10.2 古氣候簡史

地球的年齡約有四十六億年，渺遠的時代中有著與今日迥然不同的古氣候狀態，是由於古往的大氣成份、海洋化學及海陸佈局與今相異，以下是一段簡明的歷史巡禮，概述古氣候變遷史（見圖10-1之時間表）：

1. 四十六億至二十五億年前，日照量低，溫室氣體含量高，無冰川。

2. 二十五億年前，首次出現了冰河。

3. 二十二億至九億年前之間，溫室氣體含量漸降，低日照，無冰川。

4. 九億至六億年前（晚前寒武），出現至少三期的冰河時代。

5. 六億至一億年前（古生代至中生代），氣候大致溫和，有兩次主要的冰川發育，一在奧陶－志留紀，另一為石炭－二疊紀，儘管當時二氧化碳含量甚高，冰川之發育或與岡瓦納大陸（Gondwanland）和盤古（Pangaea）大陸之巨大無朋有關，大陸中心之夏季炎熱乾燥。

6. 一億年前至五千萬年前間，（100∼50Ma），無冰川發育，中白堊紀（100Ma）常被用來當作「無冰川世界」的標準狀態，進行古氣候模型測試。

7. 五千至三百萬年前間（50∼3.0Ma），溫度逐漸下降，南極冰原形成。板槐運動所造成陸塊的移動，引起海洋環流的變化似乎是長期氣候變化的主因。青藏高原及北美西部高山隆起影響了北半球中緯地帶的大氣環流，海洋中熱能傳導也曾有重要變化，早第三紀（Paleogene，65∼26Ma）海水性質以鹽度差異為主，行成「鹽動環流」（halokinetic circulation），與現今的「溫鹽環流」（thermohaline circulation）不同。CO₂的含量是現今的兩倍。這段期間中，有幾次重要的古洋事件，顯示全球氣候系統能在短時間內，從某一均衡狀態跳到另一狀態。這幾次古海洋事件多與兩極冰原的發育與擴張有關，記錄顯示，四千萬年及六百萬年前南極冰原有大規模的增長，北極冰原則在二百四十萬年前形成。冰原的消長，及伴隨的反照率效應（albedo），及海流溫鹽穩定度（thermohaline stability）等都是古氣候變遷的重要控制因素。

8. 北極冰原自二百四十萬年前形成以來，表現了多次消長，其變化的幅度在九十萬年前突然增大許多，並以十萬年為主要的週期消長，形成所謂冰期與間冰期旋回（圖10-2.e）。大部份的時間中冰原覆蓋的範圍均遠大今日，僅有10％的時間與現在一樣。約十二萬五千年前，溫度可能稍高於現在，冰原面積較小，海水面平均高於現在五公尺左右，就全球暖化的研究而言，十二萬五千年前的地球狀態提供了一組極為重要的邊界狀態，供我們探索地球繼續暖化所可能造成的後果。

9. 一萬八千年前，冰原的發育到達極致，故稱之為上次冰期最盛期（Last Glacial Maximum，簡稱LGM）（圖10-2.d），當時大氣中二氧化碳的分壓約為195ppm，是現在的1/2，或工業革命前二氧化碳濃度（280ppm）的2/3。甲烷（CH₄）的濃度（0.4ppm）約為工業革命前之1/2（圖10-4）或現今濃度（1.7ppm）之1/4。海表及陸表的溫度比今日低，但學者各有十分相異的估計，互相抵觸，正是目前學界致力研究的重點。對LGM的古氣候模擬，在熱帶地區有許多矛盾不調之處，亟待進一步研究。

10. 一萬二千年前全球已進入明顯的冰融期（deglaciation），至九千年前，完全進入間冰期，故從一萬年前迄今又稱現世（Recent）或全新世（Holocene）。然而在一萬一千年至一萬零五百年之間有一次短暫的回冷期，冰川再度擴張，海水面再度下降，地質學家命名為新仙女木事件（Younger Dryas Event）（圖10-2.c）。這個短暫、迅捷的回冷事件，顯示地球氣候系統的易變性及變化的幅度，亦是近年古氣候研究的要課題。

11. 九千年前溫度開始與現今類似，南亞季風（monsoon）增強，七千二百至六千年前溫度較高，是所謂全新世最暖期（Holocene Hypsithermal）（圖10-2.c）。

12. 過去一千年中的詳細古溫記錄顯示（見第二章），仍有以十年至一百年週期的溫度起伏，公元一千四百∼一千八百五十年之間，全球溫度皆較現今為低，稱為小冰期（Little Ice Age），太陽照射強度的降低，溫鹽環流的週期性震盪，及較盛的火山噴發或許是造成小冰期的原因（圖10-2.b）。

總結而言，日照強度對超長期（億年為單位）的氣候變遷有決定性角色，地球的早期因為溫室氣體含量高，補足了低日照的效應，使得早期的地球溫度相當溫暖，僅有特定的幾個時間有冰川發育。

就千萬年的時間尺度而言，海陸佈局等古地理因素及二氧化碳含量控制了地表溫度的變化。在百萬年（106 yrs）之時間尺度上，地殼構造運動（如大山脈之隆起）及長週期的地球軌道的變化，似乎更為重要，然而各種古氣候重大變化的原因仍費猜疑。

在更短時間尺度上，即千年至十萬年（103∼105 yrs）的氣候變化，是受到地球繞日軌道的週期變化，亦即所謂米蘭克維契週期（Milankovich cycles）之地外營力為主要控制，伴隨著地球氣候體系內部CO₂消長的回饋機制，這是目前古氣候研究中比較確定，有高度預測能力的部份。

我們最關心的短時間尺度，即一年至百年（100∼102 yrs）的氣候變化，則受到太陽照射強度，火山噴發及氣候體系內部的回饋機制所操控。