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同位素：古氣候演化的“記錄員”
幾千年前，人們通過看云、辨風(fēng)、識(shí)天象來預(yù)測(cè)天氣，總結(jié)出眾多廣為人知的天氣諺語。如今，人們通過氣象監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等方式精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，預(yù)報(bào)未來天氣變化。無論是以前還是現(xiàn)在，天氣預(yù)報(bào)對(duì)于我們來說都至關(guān)重要。那我們又該如何探知擁有數(shù)值天氣預(yù)報(bào)以前的地球氣候呢？其實(shí)大自然這位不朽的藝術(shù)家，早以山川草木為畫布，描繪了包羅萬象的氣候律動(dòng)圖，為我們記錄了全球氣候演化的各種信息。同位素正是古氣候演化的“記錄員”。
一、“解密”同位素追蹤的原理
同位素能夠記錄過去的氣溫信息，主要是利用了同位素質(zhì)量分餾的相關(guān)原理。例如通過氫氧同位素分析可以對(duì)古氣候進(jìn)行反演，通俗地說，就是在同等溫度下，輕同位素更容易散發(fā)到空中，重同位素更容易富集在水中，而天然水體蒸發(fā)的強(qiáng)度主要受氣候的影響，這樣不同水體中的氫氧同位素組成便能反應(yīng)氣候狀況。當(dāng)受氣候變化影響的水體封存在一些地球深部空間的時(shí)候，就可以用來研究古氣候。
圖1 大氣中氧同位素分餾原理
二、解開古氣候秘密的載體
各種天然氣候記錄就是解開古氣候秘密的載體，包括樹木年輪、地層中的生物化石、植物孢粉、各類沉積物以及各種自然地理因子變遷的痕跡等。
樹木年輪由于具備分辨率高、分布廣泛、易采集、定年精確等特點(diǎn)，往往成為最常用的載體之一，而年輪同位素分析也逐漸成為年輪學(xué)研究的重要途徑。它通過研究樹木年輪的木質(zhì)部碳、氫、氧穩(wěn)定可測(cè)的同位素比值，探索氣溫、降水、濕度等氣候和環(huán)境因子的變化，提供過去氣候和環(huán)境變化的豐富信息。
古生物化石是地球歷史的見證，“攜帶”的同位素蘊(yùn)含著豐富的信息。研究地層中生物化石的特性，可以揭示地質(zhì)時(shí)期氣候在時(shí)間和空間上的分布和變化規(guī)律，例如：存在煤層，可以推斷為濕潤(rùn)氣候；出現(xiàn)珊瑚礁，可推斷為溫暖氣候。通過地層中植物孢粉判別母體植物的種屬，也可推測(cè)過去的植被及其相應(yīng)的氣候。
洞穴次生碳酸鹽沉積物的形成過程與大氣圈、生物圈、巖石圈及水圈存在密切的關(guān)系，而同位素就在記錄這一過程。石筍作為洞穴次生碳酸鹽沉積物的一種，是從巖溶系統(tǒng)的二氧化碳-水-有機(jī)碳-碳酸鹽體系中沉積產(chǎn)生，具體而言是大氣降水經(jīng)過洞穴上覆土壤和植被形成巖溶滲流水，當(dāng)滲流水通過石灰?guī)r時(shí)，會(huì)形成可溶性碳酸氫鈣，最后進(jìn)入洞穴形成滴水，滴水沉積過程中析出的碳酸鈣最終形成了次生化學(xué)沉積物（石筍、石鐘乳、鵝管、石柱、石簾等）。其中氧同位素的變化反映了洞內(nèi)溫度的變化、降水中氧的變化、洞內(nèi)通風(fēng)的變化以及降水的季度分配等信息；而碳同位素的變化可以反映碳三（C3）和碳四（C4）型植物的比值變化，進(jìn)而推演植物生長(zhǎng)的氣候環(huán)境。
圖2 溶洞景觀
研究樹木年輪、生物化石以及洞穴沉積物等地質(zhì)載體，獲取同位素信息，為全面深入研究古氣候變化規(guī)律提供了重要基礎(chǔ)。隨著同位素質(zhì)譜儀的不斷升級(jí)、研究能力的不斷提高，未來我們一定會(huì)進(jìn)一步揭開氣候律動(dòng)圖的神秘面紗，為評(píng)估未來氣候變化提供更多參考依據(jù)。