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砗磲化石隐藏古代天气秘密

发布时间:2020-11-18 16:40:45  来源:收藏之家    采编:老藏  背景:

现代气象站观测资料时间跨度较短(大多不到100年),制约了人们对地球气候的理解。100多年以来,地质学家们利用地球上的各种地质生物载体,如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼、石笋等,获取了大量地球过去气候变化的资料。

但是,当前古气候研究载体的时间分辨率较低,通常为数十年到月。这样的时间分辨率可以研究地球过去的气候变化,但是无法用于研究发生在日-小时甚至更短时间尺度的天气变化。

在中国科学院院士安芷生的指导下,中国科学院地球环境研究所等单位的研究人员经过5年多的努力,发现从南海砗磲化石中可以获得日-小时分辨率的古代天气信息。相关论文近日发表在《美国国家科学院院刊》上。我们特约论文第一作者,中科院地球环境所研究员晏宏为读者做相关科普解读。

为什么只有古气候学,没有古天气学?

气候是大气物理特征的长期平均状态或变化,时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量,通常由某一时期的平均值和离差值表征。而天气是大气物理特征的瞬时态,时间尺度为日、小时、分钟甚至秒,比如一场暴雨、一个台风、一次寒潮等。

自人类文明诞生以来,认知气候和天气变化就成为了最重要的工作之一,比如中国古代的历史文献中,就记载了大量气候和天气变化的信息,春秋战国时代诞生了堪称伟大的二十四节气并沿用至今。而在欧洲,古希腊哲学家亚里士多德在公元前300多年就已经著书《气象汇论》,这也是世界上最早的气象书籍。

16世纪中期后,欧洲工业的发展推动了科学技术的发展,各种气象观测仪器纷纷发明出来,比如1593年意大利学者伽利略发明温度表,1643年意大利学者托里拆利发明气压表,1783年索修尔发明湿度表等等。这些仪器为建立气象台站提供了必要的条件。地面气象观测台、站相继建立,形成了地面气象观测网。

虽然人类发明温度计、气压计等气象观测仪器的时间有近400年,但是早期的观测资料要么没有统一的标准,要么已经遗失,而且在地域分布上也比较稀疏且不均匀。高质量的气象站观测资料最长不过一百多年,大部分的气象站则不到100年。

这不足百年的气象资料对于准确理解地球气候和天气的变化并预测未来是远远不够的。为了弥补现代器测资料的短缺,自19世纪中期以来,地质学家们开始利用地球上的各种地质生物载体,如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等,来重建地球过去的气候变化,并由此诞生了古气候学这样一门学科。

比如利用树轮的宽度重建某一区域过去数千年的温度或者降水变化;利用珊瑚年层的氧同位素和元素比值重建海洋表面的温度变化;利用黄土沉积的粒度来指示过去几百万年东亚冬季风的强度等等。

经过一百多年的努力,地质学家们成功地构建了过去6500万年甚至更长时间地球气候变化的框架。这些知识极大地丰富了我们对于地球气候历史的了解,让我们知道了地球历史上曾经存在过超级大冰期、超级大暖期,也存在过剧烈的冰期-间冰期旋回,还帮助我们理解了当前全球变暖在地球气候历史上的地位。

虽然古气候学的研究取得了大量的成果,为我们认识地球气候变化提供了重要的帮助,但是我们似乎很少听说古天气学这个词,是古天气研究不重要吗?当然不是。

虽然地质学家们开发出了很多古气候研究载体,如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等,但是他们能够提供的信息的时间分辨率都太低,通常为数十年到数百年,最高分辨率的载体如树轮和珊瑚,也只能到年或者月。也就是说,我们通过这些地质生物载体获取的,都是几百年平均,最多几个月平均的气候信息。这些信息可以用来理解地球气候(月及以上尺度)的变化,但是无法用于研究发生时间在日-小时甚至更短时间尺度的天气变化。

砗磲为何有潜力成为古天气研究载体?

首先让我们来认识一下什么是砗磲。

砗磲是全球最大的双壳类贝壳,自始新世(距今约5000万年)以来便一直是热带太平洋-印度洋珊瑚礁中的重要组成部分。砗磲寿命能达到甚至超过100年,其碳酸盐壳体生长速度非常快,几十年就能长到1米以上。砗磲壳体通常具有年生长纹层甚至日生长纹层,是一种非常理想的高分辨率全球天气变化历史研究载体。

大家知道,我们常见的小贝壳通常是开口向下,可以通过肌肉移动。但砗磲一般都是开口向上固定在珊瑚礁盘上,一辈子都不会移动。这个固定不动的特征对于我们做古气候古天气研究非常重要。如果砗磲不停地移动,那么所记录的气候环境信息就会随位置的改变而受到干扰。好在砗磲一辈子不移动,就像一个海洋气象站一样,在同一个位置不停地记录周边的海洋、天气、气候信息。简直就是天生的“地质气象站”。

砗磲表面的外套膜上面,有很多虫黄藻,虫黄藻光合作用能直接给砗磲提供能量,因此砗磲实际上是靠光合作用生活的,除了幼年期吃几个虫黄藻外,一辈子几乎不吃东西。砗磲这个靠光合作用生活的特性,对于我们用砗磲做古天气重建也非常重要,天气一变化,虫黄藻光合作用效率就会变化,砗磲生长速率等生物地球化学特征就会变化。因此通过测试化石砗磲的生长速率变化,就有可能提取出古代气候和天气变化的信息。

砗磲寿命最长能到100年,大部分在50年左右。也就是说,单个的砗磲可以提供50-100年的气候或天气记录。虽然不长,但是我们有很多个化石砗磲,有的生活在几十年前,有的在几千年甚至几万年前,很多个化石砗磲在一起,就能提供很多过去的气候和天气变化信息。

首先我们来看看砗磲的年纹层。在一个采自南海西沙的砗磲截面上,我们可以清晰地看到纹层,这个纹层就是砗磲的年纹层,因为冬夏的生长速率不同,碳酸盐呈现出不同的光学特征。每个年纹层的宽度不一,大约1-20毫米,幼年期的时候长得快点,老了长得慢点。但是它不会像人一样年纪大了就不长高。

利用我们实验室自行开发的微钻设备,可以从每个砗磲年纹层中取到超过12个样品,获得月分辨率的样品。对这些样品进行测试,我们就可以获得月分辨率的氧同位素、元素比值等记录。这些数据主要受温度控制,它们与温度之间有定量关系,可以建立转换方程,从而计算当时的温度。

这就是利用砗磲进行古气候研究的基本原理。通常我们采集一个化石砗磲后,会用放射性碳测年方法测定它大致生活在什么年代,然后在每个年纹层中取超过12个样品,再测试样品的氧同位素和元素比值,然后利用转换方程,计算当时的温度,并讨论相应的气候系统变化。

到这里为止,我们利用砗磲所做的仍然是古气候研究,分辨率为月,仍然无法深入到日-小时尺度的天气变化。

接下来的重点是,之前我们观测砗磲的年纹层用的都是肉眼看,后来我们升级了,采用了生物学研究上常用的激光共聚焦显微镜,在显微镜下我们看到了清晰连续的日生长纹层。日纹层宽度为10-60微米。也就是说,砗磲实际上每天在长一小层,只是我们肉眼看不到,但显微镜能看到。

这个日纹层很重要,因为它可以用来建立日分辨率的年代学框架,这也是我们进行日分辨率古天气研究的基础。

如果砗磲有清晰连续的日纹层,那么我们就可以把砗磲寿命中所经历过的时间一天一天地分开。然后至少可以根据每天的生长宽度建立砗磲日分辨率的生长速率变化。前面我们也提到,砗磲生长靠光合作用,会受到天气变化影响。因此日生长速率的快慢就有可能反映当时的天气变化。

有了准确的日分辨率年代学框架,我们还可以进一步在每个日纹层中做文章,把分辨率进一步提高。比如用纳米二次离子质谱测试日纹层中的元素分布。

刚才我们提到砗磲每个日纹层宽度在10-60微米,而纳米二次离子质谱的测试分辨率可达1微米甚至更高,理论上可在每个日纹层中获得10-60个连续元素数据(数据分辨率0.4-2.4小时),可建立小时分辨率的地球化学序列。

有了日分辨率的生长速率和小时分辨率的地球化学记录,我们就可以开展日-小时分辨率的古天气研究了。比如我们发现,砗磲日-小时分辨率生长速率和元素比值记录中的脉冲式突变,几乎都与南海北部的极端天气事件有关,如夏季的台风和冬季的寒潮。比如,在台风袭击南海北部的时候,砗磲日生长速率会因为天气状况的变差而降低;同时台风带来的强风搅动可以导致海洋表层Fe、Ba等营养盐的升高和表层生产力的增加,并在砗磲地球化学参数中得到记录。

这些信息表明,砗磲的日生长纹层,有潜力用于研究过去发生的台风、寒潮等极端天气事件。也就是说,每年有多少次台风,多少次暴雨,冬天有多少次寒潮等等,这些信息都可以在砗磲化石中读到。

比如,我们获得了一个化石砗磲,利用碳测年方法得到这个砗磲存活在大约2000年前,也就是我国的汉朝时期。然后通过肉眼数年纹层,我们知道了这个砗磲寿命是60年,那么我们就可以建立连续60年的相对年代学框架。我们可以通过测试月分辨率的氧同位素、元素比值来计算当时的平均气候状态,假如计算结果显示那时候的温度比现在高1.2℃,那么就可以推断我国汉朝的时候,南海的温度比现在高1.2℃,是一个典型的温暖期。进一步利用激光共聚焦显微镜和纳米二次离子质谱,我们可以获得这60年中,日-小时分辨率的生物地球化学记录。随后我们就可以对当时的天气状况进行分析,比如每年有多少次台风,多少次暴雨,冬天有多少次寒潮等等。

延伸阅读

砗磲独有的日纹层

正如前面所说,砗磲有潜力记录古天气信息,关键在于它有日纹层。那么问题来了,其他地质生物载体有没有日纹层?比如树轮和珊瑚。

答案是,科学家们也做过不少尝试,暂时没发现还有哪种载体有清晰连续的日纹层。

比如树轮。显微学分析显示,树木基本上是一个季节生长一些细胞层,但不是每天,无法获得日纹层。而且树木通常在冬天会停止生长或生长缓慢,也无法提供连续的记录。

再比如珊瑚,我们对南海珊瑚样品也进行了显微学分析,没有发现日纹层。理论上讲,砗磲是单个生命体,每天分泌钙质流体,长一层是合理的。而珊瑚则是珊瑚虫分泌的石灰质骨骼聚结而成的,理论上也难以有清晰连续的日纹层。

其他小贝壳跟砗磲类似,理论上可能有,但是相比于砗磲,他们的生长速率太慢,现有技术可能很难从中获得清晰连续的日纹层。

有人提出,砗磲日纹层会不会有缺失?对此我们已经做过一些验证,暂未发现明显缺失现象。比如我们在南海采集了一个很大的砗磲,年纹层和同位素年周期显示,寿命为23.5-24年,我们对日纹层进行计数,总日纹层为8649层,平均为每年360到368层,基本上没有明显缺失。

科学释疑

碳14测年误差是否影响砗磲古天气研究?

还有一个问题是,碳14测年误差会有几十年,化石砗磲的年代测定只能用碳14测定,是否会影响砗磲古天气研究?

答案是:不会。碳14测试只是告诉我们砗磲生活在什么时代,这已经足够了。我们最需要的是精确的相对年代学,保证在砗磲寿命期间的几十年里,我们得到的日分辨率记录是连续的,这样我们就可以分析在这几十年里,天气状况是如何的。

比如上面提到那个汉朝化石砗磲,我们最终得到的是,在距今2000年左右的60年里,南海温度比现在高1.2℃左右,是个典型的温暖期,以及这60年里,台风如何,暴雨如何,寒潮如何等等。至于这60年是距今2060-2000年,还是2070-2010年,并不是很重要。

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