到2100年，海洋可能擁有足夠的碳來發動第六次大規模滅絕物種，數學預測（更新）

中國梅山沉積岩。這些岩石包含緊鄰地球最大規模滅絕之前的碳循環中的干擾特徵。

在過去5.4億年的時間裡，地球已經經歷了五次大規模的滅絕事件，每個事件涉及到通過大氣和海洋正常循環碳的過程。這些全球致命的碳的擾動分佈在數千到數百萬年之間，與世界各地廣泛的海洋物種滅絕相吻合。

許多科學家的問題是，碳循環是否正在經歷一個重大的顛簸，可能使地球第六次大規模滅絕。在現代，二十一世紀二氧化碳排放量穩步上升，但破譯了近期碳排放量是否可能導致大規模滅絕事件一直面臨挑戰。這主要是因為將古代碳異常（發生在數千到數百萬年）難以將其與僅僅一個多世紀以來發生的今天的破壞相聯繫。

現在，麻省理工學院地球與大氣與行星科學系地球物理學教授，麻省理工學院洛倫茲中心聯合主任丹尼爾·羅斯曼分析了過去5.4億年的碳循環變化，包括五次滅絕事件。他確定了碳循環中的“災難的極限”，如果超過這個環境，會導致環境不穩定，最終導致大規模的滅絕。

在“ 科學進步”雜誌發表的一篇論文中，他提出如果跨越兩個閾值之一發生大規模滅絕：對於在長時間尺度上發生的碳循環的變化，如果這些變化以比全球生態系統適應的速度更快地發生，則會發生滅絕。對於在較短時間尺度上發生的碳擾動，碳循環變化的步伐將不重要; 相反，變化的大小或大小將決定滅絕事件的可能性。

Rothman預測，由於二氧化碳排放量在較短的時間內最近出現上升，第六次滅絕將取決於是否向海洋添加臨界量的碳。他估計，這個數字約為310吉他，估計大概相當於2100年前人類活動將增加到世界海洋的碳量。

這是否意味著大規模滅絕將在本世紀之交不久就會落後？羅斯曼說，這需要一些時間 - 大約1萬年 - 這樣的生態災難才能發揮出來。不過，他說，到2100年，世界可能已經陷入“未知的領土”。

“這不是說第二天發生災難，”羅斯曼說。“這就是說，如果不加以控制，碳循環將進入一個不再穩定的領域，並且行為將難以預測。在地質過去，這種行為與質量有關滅絕“。

歷史遵循理論

羅斯曼先前曾經在二疊紀滅絕事件方面做了工作，二疊紀滅絕是地球歷史上最嚴重的滅絕事件，其中大量的地球系統的碳脈衝涉及全世界95％以上的海洋物種。此後，與同事的對話促使他考慮到第六次滅絕的可能性，提出了一個基本問題：

“你怎麼能真正比較這些偉大的時間表中發生的地質過去的這些偉大的事件，今天發生了什麼，這是幾個世紀以來最長的？” 羅斯曼說。“所以我坐了一個夏天，試著考慮一下如何有系統地這樣做。”

他最終得出了一個基於基本物理原理的簡單數學公式，它將碳循環中的臨界速率和變化幅度與緩慢變化分離的時間尺度相關聯。他假設這個公式應該預測是否會發生大規模滅絕或其他一些全球性的災難。

然後，羅斯曼問，歷史是否遵循他的假設。通過搜索數百份已發表的地球化學文獻，他在過去5.442億年中確定了31個事件，其中地球碳循環發生了重大變化。對於每個事件，包括五次大規模滅絕，羅斯曼指出，碳的變化，在地球化學記錄中表示為兩個同位素碳12和碳13的相對丰度的變化。他還注意到發生變化的時間。

然後，他設計了一個數學轉換，將這些數量轉化為在每次事件期間添加到海洋中的碳總質量。最後，他繪製了每個事件的質量和時間尺度。

Rothman說：“很明顯，系統基本上不喜歡過去的特徵變化率。

換句話說，他觀察到一個共同的門檻，31個事件中的大多數似乎仍然在下。雖然這些事件涉及碳的重大變化，但它們相對較為溫和 - 不足以破壞系統的災難穩定。相比之下，五個大規模滅絕事件中有四次超過了門檻，最嚴重的二疊紀最終滅絕是最遠的。

“那麼這就成了一個弄清楚它的意思的問題，”羅斯曼說。

隱藏的洩漏

經過進一步的分析，羅斯曼發現災難的臨界率與地球自然碳循環中的隱藏過程有關。該循環本質上是光合作用和呼吸之間的循環。通常，循環中存在一個“洩漏”，其中少量的有機碳沉入海洋底部，隨著時間的推移被埋藏成為沉積物，並與碳循環的其餘部分隔絕。

羅斯曼發現，臨界率相當於堵塞洩漏造成的二氧化碳過剩生產率。注入循環中的任何額外的二氧化碳不能被循環本身描述。相反，一個或多個其他過程將碳循環帶入不穩定的領域。

然後，他確定臨界速率僅適用於海洋碳循環在受到干擾後可以重新建立均衡的時間尺度之外。今天，這個時間表大約是1萬年。對於更短的事件，臨界閾值不再與將碳添加到海洋而是碳總質量的速率相關。這兩種情況都會使碳過量通過海洋和大氣循環，可能導致全球變暖和海洋酸化。

世紀的極限

從臨界速率和平衡時間尺度來看，羅斯曼計算了現代煤炭的臨界質量約為310吉瓦。

根據政府間氣候變化專門委員會最近的報告，他預測，到2100年，他將預測與預計相加到地球海洋碳總量。IPCC預測考慮了四個可能的二氧化碳排放途徑，從與限制二氧化碳排放的嚴格政策相關的二氧化碳排放量到另外一個與高範圍情況有關的二氧化碳排放量也沒有限制。

最好的情況是，到2100年，人類將向海洋增加300吉瓦的碳，而在最糟糕的情況下，將增加超過500吉加哥，遠遠超過臨界閾值。在所有情況下，羅斯曼表示，到2100年，碳循環將接近或遠遠超過災難的門檻。

“應該有回拉的方法[排放碳的二氧化碳]，”羅斯曼說。“但這項工作指出了為什麼我們需要小心的理由，而且還有更多的理由來研究過去，以通知現在。”