穿越時空的“天氣預報”

楊瑩

每到夏天，熱浪總會使我們不由感嘆，“這一定是我出生以來最熱的一年”。新聞好像也驗證著我們的看法，據說，2019年是有氣象記錄以來的第二熱年，最高溫僅比排名第一的2016年低了0.04℃。還有科學家稱，地球上9 8%的地方，正在經歷著兩千年來最熱的十年。那么，地球上最熱的時期到底是何時呢？科學家怎么知道的？

冰芯中的世界

在兩極地區(qū)，大部分的日子都飄灑著雪花，厚厚的冰川終年不化，大部分冰川已有數萬年的年紀了。在冰川漫長的一生中，它們經歷了很多：火山爆發(fā)、海嘯地震、大極熱期等，也有許多傷痕留在它的體內，包括灰塵、氣泡、海鹽、火山灰和生物燃燒后的灰燼等，這一切都是古氣候學家們夢寐以求的氣候記錄。

美國達特茅斯學院的地球科學教授埃里?！W斯特伯格常年研究冰芯。他和同事們駐扎在南極冰層最厚的地方，用特制的冰芯鉆鉆取出長短不一的冰芯，以便分析不同時期的氣候情況。而冰芯越厚，意味著它的“年齡”越大，也代表著更久遠的年代的氣候情況。取冰的過程至少需要6～8周，北極熊光臨和暴風雪來襲是他們常常面臨的挑戰(zhàn)。

取出冰芯后，研究人員將穿著緊身衣且佩戴多層手套，在配備過濾器和通風孔的超凈室“閱讀”冰芯。首先，非常小心地融化或壓碎樣品，將冰芯制作成一條條體積約8立方厘米的小細條，再運用各種儀器檢查冰條。質譜儀、掃描電子顯微鏡和氣相色譜儀等儀器都可用于在冰芯中偵查微?；蚍肿樱缌蛩猁}分子、金屬離子或放射性元素等，這些是各種氣象異?；驓夂驗暮Φ淖C明。通過研究冰芯中的溫室氣體，如甲烷、二氧化碳等則可以得知當年的溫度情況。

根據冰芯檢查結果，埃里希認為，大約12.5萬年前，南極冰川曾有一次大規(guī)模的融化，這也是人類出現前的最后一次極熱期。舊的冰川融化后，新形成的冰川覆蓋在跨南極山脈上，將整個南極洲分隔成東西兩個冰原，因此兩邊的冰芯記載的氣候變化并不完全相同。

從遠古走來的生物

雖然科學家們沒辦法穿越回遠古時期去測量地球的氣溫，不過他們找到了一些曾親歷過遠古時期的生物，它們能告訴科學家一些氣溫變化的秘密。

有孔蟲是一類古老的原生動物，5億多年前就生存在海洋中。它們的大小僅有0.1毫米～1厘米左右，需要顯微鏡才能看清楚。有孔蟲與軟體動物很相似，全身被碳酸鈣質地的殼包裹著，里面的軟體只要離開海洋不久就會分解。不過，盡管它們渺小又脆弱，卻有著驚人的繁殖力和生命力，現在在海洋中我們還能找到活體的有孔蟲，可謂是名副其實的“活化石”。而且，它們小小的殼上還記錄著上百萬年的氣候變化。

中科院南京地質古生物研究所的研究員李保華帶領的團隊經常出?！按驌啤庇锌紫x，他們向海洋中撒下網眼只有63微米的“漁網”，通過過濾海水，將有孔蟲網羅其中，還會在3000米左右的海底采集由有孔蟲的外殼組成的化石，然后“閱讀”它們記載的氣候日記。

有孔蟲殼體中的鎂離子和鈣離子比值的變化，記錄著它周圍環(huán)境的冷暖。正常情況下，有孔蟲的殼中鈣離子的含量比鎂離子多，但是在溫度較高的時候，有孔蟲吸收海洋中鎂離子的速度將大大提高，最終鎂離子將取代部分鈣離子被保留在殼體中，使得兩者的比值發(fā)生變化。李保華根據有孔蟲的這個特點，“讀出”了45萬年來南海西部表層海水的溫度變化史，結果表明，當時的海洋平均溫度比現在約高1℃～2℃，這個溫度將能使大量冰山融化，海水足以將現在我國長江中下游的許多大城市完全吞沒。

有孔蟲的體內還蘊含著二氧化碳變化的秘密。德國基爾亥姆霍茲海洋研究中心的團隊，通過檢測有孔蟲化石中元素硼的含量變化，推算出了約5600萬年前的古新世極熱期時的海洋pH值及其代表的碳含量變化。結果表明，當時大氣中約有10萬億噸的碳元素，是迄今為止人類燃燒的所有化石燃料的30倍以上，這導致全球平均氣溫高達32.2℃，而如今全球平均氣溫僅有15.6℃左右。

樹木的年輪同樣能反映氣候變化?？茖W家們發(fā)現，樹木在春夏兩季生長速度最快，此時樹干“橫向發(fā)展”的速度快，年輪顯得稀疏。溫度下降后，樹木的細胞停止分裂，年輪間距就會變小，樹干更加致密。降水多、濕度大的時候樹木生長快，反之則變慢，因此年輪也會有相似的變化。有時候，科學家們還能從年輪變化中讀出森林火災、雷暴、霜凍等信息。因此，4000歲高齡的伊朗柏樹、英國紫衫和意大利的栗子樹想必已經記錄了厚厚的氣候“日記”了。

化石背后的故事

活了幾十萬乃至幾百萬年的物種畢竟很少見，因此科學家們更常閱讀的是化石上的“日記”。

蛤蜊是一種有殼的軟體動物，通常營底棲生活，在水底靠吸食路過的藻類和小魚小蝦生存。有些蛤蜊生活在深海底部，由于低溫環(huán)境顯著減少了代謝活動，往往能活成“老壽星”，美國雪城大學的古生物學家琳達·伊凡尼就熱衷于尋找這些“老壽星”，聽它們“講述”從前的故事。

蛤蜊的殼主要成分是鈣，它們的生長方式與樹木相似，每年吸收的鈣質會一圈圈地沉積在殼上，一年就多出一道環(huán)，因此通過計數貝殼的“年輪”就可以得知蛤蜊的年齡。而除此之外，“年輪”的疏密程度則代表著當年的溫度和水汽等的變化。琳達的團隊在南極洲找到了一些生活在5000萬年前的蛤蜊化石，從“年輪”上看，它們每只都約有100多歲，并且都呈現出一種相似的周期性變化。

“老壽星”們的年輪是這樣長的：每隔二至七年，就出現一條寬帶，這條寬帶與前后的數條細帶的間距都要更大一些。為什么會出現這樣的規(guī)律呢？琳達發(fā)現，每當氣溫升高、降水變少的時候，蛤蜊就會變得“活潑”，此時它將吸收更多的食物，能獲得更多的鈣質，使得“年輪”變得更寬更大，這也許就是寬度出現的原因。

不過，寬帶為什么會規(guī)律出現？琳達認為，這是因為千萬年前，厄爾尼諾現象就已經有規(guī)律地反復出現了。厄爾尼諾現象是一種氣候異?，F象，它的周期正是二至七年左右，因為赤道附近東太平洋水面溫度異常上升，導致全球的降雨和氣溫發(fā)生變化，讓冬天更冷，夏天更熱，包括使得南極的水溫異常升高，甚至融化冰山。蛤蜊們的殼忠實地記錄了這一事件。

除了看“年輪”，蛤蜊殼中的氧同位素含量也反映著氣候變化，軟體動物殼中一般含有氧-18和氧-16兩種同位素，兩者比值越高，意味著當時的周邊環(huán)境更為寒冷;反之，則更為溫暖。這種特征不僅蛤蜊有，其他的海洋生物化石也具有相同的情況，比如珊瑚和有孔蟲，它們也以這種方式記錄著古海洋的氣候變遷。

通過“檢索”和比較古今氣候，我們知道了，與曾經的兩極冰川融化、熱帶動植物生活在寒溫帶地區(qū)的時期相比，如今還算不上地球最熱的日子。不過人類也不需要“謙虛”，因為過去地球制造一個極熱期往往需要數萬到數十萬年，而人類使全球平均氣溫升高1.2℃只用了150年，根據人類每年排放十億噸二氧化碳的“豐功偉績”，也許下一個極熱期，就在幾十年后。