几千万到数亿年前地球的温度是多少？地球经历了不同的时期，有些有广泛的极地冰盖，有些则完全没有冰。估算过去的全球温度对于了解地球上生命的历史、预测未来的气候以及更广泛地为寻找其他宜居行星提供信息非常重要。然而，对于地球温度是否随着时间的推移而整体下降，一直存在重大分歧。在近日发表的一篇文章中，Judd等人通过将气候模型与地质数据相结合，对过去4.85亿年的地球温度进行了新的重建。与一些估计相反，他们得出结论，全球暖期保持在相似的温度范围内。这证实了最近从不同地质样本的大量数据汇编中得出的预测，建立了更广泛的共识。
极地冰盖留下了地质学家可以恢复的独特地质证据，这使得我们能够绘制出这些冰冻地区在显生宙（动植物进化的最后5.4亿年）的范围。这一记录显示了有大型永久冰盖的“冰库”时期和没有冰盖的“温室”时期之间的循环。今天的地球是一个冰库，在过去的3400万年里一直如此。目前的平均表面温度约为15°C。但是，以前的冰库时期也在这个温度下吗？温室时期有多热？了解地球过去的温度有助于我们更好地了解未来的气候变化，但测量它很困难。冰盖的位置取决于大陆的位置，而大陆的位置随着时间的推移发生了很大变化。稀疏的地质记录导致对过去冰川作用的时间和范围的频繁修订。
在地质时间内精确测量温度的一种方法是使用两种不同的氧同位素的比率，氧是地壳中最常见的元素。大多数氧原子有八个质子和八个中子。但少数氧原子具有不同数量的中子。一种天然存在的氧同位素有10个中子，因此比其最丰富的形式重量更重。许多海洋生物将氧气吸收到它们的外壳或其他身体部位。它们外壳中的同位素比率——较重原子与较轻原子的比率——取决于当地海水的温度（较高的温度有利于较轻同位素的比例更大），并已被用于重建地质时间内全球温度的变化。
基于这一观察，作者消除了海水同位素组成变化带来的偏差，并对地球温度随时间的变化做出了新的估计。作者发现，20亿年前的海水温度可能与最近历史时期的记录相似。因此，显示早期地球极端温度约为70°C的模型似乎不太可能，地球上复杂生命的进化似乎不是地球长期冷却的结果。
尽管这些发现令人兴奋，但根据氧同位素比值重建地球的长期平均温度仍然存在不确定性。该方法仅记录当地海水温度。例如，生活在极地地区的早已死亡的生物体的外壳会记录与同时生活在温暖热带地区的生物体不同的温度。这两个估计值都无法准确匹配当时的全球平均温度。之前的研究经常绘制热带地区的同位素比值，只是为了避免这种偏差。
值得兴奋的是，本文为这项任务带来了一种强大的新工具：数据同化。他们将过去4.85亿年不同全球温度下的大量气候模型模拟与氧同位素数据集以及其他不太频繁采样的温度指标（如温度敏感的有机分子）相结合。结合模型和地质数据，作者能够解释预测温度的区域变化。例如，将极地地区的样本与同一地区的气候模型预测进行了比较。这可以更准确地估计地球随时间的全球平均温度。
新的显生宙温度记录显示了一系列凉爽和温暖的气候，这与已知的冰盖扩张和退缩大致一致。它还揭示了与之前的温度估计相比的一些关键差异。早期仅使用热带氧同位素比率的研究预测，在过去5亿年中，温度会长期下降，这表明早期的温室时期比最近的时期更温暖。本文的新重建不同意这一观点，而是预测温室时期的温度范围相似。鉴于已有的研究对原始地球的类似温度预测，这一发现表明地球拥有一个全球气候调节系统，使温度保持在特定范围内。一个被广泛接受的假设是，火成岩与水和大气二氧化碳（CO2）的反应有助于限制长期气候变化的程度。这一过程缓慢地从大气中去除二氧化碳，并在气候变暖时放大。它也被用作一种地球工程方法，试图对抗人为排放。因此，欢迎进一步确认气候调节系统。
然而，这一新的显生宙温度记录揭示了一些潜在的问题。该模型预测温室时期的温度通常比地球长期碳循环模型中的温度高。因此，可能需要在很长一段时间内重新评估地球的碳气候系统，以缩小这一差距。此外，海水氧同位素变化的问题尚未完全解决。用于纠正这一点的氧化铁数据集很稀疏。尽管有足够的数据点可以得出结论，同位素比率在过去数十亿年中很可能发生了变化，但过去5亿年的变化量尚不清楚。即使海水氧同位素的微小变化也会对作者使用的数据同化方法进行的温度预测产生很大影响。需要更多的数据来限制这种影响，并且必须继续开发不依赖于氧同位素的地球温度替代重建方法。
将未来可能出现的温室气候与过去的气候进行直接比较仍然很困难，因为这些温暖时期是在数百万年的时间里逐渐形成的。然而，它们是温室气候的唯一证据，对于测试气候模型的准确性至关重要。关于地球生物圈的热极限以及温度变化在更复杂生命形式进化中的作用的更基本的科学问题也出现了，对过去温度的更好理解将有助于回答这些问题。这将有助于评估长期温度变化背后的驱动过程以及稳定或破坏地球气候的自然机制。
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