发表在《自然》杂志上的两项新研究揭示了一个令人惊讶的模式。虽然地球在此期间逐渐变冷，但大气中吸热温室气体的水平仅略有下降。
一个长期的气候谜团
一个多世纪以来，科学家们一直知道大约300万年前地球明显更温暖。证据包括在阿拉斯加和格陵兰等地发现的温带和亚热带森林化石，以及从佐治亚州到弗吉尼亚州的美国东海岸沿线发现的古海岸线，表明当时海平面要高得多。
然而，这一温暖时期及其随后的变冷背后的原因尚不清楚。一个主要挑战是难以准确重建如此久远的全球温度和温室气体水平。
在南极寻找最古老的冰
这项新研究来自美国国家科学基金会最古老冰层探索中心（简称COLDEX），这是一个由俄勒冈州立大学领导的合作项目。该团队致力于定位和分析地球上一些最古老的冰层。
这些研究由俄勒冈州立大学的博士生朱莉娅·马克斯-彼得森和在普林斯顿大学担任博士后研究员期间进行此项工作、现任伍兹霍尔海洋研究所教授的莎拉·沙克尔顿领导。他们检查了从艾伦丘陵回收的古冰，这是东南极冰盖边缘的一个独特区域。
与典型的冰芯地点不同，艾伦丘陵的冰层因冰盖内部的运动而被推高和扭曲。这破坏了原始层理，因此研究人员获得的不是连续的时间线，而是过去不同时间点气候条件的“快照”。
“这些快照将来自冰层的气候记录延伸到了比以前可能的范围更远的地方，”COLDEX主任、俄勒冈州立大学地球、海洋和大气科学学院古气候学家埃德·布鲁克说。“这些更长的记录现在也提出了关于地球气候演化以及我们利用冰芯数据能够追溯到多久以前的新问题。”
封存气体揭示的海洋变冷
其中一项研究利用封存在气泡中的稀有气体的测量值来估算海洋温度随时间的变化。这些气体提供了海洋状况的全球信号。
结果显示，在过去300万年中，平均海洋温度下降了约2至2.5摄氏度。虽然早期研究记录了海洋表面的变冷，但这项研究发现表层水和深层水的变冷时间存在差异。
“冰中的稀有气体提供了一种观察海洋温度变化的独特方法，”沙克尔顿说。“其他方法可以提供单一地点的海洋温度信息，但这提供了一种更具全球性的视角。”
大部分整体变冷发生得较早，始于约300万年前并持续了约100万年。这一时期与北半球大冰盖的形成相吻合。相比之下，海洋表面温度下降得更为平缓，直到约100万年前。研究人员认为，这种差异可能与热量在海洋表面和深处之间移动方式的变化有关。
温室气体水平仅显示轻微变化
利用相同的冰样本，马克斯-彼得森和她的团队得出了跨越过去300万年的二氧化碳和甲烷水平的首次直接测量结果。
他们的发现表明，在此期间二氧化碳水平通常保持在300 ppm（百万分比）以下。约270万年前，水平约为250 ppm，随后在100万年前略微下降了约20 ppm。甲烷水平保持在约500 ppb（十亿分比）。
一些基于古沉积物的早期估算表明二氧化碳水平较高，但结果各异。这突显了将冰芯记录进一步向过去延伸以提高准确性的重要性。
相比之下，今天的温室气体水平要高得多。根据美国国家海洋和大气管理局的数据，2025年二氧化碳平均为425 ppm，而甲烷达到1,935 ppb。
不仅仅是温室气体塑造了地球气候
研究结果表明，仅靠温室气体并不能完全解释长期的变冷趋势。其他因素可能发挥了重要作用，包括地球反射率的变化、植被和冰盖范围的变动，以及海洋环流的变化。
“我们希望这项工作能完善我们对过去温暖气候的看法，并加深我们对地球系统不同要素如何相互作用的理解，”马克斯-彼得森说。
更古老的冰可能蕴含更多答案
这项研究已经引发了新的问题。参与COLDEX的科学家们正在继续探索更古老的冰样本，以将气候记录推向更久远的过去。
研究人员最近在一个冰芯底部发现了可能有600万年历史的冰层，目前正在分析这些样本。新的钻探工作也在进行中，以寻找更多古冰。
科学家们正在努力改进重建二氧化碳水平的方法，研究封存在冰中的其他气体，并更好地理解极古老的冰是如何保存的。这些努力有助于确定未来钻探的新地点，并进一步扩展地球气候历史的记录。
COLDEX得到了NSF极地项目办公室、NSF综合活动办公室的科学技术中心项目以及俄勒冈州立大学的支持。南极的实地工作由美国南极计划支持并由NSF资助。冰钻支持由NSF美国冰钻项目提供，冰样本管理由位于科罗拉多州丹佛市的NSF冰芯设施提供。