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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,,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,、樹輪,、珊瑚,、湖沼,、石筍等,,獲取了大量地球過去氣候變化的資料。
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去的氣候變化,,但是無法用于研究發(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,,認(rèn)知?dú)夂蚝吞鞖庾兓统蔀榱俗钪匾墓ぷ髦?,比如中?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,,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,,地質(zhì)學(xué)家們開始利用地球上的各種地質(zhì)生物載體,,如冰芯、海洋沉積,、樹輪,、珊瑚、湖沼沉積,、石筍等,,來重建地球過去的氣候變化,并由此誕生了古氣候?qū)W這樣一門學(xué)科,。
比如利用樹輪的寬度重建某一區(qū)域過去數(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指示過去幾百萬(wàn)年?yáng)|亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度等等,。
經(jīng)過一百多年的努力,,地質(zhì)學(xué)家們成功地構(gòu)建了過去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)存在過超級(jí)大冰期,、超級(jí)大暖期,,也存在過劇烈的冰期-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說古天氣學(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)家們開發(fā)出了很多古氣候研究載體,,如冰芯,、海洋沉積、樹輪,、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輪和珊瑚,,也只能到年或者月,。也就是說,我們通過這些地質(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,。這些信息可以用來理解地球氣候(月及以上尺度)的變化,,但是無法用于研究發(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,,我們常見的小貝殼通常是開口向下,,可以通過肌肉移動(dòng)。但硨磲一般都是開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,有很多蟲黃藻,,蟲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,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,就能提供很多過去的氣候和天氣變化信息,。
首先我們來看看硨磲的年紋層,。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)室自行開發(fā)的微鉆設(shè)備,可以從每個(gè)硨磲年紋層中取到超過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,,仍然無法深入到日-小時(shí)尺度的天氣變化。
接下來的重點(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,,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)樗梢杂脕斫⑷辗直媛实哪甏鷮W(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)歷過的時(shí)間一天一天地分開。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,有潛力用于研究過去發(fā)生的臺(tái)風(fēng),、寒潮等極端天氣事件,。也就是說,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,。我們可以通過測(cè)試月分辨率的氧同位素,、元素比值來計(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,硨磲有潛力記錄古天氣信息,,關(guān)鍵在于它有日紋層,。那么問題來了,其他地質(zhì)生物載體有沒有日紋層,?比如樹輪和珊瑚,。
答案是,科學(xué)家們也做過不少嘗試,,暫時(shí)沒發(fā)現(xiàn)還有哪種載體有清晰連續(xù)的日紋層,。
比如樹輪。顯微學(xué)分析顯示,,樹木基本上是一個(gè)季節(jié)生長(zhǎng)一些細(xì)胞層,,但不是每天,無法獲得日紋層,。而且樹木通常在冬天會(huì)停止生長(zhǎng)或生長(zhǎng)緩慢,,也無法提供連續(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