这些主要的气候状态持续了数百万年，有时甚至是数千万年，在每一个气候状态中，气候都显示出与地球绕太阳轨道的变化相对应的节律性变化。但每种气候状态对轨道变化都有不同的反应，与不同气候状态之间的剧烈变化相比，轨道变化导致的全球温度变化相对较小。

这项新发现发表在9月10日的《科学》杂志上科学是数十年的努力和大规模国际合作的结果。挑战在于在足够精确的时间尺度上确定过去的气候变化，以观察轨道变化(地球绕太阳轨道的离心率和旋转轴的进动和倾斜)所导致的变化。

“我们早就知道，冰期-间冰期的周期是由地球轨道的变化来决定的，这改变了到达地球表面的太阳能的数量，天文学家一直在计算这些轨道的变化，”共同作者詹姆斯·扎克斯解释说，他是地球和行星科学的杰出教授，也是加州大学圣克鲁斯分校海洋健康的伊达·本森·林恩教授。

“当我们重建过去的气候时，我们可以很好地看到长期的粗略变化。我们也知道，由于轨道变化，应该有更精细的节奏变化，但很长一段时间以来，人们认为不可能恢复这种信号，”Zachos说。“既然我们已经成功地捕捉到了自然气候的变化，我们可以看到，预计的人为变暖将比这大得多。”

在过去的300万年里，地球的气候一直处于冰川期和间冰期交替的冰窖状态。现代人类在此期间进化，但温室气体排放和其他人类活动正在将地球推向自始新世以来从未见过的温室和温室气候状态，始新世大约在3400万年前结束。始新世早期，没有极地冰盖，全球平均气温比现在高出9到14摄氏度。

扎克斯说:“IPCC预测，在‘一切照旧’的情况下，到2300年，全球气温可能会达到5000万年来从未见过的水平。”

编纂新气候记录的关键是通过国际海洋钻探计划(ODP，后来的综合海洋钻探计划，IODP, 2013年由国际海洋发现计划成功)从深海盆地获得高质量的沉积物岩心。过去气候的特征记录在海底沉积物中保存的微小浮游生物(称为有孔虫)的外壳中。在分析了沉积物岩心之后，研究人员必须通过将沉积层中记录的气候变化与地球轨道的变化(称为米兰科维奇周期)相匹配，来开发一种“天体年代学”。

“这个群体在20世纪90年代中期想出了如何将这种策略扩展到更早的时间间隔，”扎克斯说，他领导了2001年发表在《科学》杂志上的一项研究科学显示了从渐新世到中新世，大约2500万年前，500万年期间气候对轨道变化的反应。

他说:“这改变了一切，因为如果我们能做到这一点，我们知道我们可以一直追溯到大约6600万年前，把这些短暂的事件和地球气候的主要转变放在轨道尺度变化的背景下。”

Zachos与德国不来梅大学海洋环境科学中心(MARUM)的主要作者Thomas Westerhold合作多年，该中心拥有大量沉积物岩心。不来梅实验室和加州大学圣迭戈分校的Zachos小组为记录的旧部分生成了许多新数据。

韦斯特霍尔德监督了关键的一步，将从世界不同地区的沉积物岩心中获得的重叠的气候记录片段拼接在一起。扎科斯说:“收集这么长的气候记录是一个繁琐的过程，我们还想用不同的沉积物岩心来复制这些记录，以验证这些信号，所以这是国际社会共同努力的一大成果。”

现在，他们已经汇编了过去6600万年的连续的、天文日期的气候记录，研究人员可以看到，气候对轨道变化的反应取决于温室气体水平和极地冰盖的范围等因素。

扎克斯解释说:“在一个没有冰的极端温室世界里，不会有任何涉及冰盖的反馈，这会改变气候的动态。”

在过去的6600万年里，大多数主要的气候变化都与温室气体水平的变化有关。例如，Zachos对古新世-始新世极热期(PETM)进行了广泛的研究，表明这段快速的全球变暖时期，将气候推向了温室状态，与大量的碳释放到大气中有关。同样，在始新世晚期，随着大气中二氧化碳含量的下降，南极洲开始形成冰盖，气候转变为冷库状态。

扎克斯说:“当气候接近其中一个转变时，它会变得不稳定，我们看到对轨道强迫的更确定的反应，所以这是我们想更好地理解的东西。”

他补充说，新的气候记录为许多领域的研究提供了一个有价值的框架。它不仅对测试气候模型有用，而且对研究地球动力学不同方面的地球物理学家和研究环境变化如何推动物种进化的古生物学家也有用。

现就职于南安普敦大学的Steven Bohaty和现就职于埃克塞特大学的Kate Littler都曾在加州大学圣克鲁斯分校与Zachos共事。该论文的共同作者还包括来自世界各地十多个机构的研究人员。本研究由德国研究基金会(DFG)、自然环境研究委员会(NERC)、欧盟地平线2020计划、中国国家科学基金、荷兰地球系统科学中心和美国国家科学基金资助。