破解古氣候變遷的密碼

近世紀以來，人口增加迅速，人類為了謀求生存與進一步求得舒適，正不斷改造周遭環境，自然環境受到前所未有的衝擊，諸如沙漠面積的增加､大氣中二氧化碳含量的驟增､臭氧層的稀釋化等，周遭環境的變化明顯到使人類懷疑自己對所生存的環境究竟知道了多少？更擔心我們這個星球對生態不均衡的忍受程度能有多大？如果這些變化持續下去，其後果人類消受得了嗎？科學家意識到必須朝向進一步認識自然環境的變遷而努力。其中最想了解的就是：地球氣候的變遷究竟是如何進行著。

往昔氣候紀錄保存在那裡？

地球上氣候的變遷必然影響生物的生態環境，這是大家都知道的。那麼氣候究竟是如何變遷的？影響氣候變遷的因素又是什麼？那就是科學家們竭心盡力想獲知的事了。我們知道氣候的變化，顯然牽涉地球上氣圈､水圈及地圈三者相互間能量的傳遞與轉移。因此必須地球科學各門密切合作，才有希望解決問題，同時可能仍需靠統計學､生物學等各方面的協助才能完成。最近學界對追蹤數年或數十年､甚至數百年以上時段的氣候變化關切備至，然而若將時間尺幅擴展，看看過去數千年乃至萬年以上的地質時代的氣候變化，或許更能了解什麼才是氣候變遷的主要制約因素。

事實上，要預測未來，唯有擁有更完整的過去的變遷紀錄，才更有把握。在有文字記載的歷史時代裡，氣候變化資料當然可以依靠歷史紀錄，但是史前時代或更早的變化，科學家如何去揭開過去氣候變遷的面貌呢？地質學家發現大自然氣候變遷的紀錄，保存在陸地或海洋的沈積物裡。例如在湖泊靜謐的層層沈泥中，在溫帶地區的黃土沈積中，在廣闊的海洋沈積物中，在兩極冰帽沈積中，或甚至在樹木的年輪、珊瑚的年生長骨骼中。只是如何去讀出氣候變遷的故事，則需靠科學的智慧。本文將簡單介紹如何利用這些物質去認識昔日的氣候變遷。

湖泊沈積物

陸地上的湖泊，經年累月安靜地接受來自空中的落塵，或降雨時地表逕流帶來的沈積物。這些沈積主要為泥或砂，經常含豐富的有機質，隨著年代推移，由下層而上層依序沈積。湖泊淤泥中最寶貴的是含有許多的花粉､矽藻等化石。這些來自於生命的物質，經常捎來當時該類生物生存時周遭環境的訊息。

花粉原是植物花朵雄蕊上的粉粒，隨風飄散於空中，從而沈積在地表或地表水體（如湖泊）中，於是當時的湖底沈泥便有當時的花粉（參閱本刊二十一卷三期〈春城無處不飛花──談孢粉的研究〉一文）。當氣候變遷，植物群分布必然改變，則空中的花粉組合也改變了，因此落於湖底的花粉種類必也跟著改變。如此，若分析湖底由老而新的沈積物中所含花粉化石組合，就能反映周遭植物群的變遷情形，亦即顯示了氣候變遷與湖盆周遭環境變遷的輪廓。

台灣自從1966年日人塚田開始有系統地研究日月潭（日潭）的花粉化石之後，1977年台灣大學植物系及地質系，也均曾做過中部地區數個湖泊及現生湖泊的沈積物花粉分析，包括日月潭的月潭及頭社和魚池的外加道坑古湖泊沈積。這些湖泊在時間上至少涵蓋了最近的十餘萬年以來的紀錄。

雖然當時採樣間距不夠細密，但是自距今13∼7萬年前的間冰期以及距今7∼1萬年前的冰期，以至於最近一萬年來的間冰期的氣候變化趨勢，大體已經可以從這些資料知道。例如在距今7∼1萬年前的冰期裡，前段要比後段冷涼，當時日月潭周圍已是松柏類針葉林為主的森林相。也就是本來分布於更高海拔的樹種因氣候變冷往低處遷移，分布湖周。根據估計，當時溫度可能比今天冷8℃之多。

今日全球科學界，在研究「氣候變遷」這項主題時，更希望能有過去地質時代中每一百或二百年的資料的解析度。因此我們必得重新設計採樣，並配合高密度的定年資料，才能達到上述要求的標準。

陸地上的黃土堆積層

近年來，中國的黃土高原吸引了各國的地球科學家前往研究。黃土原是冰河時期，來自中、高緯度冰帽覆蓋區的外洗平原上的砂土，由於強風將其吹往該地堆積，當冰期結束，進入暖期時便開始進行表土的土壤化。這是因為暖期的氣溫､雨量､植被均已與冰期時不同，而可促進土壤發育的緣故。等到下次冰期再來時，土壤化作用停止，又開始接受強風帶來的黃土堆積物，如此周而復始，留下了黃土層與土壤層交錯的沈積剖面，也留下了冰期與間冰期交替的證據。

近來定年技術的進步，已能證明此剖面中，冰期､間冰期的年代，可與北半球其他陸域區或甚至海洋沈積物研究所得的氣候變化年代相符，因此它是陸域地區相當完整的古氣候紀錄之一。

在西安附近的黃土，就留有最近百餘萬年來的氣候變遷紀錄，主要冰期的時代以及相對強度等均可掌握。例如在距今120∼109萬年前，85∼77萬年前､64∼55萬年前､45∼41萬年前､20∼14萬年前以及7∼1萬年前，均為主要的冰期。由黃土層中粒度的相對粗細，也推得每次冰期不同的風力強度。

冰岩心

冰岩心乃是取自極區冰帽的鑽孔岩心。自從1980年法人狄爾麥（Delmas）等人研究冰岩心，確定了冰期時，冰岩心所捕獲當時的空氣成分與今日的不同，其二氧化碳含量較今約低一半。此後氣候變化與大氣成分的問題，就一直為人們所注意著。

其他各項冰岩心的研究，如年冰層的厚度、各時段的落塵含量等，也積極在進行。如由年落塵量的研究可知自古到今，這些微量氣體含量的變化，甚至火山灰的突然增加等等。加上冰岩心中仍含少數有機物，可作定年材料，以為年代控制點。又由於冰岩心的解析度可以達到每年，因此備受重視。

海洋沈積物

浩瀚海洋能容納萬物，自古即不斷接受來自各處的沈積。按理是地質時代中保存最完整的沈積物的場所。海洋沈積物所含的化石中，以具鈣質殼的有孔蟲對古氣候的研究最有趣。有孔虫是海洋單細胞生物，產量豐富，組成它的殼的碳酸鈣裡，氧同位素種類比例與當時的海水有關。

實際上，冰期時的海水與間冰期時海水的氧分子中，氧同位素18與16之比例並不相同，冰期時的海水含氧-18量較多，間冰期則含氧-18較少。這是因為當海水蒸發時，較輕的水分子（含氧-16多的）易於氣化蒸發，而在赤道往兩極的過程中，若雲氣降為雨水，則又凝集剩餘更多的氧-16於大氣中。到了兩極的雲氣，氧-16的含量就較高，當冰期時，兩極的冰帽擴大，冰帽直接從兩極的雲氣及水凝集而成，所以冰帽中的水分子含氧-16較多；當間冰期再來臨，大量冰帽中的水分子溶於海水，使海水上漲數十到百餘公尺，則此時海水也就隨著含有溶自冰帽的輕水分子。相對而言，冰期時的海水就較重，含較多氧-18同位素。這個效應廣泛地用於：冰期與間冰期的海洋沈積物的辨識及冰床體積的相對消長。

目前資料顯示在最近七十萬年內，兩極冰帽面積至少有七度明顯的擴張過。也就是有過至少七次明顯的冷暖期循環交替，科學家也正努力整合各項資料，將得自陸地上湖泊沈積物､黃土堆積剖面､冰岩心等所得來的古氣候訊息互相比對，嘗試得到更完整的古氣候變遷紀錄。也為了這個目的，各個地區都正努力尋求該地區的古氣候訊息，以提供大架構的全球變遷研究。

樹木的年輪與珊瑚的年生長輪

樹木的年輪能反映氣候的季節，也就是乾､溼､冷､暖的特性。若把樹輪的特徵與歷史記載的氣候狀況加以核對，可建立比對的標準，再將此結果往遠古逆推而知更古時的狀況。近年技術的進步，更研究出樹輪中的氫同位素與其生長當時溫度有密切的關係。由於其解析度可到「年」，所以此項研究相當值得開發。

此外，生活在海洋中的珊瑚，也有類似的功能，分析其骨骼年輪的氧同位素，並注意該地淺海溫度的紀錄，可解析到年或更精細的氣候訊息。例如目前探討艾尼紐氣候（即「聖嬰」現象）的問題，多利用這些材料。

還有古氣候與古環境變遷的訊息，亦能從古土壤與地形的研究上去探索。這是由於氣候型態影響地表風化作用以及地形演育過程。若能加上碳-14的定年資料，將可成為很有效的探究大自然氣候變遷的工具。

氣候變遷的因素有那些？

將來，當科學家逐步將各個地區的古氣候與環境變遷研究詳細後，將可協助驗證氣候變遷的模擬程式。就如同一個假說需要事實來加以驗證一樣。於是可由模式中的參數種類及其邊界條件，加以適度變通或修正，來與地質學上古氣候的資料契合，從而得到合於歷史現象的模式，再據此推測未來。這個理想是每位科學家的憧憬。要朝這份理想走去的第一項考慮，便是要認識影響氣候變遷的因素，再將這些因素量化，輸入大型電腦，模擬各種條件下的狀況。因此，我們需要考慮影響氣候變遷的因素有那些。

現在所認識可能影響氣候變遷的因素可分兩大類：一為屬於地球氣候系統內的，包括：一、洋流運行系統的改變，它使得熱能分布位置改變，即海洋溫度､鹽度狀況改變，而影響大氣的循環系統；二、冰床體積的消長；三、大氣中某些溫室效應氣體的含量變化；四、大氣中灰塵含量；五、生物圈組合的改變及六、人類活動引起的改變等。

另一則為獨立於氣候系統之外的因素，如：一、太陽輻射能的週期；二、地球繞日軌道的變化及三、地球火山活動或古地磁改變等。

近年來，科學家對於因地球軌道的改變所造成的日照量改變，已可加以計算，而得出某緯度在某過去地質時代的日照量狀態。再以地質的證據加以比對，以了解軌道因素本身對氣候變化的影響分量。至於其他的因素，現在正在加強探討並嘗試量化，以便將來可更準確地輸入模式中，所以人類距離建立正確模式了解氣候變化的機制，仍有一段路要走。

這也是人類面臨的一項考驗。例如認識究竟是何種因素為主導？何種因素為後續？到底是氣候先變冷，才有大氣中溫室效應氣體含量的變化，或先有大氣體成分的變化才導致冰期？而這些氣體成分又是如何改變？與那些現象有連鎖關係？諸如此類問題都是很想知道的。

如今科學家們聯合起來，推動國際地圈、生物圈計畫，同時也著重於古氣候與環境變化研究､全球能量和水循環實驗､全球海洋通量研究、熱帶海洋與全球大氣交換作用研究、世界洋流實驗､全球大氣化學研究以及長期生態研究等，這些與氣候變遷主題有關的各項探討。於是將來可以有更好的水圈､氣圈及地圈能量交代轉移模式，並嘗試作過去時代的氣候模擬，並用地質學法求較詳細的古氣候､古環境資訊而對模式加以驗證或評估，以求早日達到合於實際歷史資料的程度，再用來預測並計畫未來。相信凡是生活在這個地球上的人類都有這份理念，我們累積數千年文明至今，將毫無疑問要迎向不可知的未來，必須做一切最好的準備。

劉平妹任教於台灣大學地質系

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