砗磲化石隐藏古代天气秘密(2)

　　砗磲表面的外套膜上面，有很多虫黄藻，虫黄藻光合作用能直接给砗磲提供能量，因此砗磲实际上是靠光合作用生活的，除了幼年期吃几个虫黄藻外，一辈子几乎不吃东西。砗磲这个靠光合作用生活的特性，对于我们用砗磲做古天气重建也非常重要，天气一变化，虫黄藻光合作用效率就会变化，砗磲生长速率等生物地球化学特征就会变化。因此通过测试化石砗磲的生长速率变化，就有可能提取出古代气候和天气变化的信息。

　　砗磲寿命最长能到100年，大部分在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。虽然不长，但是我们有很多个化石砗磲，有的生活在几十年前，有的在几千年甚至几万年前，很多个化石砗磲在一起，就能提供很多过去的气候和天气变化信息。

　　首先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，我们可以清晰地看到纹层，这个纹层就是砗磲的年纹层，因为冬夏的生长速率不同，碳酸盐呈现出不同的光学特征。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。

　　利用我们实验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。对这些样品进行测试，我们就可以获得月分辨率的氧同位素、元素比值等记录。这些数据主要受温度控制，它们与温度之间有定量关系，可以建立转换方程，从而计算当时的温度。

　　这就是利用砗磲进行古气候研究的基本原理。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生活在什么年代，然后在每个年纹层中取超过12个样品，再测试样品的氧同位素和元素比值，然后利用转换方程，计算当时的温度，并讨论相应的气候系统变化。

　　到这里为止，我们利用砗磲所做的仍然是古气候研究，分辨率为月，仍然无法深入到日-小时尺度的天气变化。

　　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，采用了生物学研究上常用的激光共聚焦显微镜，在显微镜下我们看到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，但显微镜能看到。

　　这个日纹层很重要，因为它可以用来建立日分辨率的年代学框架，这也是我们进行日分辨率古天气研究的基础。

　　如果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经历过的时间一天一天地分开。然后至少可以根据每天的生长宽度建立砗磲日分辨率的生长速率变化。前面我们也提到，砗磲生长靠光合作用，会受到天气变化影响。因此日生长速率的快慢就有可能反映当时的天气变化。

　　有了准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，把分辨率进一步提高。比如用纳米二次离子质谱测试日纹层中的元素分布。

　　刚才我们提到砗磲每个日纹层宽度在10-60微米，而纳米二次离子质谱的测试分辨率可达1微米甚至更高，理论上可在每个日纹层中获得10-60个连续元素数据(数据分辨率0.4-2.4小时)，可建立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研究了。比如我们发现，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，几乎都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。比如，在台风袭击南海北部的时候，砗磲日生长速率会因为天气状况的变差而降低；同时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加，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，有潜力用于研究过去发生的台风、寒潮等极端天气事件。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，利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。然后通过肉眼数年纹层，我们知道了这个砗磲寿命是60年，那么我们就可以建立连续60年的相对年代学框架。我们可以通过测试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，假如计算结果显示那时候的温度比现在高1.2℃，那么就可以推断我国汉朝的时候，南海的温度比现在高1.2℃，是一个典型的温暖期。进一步利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。随后我们就可以对当时的天气状况进行分析，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，关键在于它有日纹层。那么问题来了，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尝试，暂时没发现还有哪种载体有清晰连续的日纹层。