普林斯顿大学对环境问题的重要研究在今天和将来都将是解决人类一些最棘手问题的关键。我们的影响力建立在长期、深入、广泛的个人奉献、智慧领导、坚持不懈和创新的基础之上。本文是普林斯顿大学过去半个世纪在环境方面卓越成就系列的一部分。
进入盖约大厅的正门，这是普林斯顿地球科学系拥有111年历史的建筑。穿过玻璃标本箱和大厅里标志性的地球模型，前往M56房间。在一排排的重型雪地靴和笨重的风雪大衣之外，有一个步入式冰箱，里面存放着一些现代气候科学中最珍贵的文物:从南极洲采集的古代冰芯。这是迄今为止收集到的最古老的冰芯，距今已有200多万年。
约翰。希金斯
“在过去的60多年里，冰芯已经提供了我们所掌握的最好的证据，证明二氧化碳与地球气候有关。”约翰·希金斯(John Higgins)说，他是2019年回收冰芯小组的项目负责人，也是一位地球科学副教授。
他说:“当我们经历冰河时期时，大气中的二氧化碳含量明显低于今天，而每次我们没有经历冰河时期时，大气中的二氧化碳含量都很高——这一切都是从冰芯中得知的。”“我的团队正在通过把这个记录更早地往前追溯，为这个谜题做出贡献。”
地球科学系主席、威廉姆·辛克莱地球科学教授、普林斯顿环境研究所(PEI)的贝斯·沃德(Bess Ward)说，冰芯研究是普林斯顿在过去半个世纪里全面研究气候科学的一个标志。“有一种说法是地球科学家坚信的，那就是‘现在的关键是过去，而未来的关键是现在，’”她说。“如果我们能理解过去，我们就能理解未来。”
贝斯沃德
50多年来，普林斯顿大学的研究人员一直在这样做。他们将气候知识的边界向后推到了一系列的关键问题上。例如，普林斯顿大学的气候模型师开发了世界上第一个海洋-大气耦合模型，利用物理定律和当前的地球条件来开发数学算法，可以预测地球气候在未来如何对不同条件作出反应，并了解过去是什么推动了气候变化。普林斯顿大学的海洋学家和野外地质学家将数据汇集到模型中，他们遍布全球，了解海洋和生态系统的现状。古气候学家一直在使用化石、花粉记录、冰芯和其他工具来研究全球气候在地球漫长的历史中是如何变化的。
脚踏实地的理论
理论和观察的结合是至关重要的。领先的气候建模专家、地球科学和PEI教授加布里埃尔·维奇(Gabriel Vecchi)说，“脚踏实地，船在水中”的重要性怎么强调都不过分。他说，像他自己这样的现代气候建模者从“就在大厅里”工作的地质学家和海洋学家收集的直接观察中获益。
加布里埃尔Vecchi
韦基说:“我们可以有伟大的理论来做出非常好的预测，但我们需要测试这些预测，而你只能通过观察来测试这些预测。”“与此同时，我们放入模型的基本过程必须从某种经验基础上发展起来。所以，在建立模型的前端和后端，你都需要有很强的观测参与。”
塞缪尔·g·h·“乔治”·菲兰德(Samuel G.H. ” George ” Philander)是普林斯顿大学的一位深入研究理论和观察的学者，他以研究热带海洋而闻名。他对反复出现的拉尼娜天气模式的发现，以及他在有关厄尔尼诺现象方面的开创性工作，极大地提高了科学家对这些巨大气候波动的理解。这些知识反过来又帮助政府和经济规划者为其影响做好准备。
塞缪尔·g·h·”乔治”·菲兰德
菲兰德现在是诺克斯·泰勒地球科学的名誉教授，他还帮助组织了一个长达十年(1985-1994)的国际观测项目，称为TOGA，即热带海洋全球大气。TOGA的设计是为了测试热带地区“海洋-大气耦合系统”的新兴理论，并为未来的海洋观测系统铺平道路。它还改进了全球气候模型的模拟。
韦基说:“乔治对我们形成‘厄尔尼诺’现象的基本认识起了至关重要的作用。‘厄尔尼诺’是气候系统中最大的年度波动。”几百年来，厄尔尼诺一直被认为是一种海洋现象，它使秘鲁海岸附近的海水变暖，并改变了降雨和其他气候模式。菲兰德帮助科学家把它从一个纯粹的海洋事件转变为一个依赖于海洋-大气耦合系统的事件——地球上相互联系和相互依赖的水和空气。
韦基说:“这是我们观察这些流体方式的一个根本性转变。”“我们意识到，必须同时理解海洋和大气。”
Syukuro Manabe
现代气候模型的创始人之一Manabe Syukuro“Suki”对这一理解也至关重要。1969年，他和海洋学家同事Kirk Bryan一起创建了第一个海洋-大气耦合计算机模型。马那比和布莱恩都是普林斯顿大学的教授，同时也在普林斯顿福雷斯特校区的地球物理和流体动力学实验室(GFDL)担任职务。Manabe说:“这种耦合模型的改进版本不仅对于预测当前工业的气候变化，而且对于探索过去的地质气候都是必不可少的。”
Manabe解释说，通过改变条件(例如，大陆的分布，二氧化碳的浓度)，建模者可以在预测未来的同时重建过去的时代。将气候模型与古气候(古气候)进行对比测试，是气候模型师测试其算法的关键方式之一。
冻结的时间
在Guyot Hall的冰核中，除了这个有几百万年历史的记录之外，还有许多样本。在过去的半个世纪里，人们辛苦地收集了这些又长又窄的圆柱形冰川冰，这些冰中点缀着微小的气泡，就像蜻蜓被困在琥珀里一样。这些被困住的气泡是如何形成的?当雪花落下时，它会产生空气囊，当雪压缩成冰时，这些囊就变成了时间胶囊，里面装着远古的空气、大气中存在的气体，甚至还有微小的花粉或火山灰颗粒——这些都是过去气候的线索。
希金斯说:“对于试图重建过去环境的人来说，没有什么比古代空气或古代水样本更好的了。”希金斯一直在打破自己发现的最古老的冰样本的纪录。“除了被困的空气，还有冰本身，它提供了当时的气候记录。”
希金斯说，由于冰芯代表的是过去的真实碎片，而不是化石替代品，因此它们被认为是古气候研究的“黄金标准”。气候科学家通过测量这些古代样本中的气体和同位素，建立了地球温度和二氧化碳水平的记录。连续的记录可以追溯到大约80万年以前，而希金斯发现的更早的样本提供了更早时代的快照。
迈克尔·本德
普林斯顿大学在冰核研究方面一直处于领先地位;希金斯来到这所大学，与该领域的创始人之一迈克尔·本德(Michael Bender)共事。本德现在是地球科学的名誉教授。本德对研究古代冰进行了许多必要的创新，包括用气泡中的氩同位素计算冰的年龄的革命性方法。
“事实上，迈克尔在目前几乎所有关于冰核气体的活动的发展中发挥了核心作用，几乎独自一人训练了该领域最杰出的研究人员，”2014年本德退休时，他的同事说。“我们可以明确地说，他一直处于这一前沿领域的最前沿，”希金斯表示赞同。
在过去的几十年里，本德是将这一记录推回40万年前的科学家之一，其中包括几个冰期周期。随着希金斯和他的团队继续本德的工作，他们首先在2015年提取了100万年的地核，然后在2019年提取了200多万年的地核。
该团队将在下一季返回，寻找更古老的样本。他们的目标是找到270万年前比现在高1-2摄氏度的远古大气冰冻气泡——气候科学家经常引用这个时期作为21世纪地球气候的可能类比。希金斯解释说:“这种年份的冰为研究人员提供了当时大气温室气体的第一个直接证据，也让他们对地球气候系统的许多重要方面有了前所未有的了解。”
“重建过去的地球气候，研究未来的气候变化——这是解决同一问题的两种互补的方法，”希金斯说。
海洋在气候中的作用
丹尼尔·西格曼
冰芯气泡可以显示二氧化碳、甲烷和其他温室气体在暖期增加，在冰期减少，但他们不能说为什么会发生这种情况。要想弄清楚这一点，就需要从不同角度检查碳循环。
在希金斯看来，“理解碳循环涉及到我们所有不同的天赋。他引用了海洋学家贝丝沃德(Bess Ward)和丹尼尔西格曼(Daniel Sigman)的研究成果。沃德带领学生和其他研究人员前往世界各地的关键地点，调查全球海洋的氮和碳循环。西格曼的研究小组还对海洋沉积物岩心的化石进行了新的测量。研究结果揭示了过去海洋环境的变化如何改变了海洋中二氧化碳的储存，从而改变了大气中二氧化碳的水平，进而改变了全球气候。
沃德说:“丹尼·西格曼的研究一直处于了解古代海洋的前沿。”“我指的是过去海洋的循环、生物和化学条件。了解过去的海洋是我们了解未来海洋的唯一途径。因此，如果我们了解海洋环流如何对全球温度变化、温度分布或冰的分布做出反应，那么我们就能很好地预测冰盖融化时会发生什么。”
为了研究世界上的海洋，过去和现在，沃德和西格曼依靠精密的船上仪器和回收工具，这些工具深埋在海洋表面之下，远远低于水肺潜水者所能达到的水平。
“深海就是海洋，”杜森伯里的地质和地球物理科学教授Sigman强调说。在全球范围内，海洋的平均深度约为3657米(12000英尺)，而“表层海洋”通常定义为最高100米(330英尺)。
“海洋表面就像一层薄薄的皮肤，”他说。“它是与大气交界的地方，也是大多数海洋生物的栖息地。这是至关重要的，但海洋体积的最大部分是深海。所以问题就变成了，全球变暖产生的热量和化石燃料燃烧产生的二氧化碳能以多快的速度进入深海?”
测量海洋
沃德及其同事领导的远洋航行必然受到时间和空间的限制，但普林斯顿大学的研究人员在不断发展的远程数据收集领域也一直处于领先地位。
Jorge Sarmiento
乔治·菲兰德协助组织的托加计划中的观测浮体船队，为南大洋碳和气候观测与建模项目(SOCCOM)铺平了道路。SOCCOM是一个多机构参与的项目，总部设在普林斯顿，由美国国家科学基金会资助。它使用了150多个浮动数据收集器来确定南大洋——环绕南极洲的海洋——是如何影响世界气候的。该项目由生物地球化学家豪尔赫·萨米恩托(Jorge Sarmiento)指导，他是乔治·j·马吉(George J. Magee)地球科学和地质工程的名誉教授。
在20世纪80年代，Sarmiento和GFDL的科学家J.R.“Robbie”Toggweiler是同时发现南大洋在控制大气二氧化碳水平方面重要性的三个研究小组之一。由于这项工作的开展，数据的缺乏阻碍了人们对这一重要但偏远地区的了解。西格曼说，SOCCOM项目是一个“改变游戏规则的项目”，即使在最严酷的冬季条件下也能获取数据。萨米恩托关于南大洋的发现激发了希金斯和西格曼的灵感，他们一直在研究南大洋，试图解释过去大气二氧化碳和气候的变化。
沃德说，普林斯顿大学在海洋研究方面的深厚实力并非偶然。“气候作为环境研究的一个子集，是我们所做的所有研究的一个激励因素，”她说。他说:“全球变暖之所以没有达到4摄氏度甚至更高，是因为人类排放的二氧化碳有相当大一部分现在在海洋中。因此，海洋的生物地球化学对于理解全球的生物地球化学至关重要。”
几十年来，萨米恩托是世界上唯一的生物地球化学家之一——“我有点像个孤儿，”他开玩笑说——直到越来越多的科学家开始认识到自然科学是如何相互关联的。
西格曼说:“如果你想研究自然世界，你必须在物理学、化学、生物学和地球科学的交叉领域进行研究。”这就是名字背后的玄机:生物地球化学。最初吸引我从事这项工作的原因是，我不想把这些学科抛在身后——而且我也没有必要这么做。”
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