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石笋同位素下气候变迁


在我国西南的广西、贵州和云南三省,分布着广袤的喀斯特(karst)地貌,地下溶洞中那似玉柱擎天,如雨云悬空,像宝塔矗立,又仿佛白浪涛涛的钟乳石奇观,给人们留下了深刻印象,而这一切都来自大自然的鬼斧神工。钟乳石(stalactite)又称石钟乳,是碳酸盐岩地区洞穴内石笋、石柱等不同形态碳酸钙沉积物的总称。含有二氧化碳的水与灰岩中的碳酸钙反应,生成碳酸氢钙溶液,溶有碳酸氢钙的水从洞穴顶部滴下时,发生分解反应生成碳酸钙、二氧化碳和水,这就是钟乳石“生长”的过程。在“生长”过程中,水中的氧原子被碳酸钙沉积物保留了下来,由于钟乳石“生长”过程十分漫长,过去的气候变化是否被它记录下来了呢?我们又该如何去解读这些“记录”呢?


滴水沉积 图片来源网络(www.quanjing.com


自然界水中的氧元素以16O18O的同位素形式自然存在,因中子数不同,16O较轻而18O较重。较重的同位素在蒸发、凝结过程(瑞利分馏Raleigh fractionation过程)中趋于液态,而较轻的同位素趋于气态。这一过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。在分馏过程中,温度就好像铃声,“催着”不同质量的同位素由液态“跑向”气态。在水循环的过程中,海洋的中水蒸发,随大气环流输送到陆地上凝结降落,这一过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)。这一比重也被碳酸钙沉积物“记录”了下来,科学家们可以借此探究过去的气候变化。


图片来源网络


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学研究领域的TOP期刊Climate Dynamics上发表了题为《Relationship between the Asian summer monsoon circulation and speleothem172 of Xiaobailong cave》的科技论文,研究利用同位素大气环流模式,从上游降水变化影响的角度,解读了小白龙洞石笋记录下的气候变化信号。小白龙洞地处东亚夏季风与印度夏季风交汇区,里面的洞穴石笋主要记录了雨季降水中的同位素比重。亚洲夏季风的变化显著影响着输送向小白龙洞的水汽及上游区域的降水,强季风年水汽通道上游降水偏多,较重的18O随降水落下,到达小白龙洞的水汽中氧同位素比重较轻,弱季风年则与之相反。简单地说,小白龙洞石笋主要记录下了亚洲季风历史上强度变化,这为解读季风区石笋同位素记录提供了新的角度。希望借由这些古气候代用记录,结合科学的理论和方法,人类有朝一日能完全揭开地球气候变迁规律的神秘面纱。


(Yang Y, et al. 2019)

 


参考文献

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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