【{$randkws}】南海砗磲化石隐藏古代天气信息 - {$web_name} 制约了人们对地球气候的理解

南海砗磲化石隐藏古代天气信息
（神秘的地球uux.cn报导）据北京日报（晏宏）：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，地质学家们运用地球上的各类地质生物载体，如冰芯、海洋沉积、年初聚焦iOS更新，网友观点两极分化树轮、珊瑚、湖沼、石笋等，获取了众多地球过去气候转变的资料。
但是，当前古气候探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探究地球过去的气候转变，但是无法用于探究发生在日-小时乃至更短时间尺度的天气转变。
在中国科学院院士安芷生的推动下，中国科学院地球生态探究所等单位的探究人员经过5年多的奋斗，察觉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。有关论文近期发表在《美国全国科学院院刊》上。我们特约论文第一作者，中科院地球生态所探究员晏宏为读者做有关科普确认。
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持久平均状态或转变，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024纪录片汇总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、分钟乃至秒，比如一场暴雨、一个台风、一次寒潮等。
自人类文明诞生以来，认知气候和天气转变就成以便最重大的岗位之一，比如中国古代的历史文献中，就记载了众多气候和天气转变的信息，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多年就已然著书《气象汇论》，这也是全球上最初的气象书籍。
16世纪中期后，欧洲工业的进展合作了科学技术的进展，各类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。这些仪器为兴办气象台站提供了必要的条件。地面气象观测台、站相继兴办，形成了地面气象观测网。
尽管人类发明温度计、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规范，要么已然遗失，并且在地域分布上也较为稀疏且不均匀。高品质的气象站观测资料最长可是一百多年，大若干的毛不易相关直播动态引关注气象站则不到100年。
这不足百年的气象资料针对精确理解地球气候和天气的转变并预测前方是远远不够的。以便弥补现代器测资料的短缺，自19世纪中期以来，地质学家们着手运用地球上的各类地质生物载体，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转变，并由此诞生了古气候学这样一门学科。
比如运用树轮的宽度重建某一区域过去数千年的温度或者降水转变；运用珊瑚年层的氧同位素和元素比值重建海洋表面的温度转变；运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。
经过一百多年的奋斗，地质学家们顺利地兴办了过去6500万年乃至更长时间地球气候转变的框架。这些知识极大地丰富了我们针对地球气候历史的知晓，让我们得知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，还合作我们理解了当前全球变暖在地球气候历史上的地位。
尽管古气候学的探究获得了众多的成果，为我们认识地球气候转变提供了重大的合作，但是我们似乎很少听说古天气学这个词，是古天气探究不重大吗？自然不是。
尽管地质学家们开发出了很多古气候探究载体，如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼沉积、石笋等，但是热门苹果新品测评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，我们经由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)的转变，但是无法用于探究发生时间在日-小时乃至更短时间尺度的天气转变。
砗磲为何有潜力变成古天气探究载体？
先是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大组成若干。砗磲寿命能达到乃至超过100年，其碳酸盐壳体生长速度相当快，几十年就能长到1米以上。砗磲壳体通常具有年生长纹层乃至日生长纹层，是一种相当理想的高分辨率全球天气转变历史探究载体。
大家得知，我们普遍的小贝壳通常是开口向下，可以经由肌肉移动。但砗磲普通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针对我们做古气候古天气探究相当重大。假如砗磲不停地移动，那么所记录的气候生态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，虫黄藻光兴办用能直接给砗磲提供能量，所以砗磲实际上是靠光兴办用日常的，除了幼年期吃几个虫黄藻外，一辈子差不多不吃东西。砗磲这个靠光兴办用日常的特性，针对我们用砗磲做古天气重建也相当重大，天气一转变，虫黄藻光兴办用效率就会转变，砗磲生长速率等生物地球化学特征就会转变。所以经由评测化石砗磲的生长速率转变，就有或许提取出古代气候和天气转变的信息。
砗磲寿命最长能到100年，大若干在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。尽管不长，但是我们有很多个化石砗磲，有的日常在几十年前，有的在几千年乃至几万年前，很多个化石砗磲在一起，就能提供很多过去的气候和天气转变信息。
先是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，我们可以清晰地目睹纹层，这个纹层就是砗磲的年纹层，由于冬夏的生长速率各异，碳酸盐呈现出各异的光学特征。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。
运用我们评测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。对这些样品开展评测，我们就可以获得月分辨率的氧同位素、元素比值等记录。这些资料首要受温度控制，它们与温度之间有定量关系，可以兴办转换方程，从而计算当时的温度。

这就是运用砗磲开展古气候探究的基础原理。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日常在什么年代，然后在每个年纹层中取超过12个样品，再评测样品的氧同位素和元素比值，然后运用转换方程，计算当时的温度，并研究相应的气候操控系统转变。
到这里为止，我们运用砗磲所做的依然是古气候探究，分辨率为月，依然无法透彻到日-小时尺度的天气转变。
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，使用了生物学探究上常用的激光共聚焦显微镜，在显微镜下我们目睹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，但显微镜能目睹。
这个日纹层很重大，由于它可以用来兴办日分辨率的年代学框架，这也是我们开展日分辨率古天气探究的基础。
假如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历程过的时间一天一天地分开。然后至少可以依据每天的生长宽度兴办砗磲日分辨率的生长速率转变。前面我们也谈及，砗磲生长靠光兴办用，会受到天气转变作用。所以日生长速率的快慢就有或许反映当时的天气转变。
有了精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，把分辨率进一步提升。比如用纳米二次离子质谱评测日纹层中的元素分布。
刚才我们谈及砗磲每个日纹层宽度在10-60微米，而纳米二次离子质谱的评测分辨率可达1微米乃至更高，理论上可在每个日纹层中获得10-60个连续元素资料(资料分辨率0.4-2.4小时)，可兴办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探究了。比如我们察觉，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，差不多都与南海北部的极端天气事情有关，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，砗磲日生长速率会由于天气状况的变差而下降；另外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多，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，有潜力用于探究过去发生的台风、寒潮等极端天气事情。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，运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。然后经由肉眼数年纹层，我们得知了这个砗磲寿命是60年，那么我们就可以兴办连续60年的相对年代学框架。我们可以经由评测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，假如计算结局显示那时候的温度比如今高1.2℃，那么就可以推断我国汉朝的时候，南海的温度比如今高1.2℃，是一个典型的温馨期。进一步运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。接着我们就可以对当时的天气状况开展确认，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，核心在于它有日纹层。那么难题来了，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使用，暂时没察觉还有哪种载体有清晰连续的日纹层。
比如树轮。显微学确认显示，树木基础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。并且树木通常在冬天会停止生长或生长慢慢，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开展了显微学确认，没有察觉日纹层。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。
其他小贝壳跟砗磲相似，理论上或许有，但是相比于砗磲，他们的生长速率太慢，现有技术或许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？对此我们已然做过一些测试，暂未察觉显著缺失现象。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，我们对日纹层开展计数，总日纹层为8649层，平均为每年360到368层，基础上没有显著缺失。
科学释疑
碳14测年误差是否作用砗磲古天气探究？
还有一个难题是，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，是否会作用砗磲古天气探究？
答案是：不会。碳14评测只是告诉我们砗磲日常在什么时代，这已然足够了。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，这样我们就可以确认在这几十年里，天气状况是如何的。
比如上面谈及那个汉朝化石砗磲，我们最后得到的是，在距今2000年左右的60年里，南海温度比如今高1.2℃左右，是个典型的温馨期，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，并不是很重大。