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石筍同位素下氣候變遷


在我國西南的廣西、貴州和雲南三省,分布著廣袤的喀斯特(karst)地貌,地下溶洞中那似玉柱擎天,如雨雲懸空,像寶塔矗立,又仿佛白浪濤濤的鍾乳石奇觀,給人們留下了深刻印象,而這一切都來自大自然的鬼斧神工。鍾乳石(stalactite)又稱石鍾乳,是碳酸鹽岩地區洞穴內石筍、石柱等不同形態碳酸鈣沈積物的總稱。含有二氧化碳的水與灰岩中的碳酸鈣反應,生成碳酸氫鈣溶液,溶有碳酸氫鈣的水從洞穴頂部滴下時,發生分解反應生成碳酸鈣、二氧化碳和水,這就是鍾乳石“生長”的過程。在“生長”過程中,水中的氧原子被碳酸鈣沈積物保留了下來,由于鍾乳石“生長”過程十分漫長,過去的氣候變化是否被它記錄下來了呢?我們又該如何去解讀這些“記錄”呢?


滴水沈積 圖片來源網絡(www.quanjing.com


自然界水中的氧元素以16O18O的同位素形式自然存在,因中子數不同,16O較輕而18O較重。較重的同位素在蒸發、凝結過程(瑞利分餾Raleigh fractionation過程)中趋于液态,而较轻的同位素趋于气态。这一過程就好像一群小朋友在操场上玩耍,突然上课铃响了,大家要跑回教室,瘦的小朋友跑得快,先回到教室,而胖的小朋友跑得慢,但只要铃声不停,他们也要一直跑回教室上课。在分馏過程中,温度就好像铃声,“催着”不同质量的同位素由液态“跑向”气态。在水循环的過程中,海洋的中水蒸发,随大气环流输送到陆地上凝结降落,这一過程中水中的氧同位素比重一直受温度影响着。与此同时,与降水相关的一系列因素如降水量,海拔高度,距水汽源地的距离和对流高度等都显著影响着降水中氧同位素的比重(Dansgaard W, 1964; Cai, et al. 2016)。這一比重也被碳酸鈣沈積物“記錄”了下來,科學家們可以借此探究過去的氣候變化。


圖片來源網絡


但是,云南小白龙洞中碳酸钙沉积物的氧同位素比重却不能被局地温度和降水很好地解释,它究竟记录下了怎样的气候变化信号,让人着迷。近日,云南大学大气科学系杨宇博士为第一作者,杨若文副教授与曹杰教授为共同通讯作者在大气科學研究领域的TOP期刊Climate Dynamics上發表了題爲《Relationship between the Asian summer monsoon circulation and speleothem172 of Xiaobailong cave》的科技論文,研究利用同位素大氣環流模式,從上遊降水變化影響的角度,解讀了小白龍洞石筍記錄下的氣候變化信號。小白龍洞地處東亞夏季風與印度夏季風交彙區,裏面的洞穴石筍主要記錄了雨季降水中的同位素比重。亞洲夏季風的變化顯著影響著輸送向小白龍洞的水汽及上遊區域的降水,強季風年水汽通道上遊降水偏多,較重的18O隨降水落下,到達小白龍洞的水汽中氧同位素比重較輕,弱季風年則與之相反。簡單地說,小白龍洞石筍主要記錄下了亞洲季風曆史上強度變化,這爲解讀季風區石筍同位素記錄提供了新的角度。希望借由這些古氣候代用記錄,結合科學的理論和方法,人類有朝一日能完全揭開地球氣候變遷規律的神秘面紗。


(Yang Y, et al. 2019)

 


參考文獻

Dansgaard W (1964) Stable isotopes in precipitation. Tellus, 16: 436–468

Cai Z Y, Tian L D (2016) Atmospheric Controls on Seasonal and Interannual Variations in the Precipitation Isotope in the East Asian Monsoon Region. J Clim 29:1339–1352. doi: 10.1175/JCLI-D-15-0363.1

Yang Y, Yang RW, Cao J, et al (2019) Relationship between the Asian summer monsoon circulation and speleothem  of Xiaobailong cave. Clim Dyn 53:6351–6362. doi: 10.1007/s00382-019-04935-6



 

 
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