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现代气象站观测数据的短时间跨度(大多不到100年)限制了人们对地球气候的理解。一百多年来，地质学家利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、湖泊和沼泽、石笋等，获取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相对较低，通常为几十年到几个月。这种时间分辨率可以用来研究地球过去的气候变化，但不能用来研究一天一小时甚至更短时间尺度上发生的天气变化。

在中科院安志胜院士的指导下，中国科学院地球环境研究所等单位的研究人员经过5年多的努力，发现南海青金石化石可以获得日时分辨率的古代天气信息。相关论文最近发表于《美国国家科学院院刊》。我们的专题论文的第一作者、中国科学院地球环境研究所研究员洪雁向读者解释了相关的科普知识。

　　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长期平均状态或变化，时间尺度从月、季、年、年到数百年不等。气候是以冷、暖、干、湿为特征来衡量的，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，时间尺度为几天、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就成为最重要的任务之一。例如，在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。二十四节气，可以说是伟大的，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多年写了一本书《气象汇论》，这也是世界上最早的气象书。

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在1593年发明的温度计，意大利学者托里切利在1643年发明的气压计，以及索绪尔在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。地面气象观测站和观测站相继建立，形成地面气象观测网络。

尽管人类用了近400年的时间发明了温度计和气压计等气象观测仪器，但早期的观测数据要么没有统一的标准，要么已经丢失，而且相对稀少，地理分布也不均匀。高质量气象站的观测数据可以持续不超过100年，而大多数气象站可以持续不超过100年。

这种不到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世纪中叶以来，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、湖沼沉积物、石笋等。来重建地球过去的气候变化，于是一门古气候学学科诞生了。

例如，树轮的宽度可以用来重建过去几千年某一地区的温度或降水变化。利用珊瑚周年层的氧同位素和元素比值重建海洋表面的温度变化；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100多年的努力，地质学家们已经成功地为过去6500万年甚至更久的地球气候变化构建了一个框架。这一知识极大地丰富了我们对地球气候历史的理解。它让我们知道地球历史上有过超级大冰期和超级暖期，也有过严重的冰期-间冰期循环。它还帮助我们理解了全球变暖在地球气候史上的当前位置。

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、湖沼沉积物、石笋等。它们所能提供的信息的时间分辨率太低，通常是几十年到几百年，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。换句话说，我们通过这些地质生物载体获得的是数百年乃至数月的平均气候信息。这些信息可以用来了解地球气候的变化(以月为单位或以上)，但不能用来研究白天或更短时间尺度的天气变化。

　　砗磲为何有潜力成为古天气研究载体？

首先，让我们看看什么是巨人。

拉古纳是世界上最大的双壳类贝壳，自始新世(约5000万年前)以来一直是热带太平洋-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。青金石的外壳通常有年生长线层，甚至生长线层，这是全球天气变化高分辨率历史研究的理想载体。

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，这种巨大的蛤蜊通常被固定在珊瑚礁板上，开口朝上，一生都不会移动。这个固定的特征对我们进行古气候和古天气研究非常重要。如果巨蚌继续移动，记录的气候和环境信息将会随着位置的变化而受到干扰。幸运的是，只要它不移动，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。它只是一个天然的“地质气象站”。

青金石表面的地幔上有大量的金藻，金藻的光合作用可以直接为青金石提供能量，所以青金石实际上是靠光合作用生活的，除了童年时期的一些金藻外，他一生几乎什么也不吃。光合作用生活的特点对我们用青金石重建古代天气也很重要。天气变化时，菊花的光合效率会发生变化，青金石的生长率和其他生物地球化学特征也会发生变化。因此，通过测试拉古纳化石的生长速度变化来提取古代气候和天气变化的信息是可能的。

这种巨型蛤蜊的最长寿命可达100年，其中大部分在50年左右。换句话说，一只巨型蛤蜊可以提供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，有些生活在几十年前，有些生活在几千年甚至几万年前。总之，许多化石可以提供许多关于过去气候和天气变化的信息。

首先，让我们来看看巨型蛤蜊的年轮。我们可以清楚地看到在南海西沙采集的一段青金石薄片。这个纹层是青金石的一年生纹层，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性。叶片的宽度每年都不同，大约1-20毫米。它在童年时长得更快，随着年龄的增长变得更慢。但它不会像人一样变老。

利用我们实验室研制的微型钻孔设备，可以从拉古纳的每一年层中获得12个以上的样品，并且可以获得具有月分辨率的样品。通过测试这些样品，我们可以获得氧同位素和元素比的月分辨率记录。这些数据主要受温度控制。它们和温度之间有定量关系。可以建立转换方程来计算当时的温度。

这是利用青金石进行古气候研究的基本原理。通常，在收集化石后，我们会用放射性碳年代测定法来确定它生活的大致年龄。然后我们将从每年的层中取12个以上的样品，测试样品的氧同位素和元素比值，然后用转换方程计算当时的温度，讨论相应的气候系统变化。

到目前为止，我们对中国蛤蜊所做的仍然是古气候研究，分辨率为几个月，仍然无法深入研究昼夜尺度的天气变化。

下一点是，在此之前，我们用肉眼观察了巨型蛤蜊的年纹层。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。日光层的宽度是10-60微米。换句话说，巨型蛤蜊实际上每天都长一小层，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，这也是我们用日分辨率研究古代天气的基础。

如果有一个清晰而连续的日光层，那么我们就可以日复一日地分离我们在这个物种生命中所经历的时间。那么至少可以根据日生长宽度来确定文蛤日分辨率的生长率变化。我们之前也提到过，拉古纳的生长依赖光合作用，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。

借助每日分辨率的精确时间框架，我们可以进一步利用每个日光层来进一步提高分辨率。例如，纳米二次离子质谱用于测试日光层中的元素分布。

刚才我们提到，青金石的每个日光层的宽度为10-60微米，而纳米二次离子质谱的测试分辨率可以达到1微米甚至更高，理论上每个日光层可以获得10-60个连续的元素数据(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，我们发现拉古纳的日-小时分辨率增长率和元素比率记录中的脉冲型突变几乎都与南海北部的极端天气事件有关，例如夏季的台风和冬季的寒潮。举例来说，当台风袭击南海北部时，丽港城的每日增长率会因天气情况恶化而下降。与此同时，台风带来的大风搅动可导致海洋表面铁、钡等营养物质的增加和地表生产力的提高，这些都记录在青金石的地球化学参数中。

这些信息表明，拉古纳的太阳生长线层有可能被用来研究过去的极端天气事件，如台风和寒潮。换句话说，每年有多少台风，有多少暴雨，冬天有多少寒潮等等，所有这些都可以在青金石化石中读到。

例如，我们用碳年代测定法获得了一个牙形刺化石，它在大约2000年前幸存下来，也就是在中国的汉代。通过肉眼观察几年的条纹，我们知道这种巨型蛤蜊的寿命是60年，因此我们可以建立一个连续60年的相对时间框架。我们可以通过用月分辨率测试氧同位素和元素比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℃，那么我们可以推断南海的温度比汉代高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，我们可以获得过去60年的日小时分辨率生物地球化学记录。然后我们可以分析当时的天气状况，比如有多少台风，有多少暴雨，冬天有多少寒潮，等等。

　　延伸阅读

　　砗磲独有的日纹层

如前所述，拉古纳有记录古代天气信息的潜力，关键在于它的日光层。然后问题出现了，其他地质生物载体有日光层吗？比如树木年轮和珊瑚。

答案是，科学家们也做了许多尝试，目前还没有发现任何其他具有清晰和连续日光层的载体。

例如，树轮。显微镜分析显示，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，并且无法获得日光层。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本进行了显微镜分析，没有发现日光层。从理论上讲，作为一个单一的生命体，每天生长一层钙质流体是合理的。另一方面，珊瑚是由聚集形成的

其他小贝壳与青金石相似，理论上可能存在，但与青金石相比，它们的生长速度太慢，现有技术可能难以从它们获得清晰和连续的日光层。

有人问，太阳的叶片会有缺陷吗？我们已经对此做了一些验证，但是还没有发现任何明显的缺失现象。例如，我们在南中国海收集了一个非常大的青金石。年纹层和同位素循环表明其寿命为23.5-24年。我们已经计算了日光层，总日光层是8649层，平均每年360-368层。基本上没有明显的不足。

科学释疑

　　碳14测年误差是否影响砗磲古天气研究？

另一个问题是碳14定年误差将是几十年，化石拉古纳的定年只能由碳14决定。这会影响对拉古纳古代天气的研究吗？

答案是:不。碳14测试只告诉我们我们生活在哪个时代就足够了。我们最需要的是精确的相对年表，以确保我们获得的每日分辨率记录在巨型蛤蜊的一生中连续几十年，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是一块巨大的岩石。我们最终得到的结果是，在大约2000年前的60年里，南海的温度比现在的温度高大约1.2℃，这是一个典型的温暖时期，以及在这60年里台风、暴雨和寒潮的情况。这60年是2060-2000年还是2070-2010年并不重要。

洪雁

[主编:田伯群]