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【前沿论坛】程海:同位素与全球气候变化
2018-06-11 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

报告人:程海 | 整理:付玉、付扬(新生代室) 

  今天的报告主要是给学生们讲的。从我做了多年科研工作的经验来看,科学的研究就是工具和科学问题之间的互动。首先你要把你的工具做到世界最好,然后是发现科学问题,也就是你的最好的工具能解决什么最重要的科学问题。有的人拿着很好的工具去乱用一阵,把时间精力耗掉了,没有抓住根本的东西。这样做付出的劳动也不少,但成果很少,所以凝练和聚焦科学问题相当重要。 

  我们知道诺贝尔奖没有地学的奖项,克拉福德奖(Crafoord Prize)每四年轮一次,在地学领域的地位和诺贝尔奖相当,甚至还要更高。1986年克拉福德奖获得者,同位素地球化学家G. J. Wasserburg给我很大启发的一句话是“科学的发展有时是由于有了把新锹而急于挖掘;有时则是需要挖掘,而好坏有了一把锹(Sometimes science advances because of a new shovel and the urge to dig a hole somewhere. Sometimes science progresses because there is a need to excavate at a particular place and an appropriate or inappropriate shovel is invented.科学问题和工具是联系在一起的,你要有科学问题,还要知道用什么工具来做它。你发明了一个工具来把这个科学问题解决了,你在这个行业里就是突出的。另一方面,你有了一个工具,也需要知道能够解决什么样的科学问题。 

  鲁班是世上杰出的工匠、发明家,他发明的斧、锯等木工器械、碾、磨等生活用具,我年轻的时候人们还在用,并没有多大的改进,而鲁班已经用这些工具作出了典范,没有新工具我们就无法超越他的成就。今天要给大家讲讲我最近研究的工具和科学问题。共三个方面。 

  质谱我只做铀系,能把铀系做好就已经很了不起了,如果做很多其他的同位素体系,做不过别人就不如只做一种,这样有可能会做的好些。一个人的工作需要集中方向,不能太散,在一个方向上做的比别人好些就已经很了不起了。要收缩战线,不要拉太长。当然有的人不一样,能够做好许多事,但这样的人不多,这只是我的心得。 

  在铀系质谱分析上,最大的改进就是不断提高质谱仪的计数效率(counting efficiency),从最初的小于千分之一到了现在的百分之二三,数量级上的不同,这是最大的进步。我们国家已经建了很多实验室,买了很多外国仪器,数量上质量上都比别人厉害,为什么我们的科研成果相比外国没有压倒性的优势?我想是因为我们有了工具,也知道科学问题是什么,我们的问题是缺少了一个支点。我们铀系质谱的支点就在新的久期平衡标准(secular equilibrium standards)的建立这是真正的关键,我们比别人做得好的支点就在这。以前我们总是想,在地壳深部或者一些没有受过任何后期风化淋滤的位置,时间保存很长的封闭体系才能达到平衡,可以拿来做标准。我们也尝试过做玄武岩,花岗岩等,我们觉得是原始的,不会有变化的,但做出来的数据很分散,并不能指示标准,也没有收敛于某一点。说明这并不是一件容易事。最后我们还是在洞穴中找到了石笋这个标准。在神农架地区一个距洞口一千五百米深的黑暗世界,没有生物,相对湿度100%,恒温的地方,天然地保存了可以作为久期平衡标准物质的石笋。石笋的核心层被后来生长的外层长期很好地保护着,最终达到了U-Th同位素的久期平衡。许多洞穴老样品的测试结果是收敛的,由此我们得到了230Th234U的半衰期。这里的过程不再详细讲,我要说的是我们做一个东西,需要了解它的技术发展历史和现状,找到自己的支点在哪里,有了支点才能用我们买来的先进仪器(工具)撬动技术的变革。我们2013年的文章[1]标志着我们在这个领域有一定程度的领先(也是高被引论文)。 

  第二个问题是14C-calibration,这是一个半个多世纪以来的经典问题。现在国际上通用的是INTCAL-13International Calibration-13[2]作为大气中的14C随时间变化的标准曲线,依然有待进一步完善。目前,工具上我们有铀系质谱,还有做14C用的加速器质谱,都很先进。可是从材料来讲,石笋中有大量的死碳,是不太好用于做14C-calibration的。在石笋的形成过程中,降雨在土壤中溶解CO2,分压增高,再溶解石灰岩,在洞穴中去气后沉淀出碳酸钙(石笋),这个过程形成的碳酸钙理论上会有一半的死碳。如果控制不了其中死碳的含量,这个材料就不能作为一个很好的样品来做过去14C的变化。我们很早就意识到南京汤山的葫芦洞很奇妙,我们国家早就有汪永进等[3]做过。我们做过一些初步工作,意识到葫芦洞的情况有些不一样,死碳很少。最近考察中发现葫芦洞的盖板有红色砂岩和石灰岩两种。汪等的研究中的样品就是采集自红色砂岩顶板的下方。这里的滴水的14C年龄是很稳定的,表面年龄集中在四百多年,这是因为这个洞穴特殊的机制。想清楚这个问题之后我们对葫芦洞石笋做了14C的分析,结合铀系年代学工具得到了新的14C变化曲线。明年即将发表的INTCAL-18的比树轮数据更老的部分(1.4万年-5万年)将主要是来自于我们团队所做的葫芦洞的数据。基本上可以说葫芦洞的数据反映了当今14C-calibration 的最高水平,从INTCAL-13被每天被引用约3次,可见其重要性,其所有作者的引用率排名都很高。或者说,做重要科学问题的好处之一是高引用率,在目前的考核制度下,对年轻学者可能会有影响。 

  我们用铀系年代学来做14C的标准曲线,不仅仅因为我们有铀系的核心技术,也是考虑到如果14C的标准曲线校正的基础是我们的石笋久期平衡标准,这样我们中国的实验室就有可能给出晚第四纪年代学的最为重要的标尺。我们许多年前看到这一工作的价值,多年来不惜代价把数据做到极致,目前似乎已经非常接近目标了。对学生们来讲,你们的科研事业刚刚起步,压力太大,更需要有好的设计:在完成考核制度“短平快”的工作之余能够在解决重要科学问题上作出前瞻的思考。这一方面可以多和好老师、大科学家交流,大家的教诲会让你受益终生。 

  第三,讲讲三氧同位素(16O-17O-18O),我一直以来十分看重这一潜在的新工具。可是我们的实际情况与想象的有很大落差,现在我们有了实质性的进展,但来的晚了些。简单地说,三氧同位素可以指示水汽来源的蒸气压,且不受温度控制,是很有潜力的代用指标(proxy)。为了取得国际领先的技术突破,值得投入我们有限的资源和努力。一旦我们能把目前一维(18O)的指标变成二维的(17O-18O),这就是国际领先的工作,就能够期待看到新的现象。Broecker and van Donk发表第一条深海氧同位素曲线[4]时,数据量并不多(一个冰期旋回约30个数据),但是揭示了十万年周期的冰期-间冰期旋回。我们也不需要做太多数据,要首先建立起一个框架,也许别人后续的研究就很难跳出这个框架了,我们的工作也就成为先导的工作。在这方面我们确实已经有了18O17O初步数据。下一步首先希望建立不同的重要气候系统的框架,例如进行南美洲石笋的18O-17O研究,因为这涉及到亚马逊地区的水汽来源问题,是大家非常关注的方面。 

  刚才讲了工具与重要科学问题的关系,我的意思是好好看看自己的工具究竟能够用来解决哪个最有意义的科学问题?这个选择很大程度决定了自己的将来;或者自己领域最重要的科学问题是哪个?需要什么工具来解决?如果没有,能否发明一个来加以解决,这样你会走在科学前沿。接下来来简单讲几个科学问题。 

  第一个,气候变化的轨道假说已有一百多年的历史,目前的轨道理论也已经沿用很多年:1941年米兰科维奇提出轨道假说[5],气候变化主要由太阳辐射作为能量驱动,因而受到轨道参数的控制。而狭义的米兰科维奇理论中,北半球高纬太阳辐射影响冰盖,冰盖变化影响气候系统。比如在岁差旋回上,冰量响应太阳辐射有五千年的滞后,这个滞后一部分来自物理因素的影响,冰盖融化需要时间。1976年米兰科维奇假说得到古海洋记录的证实,成为米兰科维奇理论。更近一步地,Ruddiman提出了气候对轨道参数变化的两种响应模式[6],一种是滞后响应(late response),北美和欧洲的大冰盖是遵循滞后响应的,或者说全球冰量变化在地轴倾角和岁差周期上滞后约5千年。而低纬和南半球可能不滞后,即早期响应(early response),这不符合狭义的米兰科维奇理论。过去解释冰盖信号的变化强调的是高纬的驱动过程。前人在北美Devils Hole的工作[7]则出人意料地发现温度或其他指标记录的上升要比太阳辐射变化的信号提早了1万年,由此推测其不受太阳辐射的控制,挑战了米兰科维奇理论。我们把高精度铀系年代学应用在北美洞穴记录上,做了Buckeye Creek CaveBCC)和Devils Hole的记录。我们最新的研究工作[8]重新分析了这些北美石笋的数据,认为仍然是符合米兰科维奇理论的。北美气候记录具有显著的岁差周期,其与海平面、墨西哥海湾海面温度同相位,但滞后北半球六月太阳辐射约五千年,即响应九月(秋季)而非夏季的太阳辐射变化。我们利用铀系绝对年代证实了米兰科维奇假说在这一重要方面的正确性。我们亚洲季风区季风降水的δ18O在轨道尺度上响应北半球七月太阳辐射,符合所谓的早期响应机制。这样,在岁差旋回上亚洲季风与北半球七月(夏季)太阳辐射同相位,而南美季风与一月(南半球夏季)太阳辐射同相位,呈现反相关系。从季节性降水的氧同位素差异这个角度来说,季节性降水在南北半球间的差异不管在季节尺度上还是轨道尺度上都是反相位的。 

  此外,我们在以色列和乌兹别克斯坦的研究也显示出,西亚和中亚西风带的记录都与北半球七月(夏季)太阳辐射同相位,是符合早期响应机制的。这与北美中纬度西风带是不同的,而与亚洲季风的相位相同。实际上这进一步从地质记录上证实气候模拟结果中亚洲季风与西亚、中亚西风系统所具有的耦合关系。大气CO2CH4的浓度变化在岁差周期上也存在相位差,CO2的变化与全球冰量变化相似,响应九月太阳辐射,符合滞后响应机制;而CH4的变化则响应七月太阳辐射,符合早期响应机制(图1)。简单地说,存在冰量驱动和太阳辐射驱动两种机制,亚洲季风系统主要响应七月太阳辐射的驱动,这与我们观察到的我国七月份降水最强的现象是相符合的。关于这个问题还有另一种说法,由于时间关系在这里不多说。 

   

  1 不同气候系统响应太阳辐射变化相位示意图 

  从轨道理论上来讲,早于米兰科维奇假说半个多世纪的另一经典假说很少有人再提起了,这就是克罗斯假说。克罗斯的假说强调南北半球岁差周期上太阳辐射变化的反相位[9],比米兰科维奇早半个多世纪。在今天看来二者似乎皆有可取之处,相辅相成。我们结合米兰科维奇和克罗斯的假说,提出新的轨道理论:早期响应和滞后响应两种现象都应该是存在的。在岁差尺度上,滞后响应是指太阳辐射变化通过冰量和CO2反馈驱动全球温度及北半球部分中高纬的气候变化;早期响应通过太阳辐射的岁差南北半球的消长以及和全球季风相关的中低纬湿地排放CH4反馈,驱动南北半球中低纬度反相位气候变化。我想这会使得轨道理论更加合理。 

  米兰科维奇从假说到理论,是被深海氧同位素的变化曲线所证实[10],但也正是这篇文章提出了该理论的深层次问题,即“十万年难题100ka problem”:太阳辐射的变化主要受岁差和地轴倾角参数变化的控制,在偏心率周期上的变化实际上是很弱的,然而在深海记录中偏心率的十万年周期是最强的。我们分别将亚洲季风记录(δ18O)和南极温度(δD)记录中的太阳辐射和长周期信号去掉,得到亚轨道尺度的变化,对比两者就可以发现亚轨道尺度亚洲季风记录(Δδ18O)与南极温度记录(ΔδD)的精确遥相关关系(图2)。 

2 亚洲季风与南极温度亚轨道尺度变化的简明关系 

  这可以说是一种“Nature is pleased with simplicity”的表现(牛顿的著名论断)。我个人的感觉是在研究工作中,一旦做出了很简明的东西,很可能就是对的,而在我们领域过于复杂的东西往往可能是错的。在另一方面,这也是符合奥卡姆剃刀原理(Occam's Razor的,这是西方哲学的一种传统。所谓奥卡姆剃刀原理的核心其实是简单的理论更容易被检验(more testable)。我们的假说可以在其他的中国石笋记录中得到简单而直接的检验。其实在我们地学中过于复杂的关系经常出现,很难证实或证伪,所以常常同一科学问题有许许多多不同的解释,我个人认为这时应该考虑这把奥卡姆剃刀。Δδ18O ΔδD记录不仅具有反相的显著相似性,揭示了南半球高纬度地区与北半球中低纬度季风区气候变化之间的“简明”关系,更重要的是两个记录都具有相对偏心率更为显著的岁差及倾角周期,这实际上进一步回答了“100ka problem”这一经典科学问题。因为我们发现千年事件(主要的亚轨道变化)与冰期终止事件是有内在相似性的,因此它们也被称为小幅度冰期终止事件(low-amplitude versions of terminations)、不成功的冰期终止事件(failed terminations)或未完成的冰期终止事件(unfinished terminations)。所有这些千年尺度事件和冰期终止事件都在我们上述亚轨道尺度气候变化的记录中,它们响应太阳辐射的岁差和地轴倾角周期的变化,从某种角度上说回答了十万年难题。 

  还有一个千年尺度上的问题,就是北半球高纬驱动的问题。Broecker最早提出了大洋传送带理论[11],用来解释北半球高纬冰量的变化、热盐环流的变化、北半球气候突变等的机制。WAIS(西南极冰盖钻探项目)的文章[12]提出了格陵兰冰期突变事件早于南极约200年。基本上进一步确定了北半球在突变事件中的驱动角色。这是冰期的情形,但全新世间冰期北大西洋Bond事件的情况要复杂得多,驱动机制并不清楚。我们在南半球印度洋罗德里格斯岛做出的记录(未发表)显示明显的千年周期。从其他的记录可以看出间冰期北半球的气候是相对稳定的,而南半球的气候变化幅度比较大。在这样的情况下北半球驱动的说法是有深层次问题的,北半球缺少如此大的驱动力来导致南半球发生比冰期更大幅度的气候变化。我们新的认识是南半球在间冰期可能驱动北半球的主要气候事件。Bakker等发表的模拟结果[13]显示南极冰盖排放所引起的温度异常(降温)导致了北半球的升温,反过来,南半球的升温导致北半球的降温,即“跷跷板”关系。现有的研究和我们的新假说并没有矛盾。我们的新假说还有待进一步的论证,在论证的过程中可能有一定变数,但这是可以推动我们学科前进,加深我们对全新世气候变化的认识的。 

  在过去十多年有许多石笋研究的文章发表,这些文章在古气候领域产生了重要的影响,被NatureSciencePNAS他引超过200次,其中还包括有中国地学文章引用质量第一的论文。这一领域还有一个重要问题没有回答,就是高低纬驱动的相互联系的机制,亚轨道尺度的千年事件是由高纬驱动还是低纬驱动的,尤其是与其相关的动力学链条。从学生的角度来讲,能找到这个重要的问题,并且找到工具去解决,就已经前进了很多,就可能比同行做得好。在这一问题上,主流的观点认为主要是北半球高纬驱动[10],而低纬驱动[14]的呼声也不弱,但缺少有绝对年龄限定的记录证据来支持。比如新仙女木(Younger Dryas)事件,在高纬的指标记录中曲线变化比较陡峭,中低纬的指标记录变化则比较和缓,过去我们采用曲线变化的中值点进行对比,发现高纬和中低纬的变化之间存在200年的时间差,实质上就隐含着低纬首先发生变化而后驱动高纬变化的假设了。但事件的持续时间在高低纬地区并没有很大差异,因此如果把事件起始的中值点进行对比并认为低纬优先发生了变化,终点的时限再进行对比时就无法吻合了,大家也没有思考为何选取这个中值位置进行对比。但我们利用石笋铀系年代学可以把亚轨道尺度事件的起止、持续时间误差控制在十几年,这一点存在积累误差的冰芯记录是做不到的。我们已经在欧洲高纬地区取得了很多石笋样品,其变化趋势和冰芯记录一样,有理由相信这代表着与冰芯相同的高纬信号。因此以石笋为材料已经具备了高低纬之间事件的高精度直接对比的条件,可以把事件的先后关系做出来。我们要解决中国气候的问题,只做中国范围内的记录是不够的,那会‘盲人摸象’,因为中国的问题涉及到全球气候系统很多要素的相互作用。例如,低纬的南美亚马逊地区降水的“出口”接近大洋传送带的重要节点,如果存在南美季风的巨大变化,是否可能会在这一地区有明显影响,并且作为低纬驱动的途径之一对整个气候系统产生影响? 

  关于全新世的气候变化,我们通过年层计数把MIS11做到四年的分辨率,把它的自然变率表述清楚了,定义了永兴事件,是和全新世Bond事件相对应的。我们还根据过去2000年的气候变化趋势与之前的全新世变化趋势的不同首次提出了“2kyr shift”的概念,划分了早中全新世的时间节点[8] 

  中国的研究还要结合国家需求,我们做了近-现代西太平洋副热带高压和太平洋十年际涛动对我国气候的影响。我们也要确定季风的不同尺度周期。在这一方面我们现在做的记录分辨率已经常常达到季节或月份,实际上已经是气象的范畴了,或者说做的是气象变化的工作了。 

  我们还做了印度季风降水与古印度文明的关系(在印度引起极大关注)、全新世未来气候变化的预测等问题,由于时间关系今天不能细讲。今天主要和学生们分享我的科研感悟,现在的社会竞争压力非常大,但只要静心地前瞻,机遇就常在。希望我的报告能对同学们的科研工作有帮助。   

  参考文献

  [1] Cheng H, Edwards R L, Shen C C, et al. Improvements in 230Th dating, 230Th and 234U half-life values, and U-Th isotopic measurements by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 371: 82-91. 

  [2] Reimer P J, Bard E, Bayliss A, et al. IntCal13 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0–50,000 years cal BP[J]. Radiocarbon, 2013, 55(4): 1869-1887. 

  [3] Wang Y J, Cheng H, Edwards R L, et al. A high-resolution absolute-dated late Pleistocene monsoon record from Hulu Cave, China[J]. Science, 2001, 294(5550): 2345-2348. 

  [4] Broecker W S, van Donk J. Insolation changes, ice volumes, and the O18 record in deep-sea cores[J]. Reviews of Geophysics, 1970, 8(1): 169-198. 

  [5] Milankovi M. Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem[M], 1941. 

  [6] Ruddiman W F. Orbital changes and climate[J]. Quaternary Science Reviews, 2006, 25(23): 3092-3112. 

  [7]] Winograd I J, Coplen T B, Landwehr J M, et al. Continuous 500,000-year climate record from vein calcite in Devils Hole, Nevada[J]. Science, 1992, 258(5080): 255-260. 

  [8] Cheng H, Edwards R L, Sinha A, et al. The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations[J]. Nature, 2016, 534(7609): 640-646. 

  [9] Croll J. Climate and time[J]. Nature, 1875, 12: 329-329. 

  [10] Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J. Variations in the Earth's orbit: pacemaker of the ice ages[J]. Science, 1976, 194(4270): 1121-1132. 

  [11] Broecker W S. The great ocean conveyor[J]. Oceanography, 1991, 4(2): 79-89. 

  [12]] Buizert C, Adrian B, Ahn J, et al. Precise interpolar phasing of abrupt climate change during the last ice age[J]. Nature, 2015, 520(7549): 661. 

  [13] Bakker P, Clark P U, Golledge N R, et al. Centennial-scale Holocene climate variations amplified by Antarctic Ice Sheet discharge[J]. Nature, 2017, 541(7635): 72-76. 

  [14] 汪品先. 低纬过程的轨道驱动[J]. 第四纪研究, 2006, 26(5): 694-701. 

  致谢:感谢程海教授、郝青振研究员对本文的认真审核。

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