硨磲化石隱藏古代天氣秘密

　　現代氣象站觀測資料時間跨度較短(大多不到100年)，制約了人們對地球氣候的理解。100多年以來，地質學家們利用地球上的各種地質生物載體，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，當前古氣候研究載體的時間解析度較低，通常為數十年到月。這樣的時間解析度可以研究地球過去的氣候變化，但是無法用於研究發生在日-小時甚至更短時間尺度的天氣變化。

　　在中國科學院院士安芷生的指導下，中國科學院地球環境研究所等單位的研究人員經過5年多的努力，發現從南海硨磲化石中可以獲得日-小時解析度的古代天氣資訊。相關論文近日發表在《美國國家科學院院刊》上。我們特約論文第一作者，中科院地球環境所研究員晏宏為讀者做相關科普解讀。

　　為什麼只有古氣候學，沒有古天氣學？

　　氣候是大氣物理特徵的長期平均狀態或變化，時間尺度為月、季、年、數年到數百年以上。氣候以冷、暖、幹、濕這些特徵來衡量，通常由某一時期的平均值和離差值表徵。而天氣是大氣物理特徵的暫態態，時間尺度為日、小時、分鐘甚至秒，比如一場暴雨、一個颱風、一次寒潮等。

　　自人類文明誕生以來，認知氣候和天氣變化就成為了最重要的工作之一，比如中國古代的歷史文獻中，就記載了大量氣候和天氣變化的資訊，春秋戰國時代誕生了堪稱偉大的二十四節氣並沿用至今。而在歐洲，古希臘哲學家亞裏士多德在西元前300多年就已經著書《氣象匯論》，這也是世界上最早的氣象書籍。

　　16世紀中期後，歐洲工業的發展推動了科學技術的發展，各種氣象觀測儀器紛紛發明出來，比如1593年義大利學者伽利略發明溫度表，1643年義大利學者托裏拆利發明氣壓表，1783年索修爾發明濕度表等等。這些儀器為建立氣象臺站提供了必要的條件。地面氣象觀測臺、站相繼建立，形成了地面氣象觀測網。

　　雖然人類發明溫度計、氣壓計等氣象觀測儀器的時間有近400年，但是早期的觀測資料要麼沒有統一的標準，要麼已經遺失，而且在地域分佈上也比較稀疏且不均勻。高品質的氣象站觀測資料最長不過一百多年，大部分的氣象站則不到100年。

　　這不足百年的氣象資料對於準確理解地球氣候和天氣的變化並預測未來是遠遠不夠的。為了彌補現代器測資料的短缺，自19世紀中期以來，地質學家們開始利用地球上的各種地質生物載體，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，並由此誕生了古氣候學這樣一門學科。

　　比如利用樹輪的寬度重建某一區域過去數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年東亞冬季風的強度等等。

　　經過一百多年的努力，地質學家們成功地構建了過去6500萬年甚至更長時間地球氣候變化的框架。這些知識極大地豐富了我們對於地球氣候歷史的了解，讓我們知道了地球歷史上曾經存在過超級大冰期、超級大暖期，也存在過劇烈的冰期-間冰期旋回，還幫助我們理解了當前全球變暖在地球氣候歷史上的地位。

　　雖然古氣候學的研究取得了大量的成果，為我們認識地球氣候變化提供了重要的幫助，但是我們似乎很少聽説古天氣學這個詞，是古天氣研究不重要嗎？當然不是。

　　雖然地質學家們開發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資訊的時間解析度都太低，通常為數十年到數百年，最高解析度的載體如樹輪和珊瑚，也只能到年或者月。也就是説，我們通過這些地質生物載體獲取的，都是幾百年平均，最多幾個月平均的氣候資訊。這些資訊可以用來理解地球氣候(月及以上尺度)的變化，但是無法用於研究發生時間在日-小時甚至更短時間尺度的天氣變化。

　　硨磲為何有潛力成為古天氣研究載體？

　　首先讓我們來認識一下什麼是硨磲。

　　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。硨磲壽命能達到甚至超過100年，其碳酸鹽殼體生長速度非常快，幾十年就能長到1米以上。硨磲殼體通常具有年生長紋層甚至日生長紋層，是一種非常理想的高解析度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。但硨磲一般都是開口向上固定在珊瑚礁盤上，一輩子都不會移動。這個固定不動的特徵對於我們做古氣候古天氣研究非常重要。如果硨磲不停地移動，那麼所記錄的氣候環境資訊就會隨位置的改變而受到干擾。好在硨磲一輩子不移動，就像一個海洋氣象站一樣，在同一個位置不停地記錄周邊的海洋、天氣、氣候資訊。簡直就是天生的“地質氣象站”。

　　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，因此硨磲實際上是靠光合作用生活的，除了幼年期吃幾個蟲黃藻外，一輩子幾乎不吃東西。硨磲這個靠光合作用生活的特性，對於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變化，硨磲生長速率等生物地球化學特徵就會變化。因此通過測試化石硨磲的生長速率變化，就有可能提取出古代氣候和天氣變化的資訊。

　　硨磲壽命最長能到100年，大部分在50年左右。也就是説，單個的硨磲可以提供50-100年的氣候或天氣記錄。雖然不長，但是我們有很多個化石硨磲，有的生活在幾十年前，有的在幾千年甚至幾萬年前，很多個化石硨磲在一起，就能提供很多過去的氣候和天氣變化資訊。

　　首先我們來看看硨磲的年紋層。在一個採自南海西沙的硨磲截面上，我們可以清晰地看到紋層，這個紋層就是硨磲的年紋層，因為冬夏的生長速率不同，碳酸鹽呈現出不同的光學特徵。每個年紋層的寬度不一，大約1-20毫米，幼年期的時候長得快點，老了長得慢點。但是它不會像人一樣年紀大了就不長高。

　　利用我們實驗室自行開發的微鑽設備，可以從每個硨磲年紋層中取到超過12個樣品，獲得月解析度的樣品。對這些樣品進行測試，我們就可以獲得月解析度的氧同位素、元素比值等記錄。這些數據主要受溫度控制，它們與溫度之間有定量關係，可以建立轉換方程，從而計算當時的溫度。

　　這就是利用硨磲進行古氣候研究的基本原理。通常我們採集一個化石硨磲後，會用放射性碳測年方法測定它大致生活在什麼年代，然後在每個年紋層中取超過12個樣品，再測試樣品的氧同位素和元素比值，然後利用轉換方程，計算當時的溫度，並討論相應的氣候系統變化。

　　到這裡為止，我們利用硨磲所做的仍然是古氣候研究，解析度為月，仍然無法深入到日-小時尺度的天氣變化。

　　接下來的重點是，之前我們觀測硨磲的年紋層用的都是肉眼看，後來我們升級了，採用了生物學研究上常用的鐳射共聚焦顯微鏡，在顯微鏡下我們看到了清晰連續的日生長紋層。日紋層寬度為10-60微米。也就是説，硨磲實際上每天在長一小層，只是我們肉眼看不到，但顯微鏡能看到。

　　這個日紋層很重要，因為它可以用來建立日解析度的年代學框架，這也是我們進行日解析度古天氣研究的基礎。

　　如果硨磲有清晰連續的日紋層，那麼我們就可以把硨磲壽命中所經歷過的時間一天一天地分開。然後至少可以根據每天的生長寬度建立硨磲日解析度的生長速率變化。前面我們也提到，硨磲生長靠光合作用，會受到天氣變化影響。因此日生長速率的快慢就有可能反映當時的天氣變化。

　　有了準確的日解析度年代學框架，我們還可以進一步在每個日紋層中做文章，把解析度進一步提高。比如用奈米二次離子質譜測試日紋層中的元素分佈。

　　剛才我們提到硨磲每個日紋層寬度在10-60微米，而奈米二次離子質譜的測試解析度可達1微米甚至更高，理論上可在每個日紋層中獲得10-60個連續元素數據(數據解析度0.4-2.4小時)，可建立小時解析度的地球化學序列。

　　有了日解析度的生長速率和小時解析度的地球化學記錄，我們就可以開展日-小時解析度的古天氣研究了。比如我們發現，硨磲日-小時解析度生長速率和元素比值記錄中的脈衝式突變，幾乎都與南海北部的極端天氣事件有關，如夏季的颱風和冬季的寒潮。比如，在颱風襲擊南海北部的時候，硨磲日生長速率會因為天氣狀況的變差而降低；同時颱風帶來的強風攪動可以導致海洋表層Fe、Ba等營養鹽的升高和表層生産力的增加，並在硨磲地球化學參數中得到記錄。

　　這些資訊表明，硨磲的日生長紋層，有潛力用於研究過去發生的颱風、寒潮等極端天氣事件。也就是説，每年有多少次颱風，多少次暴雨，冬天有多少次寒潮等等，這些資訊都可以在硨磲化石中讀到。

　　比如，我們獲得了一個化石硨磲，利用碳測年方法得到這個硨磲存活在大約2000年前，也就是我國的漢朝時期。然後通過肉眼數年紋層，我們知道了這個硨磲壽命是60年，那麼我們就可以建立連續60年的相對年代學框架。我們可以通過測試月解析度的氧同位素、元素比值來計算當時的平均氣候狀態，假如計算結果顯示那時候的溫度比現在高1.2℃，那麼就可以推斷我國漢朝的時候，南海的溫度比現在高1.2℃，是一個典型的溫暖期。進一步利用鐳射共聚焦顯微鏡和奈米二次離子質譜，我們可以獲得這60年中，日-小時解析度的生物地球化學記錄。隨後我們就可以對當時的天氣狀況進行分析，比如每年有多少次颱風，多少次暴雨，冬天有多少次寒潮等等。

　　延伸閱讀

　　硨磲獨有的日紋層

　　正如前面所説，硨磲有潛力記錄古天氣資訊，關鍵在於它有日紋層。那麼問題來了，其他地質生物載體有沒有日紋層？比如樹輪和珊瑚。

　　答案是，科學家們也做過不少嘗試，暫時沒發現還有哪種載體有清晰連續的日紋層。

　　比如樹輪。顯微學分析顯示，樹木基本上是一個季節生長一些細胞層，但不是每天，無法獲得日紋層。而且樹木通常在冬天會停止生長或生長緩慢，也無法提供連續的記錄。

　　再比如珊瑚，我們對南海珊瑚樣品也進行了顯微學分析，沒有發現日紋層。理論上講，硨磲是單個生命體，每天分泌鈣質流體，長一層是合理的。而珊瑚則是珊瑚蟲分泌的石灰質骨骼聚結而成的，理論上也難以有清晰連續的日紋層。

　　其他小貝殼跟硨磲類似，理論上可能有，但是相比于硨磲，他們的生長速率太慢，現有技術可能很難從中獲得清晰連續的日紋層。

　　有人提出，硨磲日紋層會不會有缺失？對此我們已經做過一些驗證，暫未發現明顯缺失現象。比如我們在南海採集了一個很大的硨磲，年紋層和同位素年週期顯示，壽命為23.5-24年，我們對日紋層進行計數，總日紋層為8649層，平均為每年360到368層，基本上沒有明顯缺失。

　　科學釋疑

　　碳14測年誤差是否影響硨磲古天氣研究？

　　還有一個問題是，碳14測年誤差會有幾十年，化石硨磲的年代測定只能用碳14測定，是否會影響硨磲古天氣研究？

　　答案是：不會。碳14測試只是告訴我們硨磲生活在什麼時代，這已經足夠了。我們最需要的是精確的相對年代學，保證在硨磲壽命期間的幾十年裏，我們得到的日解析度記錄是連續的，這樣我們就可以分析在這幾十年裏，天氣狀況是如何的。

　　比如上面提到那個漢朝化石硨磲，我們最終得到的是，在距今2000年左右的60年裏，南海溫度比現在高1.2℃左右，是個典型的溫暖期，以及這60年裏，颱風如何，暴雨如何，寒潮如何等等。至於這60年是距今2060-2000年，還是2070-2010年，並不是很重要。

　　晏宏