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石笋里的古气候谜团

石笋里的古气候谜团

  北半球冰盖的增长和退缩为什么以10万年为周期?美国明尼苏达大学的一个科学家小组从中国南方溶洞的石笋里找到了神奇的蛛丝马迹。

  两百多万年前,地球开始变得寒冷,南极洲出现了冰封并形成了存在至今的冰盖。北半球格陵兰岛上可能也在同一时期形成了冰盖。地球由此进入第四季冰期。在过去这两百多万年里,冰盖与冰川时而生长,时而退缩,覆盖的面积处在不断的变化之中。

  地球的漫长历史上出现气候变化与冰盖消长似乎不是一件令人意外的事情。但是,科学家发现这其中有一个奇怪的现象:北半球冰盖的增长和退缩是以10万年为周期的。于是,一个人很容易追问,为什么是10万年?

  这简单的一问却是地质学中一个长期悬而未决的难题。过去几年里,以美国明尼苏达大学一组地质学家为主的研究人员找到了一条独特的路径来回答这一问题。现在,他们有可能最终找到了终结冰期的气候过程。

  “以前冰期结束的原因有两个大的假说,我们有机会把所有的冰期结束的事件放在一起,看看这两个导致冰期结束的假说到底是怎么回事。”美国明尼苏达大学高级研究助理程海告诉南方周末记者。

  有趣的是,为他们提供了这一机会的物理证据不是来自于两极的冰盖,不是来自于山岳冰川,也不是来自于海底;它来自于一个乍看之下毫不相干的地方———中国南方的溶洞。

  溶洞里的日历

  据说在1993年,南京附近的一名男孩正在踢足球,突然掉进了地下,由此发现了一个之前不为人知的溶洞。随后,在旅游开发的挖掘过程中,两具直立人的骨骼化石和大量古动物化石被发现。这个溶洞就是南京雷公山葫芦洞。开掘葫芦洞就好像是打开了一段尘封的远古历史。葫芦洞所记载的不仅有古人进化的足迹,还有古气候的信息。

  经年累月,水滴从溶洞顶端的裂缝中滴下来。这些水中含有二氧化碳,在流经石灰岩时能够溶解少量的碳酸钙,形成碳酸氢钙。由水滴带下来的碳酸氢钙在一定的二氧化碳浓度下又会形成碳酸钙。这些微量的碳酸钙在溶洞的地面上缓慢累积,经过漫长的岁月后形成我们今天看到的石笋。

  石笋由下向上生长,如果你将一个石笋切开,就会发现它的内部像大树的年轮一样是一圈一圈的。这样的结构让石笋成为了天然的年代记录装置。

  在发现石笋的年代学功用之前,地质学家确定古气候和年代的方法主要有两种。一种是在两极冰盖中提取“冰芯”。冰芯的层里结构、包含的同位素,乃至气泡里的密封着的远古空气,都能够成为研究古气候的蛛丝马迹。

  另一种方法是研究海底沉积物。海底沉积物中有一种古老的原生动物,叫做有孔虫。它们能够分泌钙质,在沉积物中形成碳酸钙。提取碳酸钙当中的氧同位素信息便能了解到海水当年的氧同位素状况。而海水的氧同位素情况和海平面变化之间存在着极大的对应关系。当海水蒸发,海平面降低时,氧同位素就变重。

  然而,这两大最为广泛使用和最为成功的研究手段也存在着无法解决的难题。海底沉积物的研究没办法判断年代,只好通过一系列的假设来确定,最终难逃“循环论证”的嫌疑。冰芯也像树轮一样可以数层,但最多只能数到两三万年前,便就无法再数下去了。因为由于重力的作用,再下面的部分都已经被压扁了。所以两者都在研究中留下了许多疑问。并且,在这两者之间,怎么把海洋记录和冰芯记录放在同一个时标上———冰芯记录了甲烷、二氧化碳和两极温度的变化,它们怎么和海洋所记录的海平面的变化放在一个时间尺度上,也是一大难题。

  程海等人还曾尝试用珊瑚来研究,但是发现采集到的珊瑚只是生长了十几年或是几十年,而且不同的珊瑚之间也无法连接起来形成更长的年表。

  十年前,程海的一名研究生杰夫·杜拉尔(JeffDorale)用石笋做出了古气候的信息,并把这个消息告诉程海等人。一开始,程海等人并不相信,他们认为不同地区的石笋,不同的石灰岩溶洞,采集到的不同样品,做出来的结果一定是不一样的。于是他们问杜拉尔,你能重复你的结果吗?结果这名学生在不同的石笋上重现了相同的气候信息。“1990年代末和2001年有几项重要的研究发表,现在这个领域已经变得非常热了。”程海说,“十年之前,包括我们在内,很多人都不相信石笋这种方法的。”





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