机械作用，如：大陆漂移，海洋环流的变化以及造山运动的变化。上新世时期几种重要的气候变化没有被测定出来，精确的测量结果可能很难证明。得克萨斯州一家应用研究公司的克劳利（T. Crowley）认为二氧化碳是最好的推测。他说，大陆位置和海洋环流中出现的变化极少，山脉的升降不能说明平均温度3 ~ 4°C的总体差别。“上述的排除表明：我们能得出二氧化碳即是上新世变暖的致因的结论”。

合情合理的原因

大气中二氧化碳的含量与过去的温暖期和凉爽斯有关，格陵兰岛和南极洲冰核中所吸收的空气显示：二氧化碳含量在冰盾达到最大值时下降，冰盾融化时又上升。但冰核直到上新世时期决不会逆转，甚至这个数据不能显示二氧化碳含量导致的温度变化。搜集二氧化碳数据的其它方法仍然是成问题的。美国地质调查局伍兹霍尔分局的埃 · 森德奎斯特（E. Sundquist）并不认为，现存的数据能提供是否变暖的上新世气候与较高的二氧化碳浓度相关的信息，他希望广泛利用活塞取芯器来采集海洋沉积物标本，这样或许能获得关于海洋和大气中碳分布的令人信服的数据。

克劳利建议用热带海洋中的数据来验证二氧化碳假说。普通气候模式预测，二氧化碳增加一倍应该使热带海洋的温度升高1 ~ 2℃，这一变化应该在上新世时期海洋沉积物的同位素记录中发现。但是他推测，即使上新世时期的二氧化碳增加了一倍，也不能预测我们的未来气候，过去二氧化碳的含量一定差不多同气候处于平衡状态，而现在人们正在把大量二氧化碳放入大气中，使复杂的反应变化非常快，于是控制了气候。计算机模拟假设，气候与大气中的二氧化碳处于平衡状态，而深海洋和冰盾却需要很长时间，可能需要几千年的时间才能追上。深海洋可能把人类在几千年内制造的大量二氧化碳吸收掉了，但对冰盾而言需要的时间太短以至于不能达到平衡。气候在过渡时期的变化差异很大，可能会使人产生误解。有些气候模式预测，南极的冰也许在最初就形成了，因为二氧化碳增加，温度升高，因而产生的沉淀作用将超过正常的干冰冠。只是在很长的一段时间里才能使温度升高，使冰融化。上新世时期的数据可能会帮助我们评价计算机模式。但是正像克劳利说的那样：“地球将来会变成什么样子并不像我们认为的那样。”

正像克劳利强调的那样，上新世时期没有提供一个观察“温室”地球的窗□，地质记录是不完全的，气候的时间变化和重要的指示物不充分。例如：只能把温度和降水量测定出来。但是上新世时期的数据——地球变暖的有价值的证据将在研究全球变暖的过程中发挥作用。

上新世时期prism工程的最重要作用之一，是要测定温室地球大气环流模式的价值。天气预报的模式正是建立在今天和过去几百年气候变化的基础上，在温差几度的情况下，冰的覆盖量或风的类型十分不同，因此一些研究人员想知道这种模式是否可应用；另一个问题是，全球不同地区将如何适应于这种变暖。特殊的地区变化是否将依赖于临界条件或温度升高的原因。除了有助于研究人员确定上述问题的答案外，上新世时期的PRISM工程还会显示某种温暖的气候是怎样影响生物圈的，怎样更好地同计算机模拟的预测相比较。

[New Scientist，1990年12月1日]