蛤蜊化石隐藏了古代天气的秘密

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美丽的活青金石

南海青金石化石壳

一块化石青金石的横切面上，一年生薄片的数量表明这种青金石的寿命约为60年

黄色是通过激光共焦显微镜拍摄的照片中的测试获得的元素的比率

南海西沙逐时分辨率的元素比值记录，其中脉冲突变是台风的杰作

现代气象站的观测数据时间跨度短(大多不到100年)，限制了人们对地球气候的了解。100多年来，地质学家通过使用地球上的各种地质生物载体，如冰芯、海洋沉积物、树木年轮、珊瑚、湖泊和石笋，获得了大量关于地球过去气候变化的数据。

然而，当前古气候研究载体的时间分辨率很低，通常从几十年到几个月不等。这个时间分辨率可以用来研究地球过去的气候变化，但它不能用来研究发生在白天或更短时间尺度的天气变化。

在中国科学院院士安志胜、中国科学院地球环境研究所研究员等的指导下。，发现具有日时分辨率的古代天气信息可以从南海化石中获得。相关论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。中国科学院地球环境研究所研究员洪雁为读者做了一个科普解读。

为什么只有古气候而没有古气候？

气候是大气物理特征的长期平均状态或变化，时间尺度是月、季、年、年到数百年或更长。气候以冷、暖、干、湿为特征，通常以某一时期的平均值和偏差值为特征。天气是大气物理特征的瞬时状态，时间尺度是几天、几小时、几分钟甚至几秒钟，如暴雨、台风、寒潮等。

自从人类文明诞生以来，认识气候和天气变化已经成为最重要的任务之一。例如，中国古代历史文献中记录了大量关于气候和天气变化的信息。二十四个伟大的节气诞生于春秋战国时期，至今仍在使用。在欧洲，古希腊哲学家亚里士多德在公元前300多年就写了一本《气象文集》，这也是世界上最早的气象书籍。

16世纪中叶以后，欧洲工业的发展促进了科学技术的发展，各种气象观测仪器相继发明，如意大利学者伽利略于1593年发明的温度计，意大利学者托里切利于1643年发明的气压计，以及索绪尔于1783年发明的湿度计。这些仪器为建立气象站提供了必要的条件。地面气象台站相继建立，形成地面气象观测网络。

虽然温度计和气压计等气象观测仪器已经发明了近400年，但早期的观测数据要么没有统一的标准，要么已经丢失，地理分布稀疏而不均匀。高质量的气象站观测数据可以持续不超过100年，而大多数气象站只有不到100年的时间。

不到100年的气象数据远远不足以准确理解地球气候和天气的变化并预测未来。为了弥补现代仪器数据的不足，自19世纪中期以来，地质学家开始使用地球上的各种地质生物载体，如冰芯、海洋沉积物、树木年轮、珊瑚、湖泊沉积物、石笋等。，重建地球过去的气候变化，从而诞生了一门古气候学学科。

例如，用树木年轮的宽度来重建某一地区过去几千年的气温或降水变化；利用氧同位素和珊瑚年层元素比重建海洋表面温度变化:黄土沉积物的粒度用来指示过去几百万年东亚冬季风的强度。

经过一百多年的努力，地质学家已经成功地构建了过去6500万年甚至更长时间里地球气候变化的框架。这一知识极大地丰富了我们对地球气候历史的理解，使我们知道地球历史上有过超级冰期、超级暖期和严重的冰期-间冰期循环，也帮助我们了解全球变暖在地球气候历史中的地位。

尽管在古气候学研究方面取得了大量的成就，为我们理解地球气候变化提供了重要的帮助，但似乎我们很少听到古气候学这个词。古气候学不重要吗？当然不是。

尽管地质学家已经开发了许多古气候研究载体，如冰芯、海洋沉积物、树木年轮、珊瑚、湖泊沉积物、石笋等。，他们所能提供的信息的时间分辨率太低，通常从几十年到几百年，而最高分辨率的载体，如年轮和珊瑚，只能达到几年或几个月。也就是说，我们通过这些地质生物载体得到的是几百年来的平均气候信息，最多几个月。这些信息可以用来理解地球气候的变化(在月和月以上的尺度上)，但不能用来研究发生在白天或更短时间尺度上的天气变化。

为什么有潜力成为古天气研究的载体？

首先，让我们知道它是什么。

作为世界上最大的双壳类贝壳，自始新世(约5000万年前)以来，它一直是热带太平洋-印度洋珊瑚礁的重要组成部分。青金石的寿命可以达到甚至超过100年，它的碳酸盐外壳长得非常快，几十年就能长到1米以上。它通常有年生长线层，甚至有日生长线层，是研究全球高分辨率天气变化历史的理想载体。

众所周知，我们常见的小贝壳通常向下张开，可以穿过肌肉。然而，青金石通常是随着它的张开而固定在珊瑚礁板上的，而且一生都不会移动。这一固定特征对我们研究古气候和古天气非常重要。如果天青石继续移动，记录的气候信息将会随着位置的改变而受到干扰。幸运的是，它一生都不会移动，就像海洋气象站一样，它会在同一位置记录周围的海洋、天气和气候信息。这是一个自然地质气象站。

钩体表面的地幔上有许多金生植物。金植物的光合作用可以直接为植物提供能量。因此，扣钩实际上是靠光合作用生活的，除了幼年时的几棵金毛植物之外，几乎不吃任何东西。光合作用生活的特点对我们重建古代天气也很重要。随着天气的变化，野油菜黄单胞菌的光合效率会发生变化，其生长速率等生物地球化学特征也会发生变化。因此，通过测试中华鳖化石的生长率，提取古代气候和天气变化的信息是可能的。

青金石的最长寿命可达100年，其中大多数在50年左右。换句话说，一颗青金石可以提供50-100年的气候或天气记录。虽然时间不长，但我们有许多化石，其中一些生活在几十年前，一些生活在几千年前，甚至几万年前。许多化石加在一起可以提供许多关于过去气候和天气变化的信息。

首先，让我们来看看每年的谷物层。我们可以清楚地看到在南海西沙采集到的三叶草的一个剖面中的薄片。这一层是三叶草的一年生层，因为冬季和夏季的生长速度不同，碳酸盐表现出不同的光学特征。谷物层的宽度每年都不同，大约1-20毫米。它在婴儿期生长得更快，在老年时生长得更慢。但是当它变老的时候不会长高。

利用本实验室研制的微型钻井设备，每年可从地层中获得12个以上的样品，并可获得月分辨率的样品。通过测试这些样品，我们可以获得每月分辨率的氧同位素和元素比率的记录。这些数据主要受温度控制，它们与温度之间存在定量关系，因此可以建立转换方程来计算当时的温度。

这是利用荔枝进行古气候研究的基本原则。通常，在采集化石后，我们会用放射性碳年代测定法来确定它生活的年代，然后每年从化石层中提取12个以上的样品，然后测试样品的氧同位素和元素比率，然后用转换方程来计算当时的温度，并讨论相应的气候系统变化。

到目前为止，我们用荔枝做的仍然是古气候研究，几个月的分辨率，我们还不能深入到日时尺度的天气变化。

接下来，关键的一点是我们用肉眼观察了一年一度的薄层，但后来我们升级并采用了生物研究中常用的激光共聚焦显微镜。在显微镜下，我们看到了清晰而连续的太阳生长线层。太阳能颗粒层的宽度为10-60微米。也就是说，青金石实际上每天生长一个小层，但是我们不能用肉眼看到它，但是我们可以用显微镜看到它。

这个日光层非常重要，因为它可以用来建立日分辨率的时间框架，这也是我们研究日分辨率古天气的基础。

如果有一个清晰而连续的每日层，那么我们就可以一天一天地分离青金石生命中流逝的时间。然后，可以至少根据日生长宽度来建立日分辨率的生长率变化。正如我们前面提到的，青金石的生长依赖于光合作用，并且会受到天气变化的影响。因此，日增长率可以反映当时的天气变化。

有了每日分辨率的精确时间框架，我们可以进一步对每一个每日层大惊小怪，并进一步提高分辨率。例如，使用纳米二次离子质谱来测试元素在日光层中的分布。

刚才我们提到每个太阳能层的宽度是10-60微米，纳米二次离子质谱的测量分辨率可以达到1微米甚至更高。理论上，每个太阳层可以获得10-60个连续元素数据(数据分辨率为0.4-2.4小时)，可以建立每小时分辨率的地球化学序列。

利用日分辨率和地球化学逐时分辨率记录的增长率，可以进行日-时分辨率的古天气研究。例如，我们发现日时分辨率增长率和元素比值记录的脉冲状突变几乎与南海北部的极端天气事件有关，如夏季的台风和冬季的寒潮。例如，当台风袭击南海北部时，由于天气条件的恶化，日增长率将下降；同时，台风引起的大风搅动可导致海洋表层铁、钡等营养物质的增加和表层生产力的提高，这已被记录在地球化学参数中。

这些信息表明荔枝日生长线层具有研究过去极端天气事件如台风和寒潮的潜力。也就是说，每年有多少台风、暴雨、冬季寒潮等等，所有这些都可以在青金石化石中读到。

例如，我们获得了一个青金石化石，它在大约2000年前幸存下来，也就是说，在中国的汉代。然后，我们用肉眼知道这种青金石的寿命是60年，连续几年，所以我们可以建立一个连续60年的相对时间框架。我们可以通过测量氧同位素和元素比率的月分辨率来计算当时的平均气候状态。如果计算结果表明当时的温度比现在高1.2℃，那么可以推断汉代南海的温度比现在高1.2℃，这是一个典型的暖期。进一步利用激光共聚焦显微镜和纳米二次离子质谱技术，我们可以获得过去60年来日时分辨率的生物地球化学记录。然后我们可以分析当时的天气状况，比如冬天有多少台风、暴雨和寒潮。

扩展阅读

傈僳族独特的日晷层

如前所述，记录古代天气信息潜力的关键是它有一个太阳条纹。那么问题是，其他地质生物载体有太阳条纹吗？像树木年轮和珊瑚。

答案是科学家们已经做了很多尝试，但是他们暂时还没有发现任何其他具有清晰连续太阳条纹的载体。

像年轮一样。微观分析表明，树木基本上在一个季节里生长一些细胞层，但不是每天都生长。此外，树木通常在冬天停止生长或生长缓慢，并且不能提供连续的记录。

另一个例子是珊瑚。我们还对南海的珊瑚样品进行了显微分析，没有发现日光层。从理论上讲，它是一个每天分泌钙液的单一生命体，所以长一层是合理的。另一方面，珊瑚是由珊瑚虫分泌的钙质骨骼聚集而成，理论上很难有一个清晰连续的日层。

其他小贝壳类似于理论上可能存在的青金石。然而，与青金石相比，它们的生长速度太慢，并且在现有技术中可能难以从它们获得清晰和连续的日层..

有人问，太阳条纹会有缺陷吗？我们对此做了一些验证，但还没有发现明显的缺失现象。例如，我们在南中国海采集了一颗大型青金石。年辉纹和同位素循环的年寿命显示为23.5-24年。我们统计了每天条纹的总数，是8649，平均每年360-368层，基本上没有明显的缺陷。

科学解释

碳14定年误差会影响古代天气研究吗？

另一个问题是碳14的年龄误差将是几十年，化石青金石的年龄只能由碳14决定。这会影响对古代天气的研究吗？

答案是:不。碳-14测试只告诉我们扣钩生活在哪个时代，这就足够了。我们最需要的是准确的相对年表，以确保我们获得的日分辨率记录在青金石生命的几十年中是连续的，这样我们就可以分析这几十年的天气状况。

例如，上面提到的汉代化石，我们最终得到的是在大约2000年前的60年里，南海的温度比现在高1.2℃，这是一个典型的暖期，以及这60年来台风、暴雨和寒潮是如何发生的。这60年是2060-2000年还是2070-2010年并不重要。(洪雁)

编辑:张洋