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硨磲化石隱藏古代天氣秘密
現(xiàn)代氣象站觀測(cè)資料時(shí)間跨度較短(大多不到100年),制約了人們對(duì)地球氣候的理解。100多年以來(lái),地質(zhì)學(xué)家們利用地球上的各種地質(zhì)生物載體,如冰芯、海洋沉積、樹(shù)輪、珊瑚、湖沼、石筍等,獲取了大量地球過(guò)去氣候變化的資料。
但是,當(dāng)前古氣候研究載體的時(shí)間分辨率較低,通常為數(shù)十年到月。這樣的時(shí)間分辨率可以研究地球過(guò)去的氣候變化,但是無(wú)法用于研究發(fā)生在日-小時(shí)甚至更短時(shí)間尺度的天氣變化。
在中國(guó)科學(xué)院院士安芷生的指導(dǎo)下,中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所等單位的研究人員經(jīng)過(guò)5年多的努力,發(fā)現(xiàn)從南海硨磲化石中可以獲得日-小時(shí)分辨率的古代天氣信息。相關(guān)論文近日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。我們特約論文第一作者,中科院地球環(huán)境所研究員晏宏為讀者做相關(guān)科普解讀。
為什么只有古氣候?qū)W,沒(méi)有古天氣學(xué)?
氣候是大氣物理特征的長(zhǎng)期平均狀態(tài)或變化,時(shí)間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上。氣候以冷、暖、干、濕這些特征來(lái)衡量,通常由某一時(shí)期的平均值和離差值表征。而天氣是大氣物理特征的瞬時(shí)態(tài),時(shí)間尺度為日、小時(shí)、分鐘甚至秒,比如一場(chǎng)暴雨、一個(gè)臺(tái)風(fēng)、一次寒潮等。
自人類文明誕生以來(lái),認(rèn)知?dú)夂蚝吞鞖庾兓统蔀榱俗钪匾墓ぷ髦唬热缰袊?guó)古代的歷史文獻(xiàn)中,就記載了大量氣候和天氣變化的信息,春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代誕生了堪稱偉大的二十四節(jié)氣并沿用至今。而在歐洲,古希臘哲學(xué)家亞里士多德在公元前300多年就已經(jīng)著書《氣象匯論》,這也是世界上最早的氣象書籍。
16世紀(jì)中期后,歐洲工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種氣象觀測(cè)儀器紛紛發(fā)明出來(lái),比如1593年意大利學(xué)者伽利略發(fā)明溫度表,1643年意大利學(xué)者托里拆利發(fā)明氣壓表,1783年索修爾發(fā)明濕度表等等。這些儀器為建立氣象臺(tái)站提供了必要的條件。地面氣象觀測(cè)臺(tái)、站相繼建立,形成了地面氣象觀測(cè)網(wǎng)。
雖然人類發(fā)明溫度計(jì)、氣壓計(jì)等氣象觀測(cè)儀器的時(shí)間有近400年,但是早期的觀測(cè)資料要么沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),要么已經(jīng)遺失,而且在地域分布上也比較稀疏且不均勻。高質(zhì)量的氣象站觀測(cè)資料最長(zhǎng)不過(guò)一百多年,大部分的氣象站則不到100年。
這不足百年的氣象資料對(duì)于準(zhǔn)確理解地球氣候和天氣的變化并預(yù)測(cè)未來(lái)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了彌補(bǔ)現(xiàn)代器測(cè)資料的短缺,自19世紀(jì)中期以來(lái),地質(zhì)學(xué)家們開(kāi)始利用地球上的各種地質(zhì)生物載體,如冰芯、海洋沉積、樹(shù)輪、珊瑚、湖沼沉積、石筍等,來(lái)重建地球過(guò)去的氣候變化,并由此誕生了古氣候?qū)W這樣一門學(xué)科。
比如利用樹(shù)輪的寬度重建某一區(qū)域過(guò)去數(shù)千年的溫度或者降水變化;利用珊瑚年層的氧同位素和元素比值重建海洋表面的溫度變化;利用黃土沉積的粒度來(lái)指示過(guò)去幾百萬(wàn)年?yáng)|亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度等等。
經(jīng)過(guò)一百多年的努力,地質(zhì)學(xué)家們成功地構(gòu)建了過(guò)去6500萬(wàn)年甚至更長(zhǎng)時(shí)間地球氣候變化的框架。這些知識(shí)極大地豐富了我們對(duì)于地球氣候歷史的了解,讓我們知道了地球歷史上曾經(jīng)存在過(guò)超級(jí)大冰期、超級(jí)大暖期,也存在過(guò)劇烈的冰期-間冰期旋回,還幫助我們理解了當(dāng)前全球變暖在地球氣候歷史上的地位。
雖然古氣候?qū)W的研究取得了大量的成果,為我們認(rèn)識(shí)地球氣候變化提供了重要的幫助,但是我們似乎很少聽(tīng)說(shuō)古天氣學(xué)這個(gè)詞,是古天氣研究不重要嗎?當(dāng)然不是。
雖然地質(zhì)學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了很多古氣候研究載體,如冰芯、海洋沉積、樹(shù)輪、珊瑚、湖沼沉積、石筍等,但是他們能夠提供的信息的時(shí)間分辨率都太低,通常為數(shù)十年到數(shù)百年,最高分辨率的載體如樹(shù)輪和珊瑚,也只能到年或者月。也就是說(shuō),我們通過(guò)這些地質(zhì)生物載體獲取的,都是幾百年平均,最多幾個(gè)月平均的氣候信息。這些信息可以用來(lái)理解地球氣候(月及以上尺度)的變化,但是無(wú)法用于研究發(fā)生時(shí)間在日-小時(shí)甚至更短時(shí)間尺度的天氣變化。
硨磲為何有潛力成為古天氣研究載體?
首先讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下什么是硨磲。
硨磲是全球最大的雙殼類貝殼,自始新世(距今約5000萬(wàn)年)以來(lái)便一直是熱帶太平洋-印度洋珊瑚礁中的重要組成部分。硨磲壽命能達(dá)到甚至超過(guò)100年,其碳酸鹽殼體生長(zhǎng)速度非常快,幾十年就能長(zhǎng)到1米以上。硨磲殼體通常具有年生長(zhǎng)紋層甚至日生長(zhǎng)紋層,是一種非常理想的高分辨率全球天氣變化歷史研究載體。
大家知道,我們常見(jiàn)的小貝殼通常是開(kāi)口向下,可以通過(guò)肌肉移動(dòng)。但硨磲一般都是開(kāi)口向上固定在珊瑚礁盤上,一輩子都不會(huì)移動(dòng)。這個(gè)固定不動(dòng)的特征對(duì)于我們做古氣候古天氣研究非常重要。如果硨磲不停地移動(dòng),那么所記錄的氣候環(huán)境信息就會(huì)隨位置的改變而受到干擾。好在硨磲一輩子不移動(dòng),就像一個(gè)海洋氣象站一樣,在同一個(gè)位置不停地記錄周邊的海洋、天氣、氣候信息。簡(jiǎn)直就是天生的“地質(zhì)氣象站”。
硨磲表面的外套膜上面,有很多蟲(chóng)黃藻,蟲(chóng)黃藻光合作用能直接給硨磲提供能量,因此硨磲實(shí)際上是靠光合作用生活的,除了幼年期吃幾個(gè)蟲(chóng)黃藻外,一輩子幾乎不吃東西。硨磲這個(gè)靠光合作用生活的特性,對(duì)于我們用硨磲做古天氣重建也非常重要,天氣一變化,蟲(chóng)黃藻光合作用效率就會(huì)變化,硨磲生長(zhǎng)速率等生物地球化學(xué)特征就會(huì)變化。因此通過(guò)測(cè)試化石硨磲的生長(zhǎng)速率變化,就有可能提取出古代氣候和天氣變化的信息。
硨磲壽命最長(zhǎng)能到100年,大部分在50年左右。也就是說(shuō),單個(gè)的硨磲可以提供50-100年的氣候或天氣記錄。雖然不長(zhǎng),但是我們有很多個(gè)化石硨磲,有的生活在幾十年前,有的在幾千年甚至幾萬(wàn)年前,很多個(gè)化石硨磲在一起,就能提供很多過(guò)去的氣候和天氣變化信息。
首先我們來(lái)看看硨磲的年紋層。在一個(gè)采自南海西沙的硨磲截面上,我們可以清晰地看到紋層,這個(gè)紋層就是硨磲的年紋層,因?yàn)槎牡纳L(zhǎng)速率不同,碳酸鹽呈現(xiàn)出不同的光學(xué)特征。每個(gè)年紋層的寬度不一,大約1-20毫米,幼年期的時(shí)候長(zhǎng)得快點(diǎn),老了長(zhǎng)得慢點(diǎn)。但是它不會(huì)像人一樣年紀(jì)大了就不長(zhǎng)高。
利用我們實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的微鉆設(shè)備,可以從每個(gè)硨磲年紋層中取到超過(guò)12個(gè)樣品,獲得月分辨率的樣品。對(duì)這些樣品進(jìn)行測(cè)試,我們就可以獲得月分辨率的氧同位素、元素比值等記錄。這些數(shù)據(jù)主要受溫度控制,它們與溫度之間有定量關(guān)系,可以建立轉(zhuǎn)換方程,從而計(jì)算當(dāng)時(shí)的溫度。
這就是利用硨磲進(jìn)行古氣候研究的基本原理。通常我們采集一個(gè)化石硨磲后,會(huì)用放射性碳測(cè)年方法測(cè)定它大致生活在什么年代,然后在每個(gè)年紋層中取超過(guò)12個(gè)樣品,再測(cè)試樣品的氧同位素和元素比值,然后利用轉(zhuǎn)換方程,計(jì)算當(dāng)時(shí)的溫度,并討論相應(yīng)的氣候系統(tǒng)變化。
到這里為止,我們利用硨磲所做的仍然是古氣候研究,分辨率為月,仍然無(wú)法深入到日-小時(shí)尺度的天氣變化。
接下來(lái)的重點(diǎn)是,之前我們觀測(cè)硨磲的年紋層用的都是肉眼看,后來(lái)我們升級(jí)了,采用了生物學(xué)研究上常用的激光共聚焦顯微鏡,在顯微鏡下我們看到了清晰連續(xù)的日生長(zhǎng)紋層。日紋層寬度為10-60微米。也就是說(shuō),硨磲實(shí)際上每天在長(zhǎng)一小層,只是我們?nèi)庋劭床坏剑@微鏡能看到。
這個(gè)日紋層很重要,因?yàn)樗梢杂脕?lái)建立日分辨率的年代學(xué)框架,這也是我們進(jìn)行日分辨率古天氣研究的基礎(chǔ)。
如果硨磲有清晰連續(xù)的日紋層,那么我們就可以把硨磲壽命中所經(jīng)歷過(guò)的時(shí)間一天一天地分開(kāi)。然后至少可以根據(jù)每天的生長(zhǎng)寬度建立硨磲日分辨率的生長(zhǎng)速率變化。前面我們也提到,硨磲生長(zhǎng)靠光合作用,會(huì)受到天氣變化影響。因此日生長(zhǎng)速率的快慢就有可能反映當(dāng)時(shí)的天氣變化。
有了準(zhǔn)確的日分辨率年代學(xué)框架,我們還可以進(jìn)一步在每個(gè)日紋層中做文章,把分辨率進(jìn)一步提高。比如用納米二次離子質(zhì)譜測(cè)試日紋層中的元素分布。
剛才我們提到硨磲每個(gè)日紋層寬度在10-60微米,而納米二次離子質(zhì)譜的測(cè)試分辨率可達(dá)1微米甚至更高,理論上可在每個(gè)日紋層中獲得10-60個(gè)連續(xù)元素?cái)?shù)據(jù)(數(shù)據(jù)分辨率0.4-2.4小時(shí)),可建立小時(shí)分辨率的地球化學(xué)序列。
有了日分辨率的生長(zhǎng)速率和小時(shí)分辨率的地球化學(xué)記錄,我們就可以開(kāi)展日-小時(shí)分辨率的古天氣研究了。比如我們發(fā)現(xiàn),硨磲日-小時(shí)分辨率生長(zhǎng)速率和元素比值記錄中的脈沖式突變,幾乎都與南海北部的極端天氣事件有關(guān),如夏季的臺(tái)風(fēng)和冬季的寒潮。比如,在臺(tái)風(fēng)襲擊南海北部的時(shí)候,硨磲日生長(zhǎng)速率會(huì)因?yàn)樘鞖鉅顩r的變差而降低;同時(shí)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的強(qiáng)風(fēng)攪動(dòng)可以導(dǎo)致海洋表層Fe、Ba等營(yíng)養(yǎng)鹽的升高和表層生產(chǎn)力的增加,并在硨磲地球化學(xué)參數(shù)中得到記錄。
這些信息表明,硨磲的日生長(zhǎng)紋層,有潛力用于研究過(guò)去發(fā)生的臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣事件。也就是說(shuō),每年有多少次臺(tái)風(fēng),多少次暴雨,冬天有多少次寒潮等等,這些信息都可以在硨磲化石中讀到。
比如,我們獲得了一個(gè)化石硨磲,利用碳測(cè)年方法得到這個(gè)硨磲存活在大約2000年前,也就是我國(guó)的漢朝時(shí)期。然后通過(guò)肉眼數(shù)年紋層,我們知道了這個(gè)硨磲壽命是60年,那么我們就可以建立連續(xù)60年的相對(duì)年代學(xué)框架。我們可以通過(guò)測(cè)試月分辨率的氧同位素、元素比值來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)的平均氣候狀態(tài),假如計(jì)算結(jié)果顯示那時(shí)候的溫度比現(xiàn)在高1.2℃,那么就可以推斷我國(guó)漢朝的時(shí)候,南海的溫度比現(xiàn)在高1.2℃,是一個(gè)典型的溫暖期。進(jìn)一步利用激光共聚焦顯微鏡和納米二次離子質(zhì)譜,我們可以獲得這60年中,日-小時(shí)分辨率的生物地球化學(xué)記錄。隨后我們就可以對(duì)當(dāng)時(shí)的天氣狀況進(jìn)行分析,比如每年有多少次臺(tái)風(fēng),多少次暴雨,冬天有多少次寒潮等等。
延伸閱讀
硨磲獨(dú)有的日紋層
正如前面所說(shuō),硨磲有潛力記錄古天氣信息,關(guān)鍵在于它有日紋層。那么問(wèn)題來(lái)了,其他地質(zhì)生物載體有沒(méi)有日紋層?比如樹(shù)輪和珊瑚。
答案是,科學(xué)家們也做過(guò)不少嘗試,暫時(shí)沒(méi)發(fā)現(xiàn)還有哪種載體有清晰連續(xù)的日紋層。
比如樹(shù)輪。顯微學(xué)分析顯示,樹(shù)木基本上是一個(gè)季節(jié)生長(zhǎng)一些細(xì)胞層,但不是每天,無(wú)法獲得日紋層。而且樹(shù)木通常在冬天會(huì)停止生長(zhǎng)或生長(zhǎng)緩慢,也無(wú)法提供連續(xù)的記錄。
再比如珊瑚,我們對(duì)南海珊瑚樣品也進(jìn)行了顯微學(xué)分析,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)日紋層。理論上講,硨磲是單個(gè)生命體,每天分泌鈣質(zhì)流體,長(zhǎng)一層是合理的。而珊瑚則是珊瑚蟲(chóng)分泌的石灰質(zhì)骨骼聚結(jié)而成的,理論上也難以有清晰連續(xù)的日紋層。
其他小貝殼跟硨磲類似,理論上可能有,但是相比于硨磲,他們的生長(zhǎng)速率太慢,現(xiàn)有技術(shù)可能很難從中獲得清晰連續(xù)的日紋層。
有人提出,硨磲日紋層會(huì)不會(huì)有缺失?對(duì)此我們已經(jīng)做過(guò)一些驗(yàn)證,暫未發(fā)現(xiàn)明顯缺失現(xiàn)象。比如我們?cè)谀虾2杉艘粋€(gè)很大的硨磲,年紋層和同位素年周期顯示,壽命為23.5-24年,我們對(duì)日紋層進(jìn)行計(jì)數(shù),總?cè)占y層為8649層,平均為每年360到368層,基本上沒(méi)有明顯缺失。
科學(xué)釋疑
碳14測(cè)年誤差是否影響硨磲古天氣研究?
還有一個(gè)問(wèn)題是,碳14測(cè)年誤差會(huì)有幾十年,化石硨磲的年代測(cè)定只能用碳14測(cè)定,是否會(huì)影響硨磲古天氣研究?
答案是:不會(huì)。碳14測(cè)試只是告訴我們硨磲生活在什么時(shí)代,這已經(jīng)足夠了。我們最需要的是精確的相對(duì)年代學(xué),保證在硨磲壽命期間的幾十年里,我們得到的日分辨率記錄是連續(xù)的,這樣我們就可以分析在這幾十年里,天氣狀況是如何的。
比如上面提到那個(gè)漢朝化石硨磲,我們最終得到的是,在距今2000年左右的60年里,南海溫度比現(xiàn)在高1.2℃左右,是個(gè)典型的溫暖期,以及這60年里,臺(tái)風(fēng)如何,暴雨如何,寒潮如何等等。至于這60年是距今2060-2000年,還是2070-2010年,并不是很重要。
編輯:楊嵐
關(guān)鍵詞:硨磲 天氣 紋層 變化