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(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(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(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(lái)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(lái)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(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(shuō)，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(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100年，其碳酸鹽殼體生長(zhǎng)速度非?？欤瑤资昃湍荛L(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(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(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?，但顯微鏡能看到。

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(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(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。那么問題來(lái)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(wú)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(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。(記者 晏宏)