古氣候

古氣候是指史前地質時期的氣候。有別於歷史時期氣候，又稱地質氣候或地史氣候，研究這一時期氣候狀況和變遷的學科稱古氣候學，主要依據古生物和地史資料等中得到的化石、沉積物、孢粉等信息推斷氣候的乾濕和冷暖變化。 ^[1] 

地球氣候變遷遺留的痕跡很早就被人們所注意。中國北宋時期的沈括通過對延州（今陝西省北部）化石的觀察，提出在當時氣候條件不宜竹類生長的延州，可能在“曠古以前，地卑氣濕而宜竹”的觀點。1686年，英國R·胡克根據波特蘭角的海龜化石和巨大的菊石，認為該地過去氣候曾經是比較温暖的。1840年，瑞典J·L·R·阿加西根據阿爾卑斯山的冰川堆積，第一次提出地球氣候史上曾出現過冰期氣候。20世紀初，德國A·彭克和E·布呂克納著《冰川時期的阿爾卑斯山》，將阿爾卑斯山第四紀大冰期劃分為4個冰期（後又劃分成5個冰期）。20世紀以來，許多學者對古氣候進行了研究。中國氣象學家竺可楨曾對歷史氣候作了大量研究，他的《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》（1972年）一文受到國內外有關學者的普遍注意。 ^[1] 

地球上儀器觀測的氣候記錄，最長不過二、三百年。有兩類資料可以把氣候記錄延長到沒有儀器觀測的年代：一類是歷史資料，如考古發掘文物、歷史文獻等；另一類是各種天然氣候記錄，包括樹木年輪、地層中的生物化石、植物孢粉、各類沉積物的特徵，以及各種自然地理因子變遷的痕跡等。這些天然氣候記錄有連續的，也有間斷的，其適用的地理範圍、研究的時期及在氣候上的意義也都不相同。時期愈早，古氣候記錄愈少。

地質時期氣候研究主要包括尋找古氣候證據和確定證據年代（稱為斷代技術）兩個步驟。前者採用地質學方法、地理學方法和同位素方法（物理學方法）等。地質學方法是根據生物生存條件、岩層和沉積礦牀的形成與氣候的關係，通過對地層中生物化石和沉積物等特性的研究，闡明地質時期氣候在時間和空間上的分佈和變化規律。例如：煤層的存在，可以推斷為濕潤氣候；出現珊瑚礁，可推斷為温暖氣候；有石膏、岩鹽，可推斷為乾燥氣候。此外，通過地層中植物孢粉判別母體植物的種屬，可推測過去的植被及其相應的氣候。地理學方法主要是考察自然地理環境的變遷，如海平面的升降、河流和湖泊水位的變化、冰川和雪線的進退、沙漠和凍土以及森林等界限的推移，用以估計相應的氣候演變。同位素方法是利用元素同位素含量和比值來推測過去氣候的温度，其中以氧同位素方法應用最廣。例如，利用氧同位素比值可以測定極地冰原不同冰層形成時的温度況。自然界的氧有氧-16、氧-17、氧-18三種同位素。在冰層形成時，氣温越低，其中氧-16和氧-18的比值越高。因此，可以根據氧-16和氧-18比值的變化，瞭解第四紀海面温度的變化。氧同位素方法同樣可用於測定鐘乳石和樹木年輪形成時的温度。利用碳-13和碳-14的比值，也可推測過去的温度，但應用不太廣泛。

斷代技術是確定各種證據形成的順序和年代。可分為相對斷代和絕對斷代。相對斷代只説明證據在形成時間上的新老順序，主要依據古生物方法加以劃分，如孢粉斷代、地層學斷代等。絕對斷代是明確給出證據形成的絕對年代，主要是根據岩石中放射性同位素蜕變產物的含量加以測定的。

歷史氣候研究主要利用歷史文獻和考古發掘物中關於氣候的證據，分析歷史時期的氣候狀況。

我國有大量的歷史時期天文學、氣象學和地球物理學現象的可靠記載，許多古文獻中有着颱風、洪水、旱災、冰凍等一系列自然災害的記載， 以及太陽黑子、極光和彗星等不平常的現象的記錄，而中國歷史文獻記載的時間可以準確到年，甚至到月、日。與其他的需要通過實驗室技術測定年代的代用資料相比，它的年代認定清楚，這一優點可以有效地用於對其他代用氣候記錄的年代校訂。

地球起源以來的約46億年中，氣候曾發生過多次巨大變化。現今人們還無法瞭解地球早期的氣候狀況，只能通過某些直接和間接的方法，推測約20億年以來的氣候變化。前寒武紀以來，至少出現過多次全球性的大冰期。

一般認為，對地質時期温度的估計從中生代（距今2.3～0.67億年）起才比較可靠。據H·弗洛恩估計，中生代時的年平均温度在兩極附近為8～10℃，低緯度熱帶地區為25～30℃。

新生代（距今約6700萬年以來）氣候的主要特徵是中緯度温度緩慢地下降，而熱帶地區卻無明顯變化。它導致南極洲冬季降雪，山嶽冰川逐漸增加，大洋底水温下降。大約在距今500萬年以前，南極地區已出現冰蓋。到250萬年前，北半球冰島等地區也開始出現山嶽冰川，以後格陵蘭等地的現代冰川又相繼形成。於是，地球氣候逐漸進入到一個新的大冰期，即第四紀大冰期。

第四紀大冰期開始時間有很大爭論，但多數人認為始於距今 200萬年以前。第四紀氣候是以大陸冰蓋和中、高緯度山嶽冰川為主要特徵，統稱為第四紀大冰期。在第四紀內，依據冰川覆蓋面積的變化，可劃分出幾次冰期和間冰期。由於氣候變化隨地區的差異和研究方法的不同，各地劃分的冰期有所不同。

第四紀中以里斯冰期的冰川作用最為強烈，當時地球有十分之二到十分之三的大陸面積為冰川覆蓋（現今約為十分之一）。在亞洲，冰蓋到達貝加爾湖附近。

冰期氣温平均比現代低 8～10℃。間冰期氣温比現代高，北極地區氣温較現今高10℃以上，低緯度地區也較現今高5～6℃。冰期和間冰期温度的巨大變化，導致其他氣候要素和自然地理因子的變化：①雨帶分佈的變化。冰期時，極地冰原面積擴大，極地反氣旋增強，極地高壓帶向中、低緯度地區擴展，迫使行星極鋒帶移至中、低緯度地區，導致中、低緯度地區低氣壓活動頻繁，雨量充沛，湖水面積擴大。例如，亞洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等,在冰期時均為濕潤地區,但在間冰期時，上述地區的氣候常很乾燥。②雪線的升降。冰期時,全球山嶽雪線普遍下降,大多數山嶽雪線下降1000～1400米，熱帶地區雪線下降700～900米。③海平面的升降。冰期時，地球表面的水相當大的一部分形成巨大冰蓋而留在陸地上，海平面因此降低。例如，玉木冰期時的海平面比現代低約100米。在間冰期最暖時期的海平面，可能比現代高出15～30米，甚至更高。④生物羣落的遷移。在冰期時，冰川擴張，氣候帶向低緯度地區移動。在間冰期時，冰川退縮，極地地區氣温升高，氣候帶向高緯地區移動。與氣候帶相應，生物羣落也隨之南北遷移。例如：克里米亞（里斯冰期）的地層裏發現過北極狐、北極鹿化石；在南高加索，從冰期地層裏發現過猛獁象化石，這些都屬於極地動物。在間冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜温動物羣活動。

冰後期（約從1萬多年前開始）,全球氣温逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進入較為温暖的時期。

古氣候學（paleoclimatology）是研究地質時期氣候形成的原因、過程、分佈及其變化規律的學科。即根據物質成分、沉積岩結構特點和生物，按一定的理論和方法推斷各地質時代的氣候。古氣候學的研究與地質學、古生物學、地球化學、同位素化學、大氣物理學和天文學等密切相關。 ^[1] 

19世紀早期，古氣候的研究材料主要來源於歐洲和北美。由於當時北美前寒武紀晚期冰川沉積尚未發現，所以認為整個地質時期的氣候都是温暖的，直到第三紀氣候才開始變冷，到第四紀更新世出現冰川。把高緯度地區指示温暖氣候的沉積與化石，認為是熱帶或亞熱帶氣候曾達到極地附近的證據。

19世紀後期至20世紀初期，在南大陸發現晚古生代冰磧物以後，地質學家不再把冰川看作是更新世特有的古氣候現象。於是對高緯度地區曾存在温暖氣候的事實產生了另一種解釋，即地質時期古地理面貌與現今不同，各大陸及相對的極地曾發生過大規模的位移。這就是魏格納大陸漂移説的基礎之一。與此同時，先後有不少論述古氣候的論著，從而奠定了古氣候學的基礎。

20世紀50年代以後，利用現代大氣物理學研究成果，古氣候學在研究方法、測試技術、古氣候成因研究以及應用上都有較大的發展。還把地球的熱平衡、輻射分佈、大氣環流、洋流、氣候帶等理論應用到古氣候的研究中去。此外，還對影響古氣候的地內和地外原因進行深入探討。

另一重要的進展是根據氧同位素對古氣温的測定。60年代以後，古代海洋和大陸温度定量恢復方法的發展，對第四紀大冰期陸、海、冰古地理的恢復，大氣海洋一般環流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對氣候的影響的研究等，使古氣候學取得了很大發展。

氣候變化早為人們關注，洪澇、旱災早與人類的生產、生活，甚至生死存亡休慼相關。自從有文字以來，各地旱澇災情的記載隨處可見，可見氣候與人類關係之密切。

近年來，人們又議論着一個新的話題：世界氣候真的會越來越暖嗎？世界氣候變暖真能把南極大陸的冰蓋融化嗎？海平面真的會因此而出現災難性的上升嗎？……

過去，環境變化並未被人們重視。然而，近來，人們在關注氣候變化的同時，也關心着環境狀態的演變。諸如，城市空氣是否變得污濁，飲用水和食物是否被污染，南極臭氧洞是否能向北移動威脅人類的安全，……

要評價現代氣候和環境的變化很自然地要考證過去氣候和環境的歷史資料。然而，有觀測記錄的歷史氣候資料，最長的只有數百年，而歷史環境資料就更短了，真正有觀測記錄的是最近幾十年的事。

科學家們知道，氣候和環境變化的準週期長短不一，有幾年，幾十年，幾百年甚至幾千年。因此，恢復古氣候和古環境變化資料，是研究未來氣候和環境演變的基礎。

我國氣候學奠基人竺可楨先生首先採用古代文字記載、物象等手段，恢復了我國5000年來的氣候演變，成為世界上研究古氣候變化的一個里程碑。然而，恢復古環境資料，恢復比5000年更古老的氣候資料仍然沒有得到解決。

正當氣候學家和環境學家冥思苦想的時候，冰川學家幫了大忙。

冰川學家在研究南極大陸冰蓋的年齡及其形成的歷史過程時，採用了鑽取冰岩芯樣品的方法來測定冰川的年齡和形成過程。他們發現，從冰川的冰岩芯樣品中，不僅能測定冰川的年齡及其形成過程，還可以得到相應歷史年代的氣温和降水資料，以及相應年代的二氧化碳等大氣化學成分含量，開闢了恢復古氣候和古環境的新的道路。

由於南極大陸的冰蓋厚度深達幾百至幾千米，而且氣候極其寒冷，成冰過程中無融化現象，因而，從這兒鑽取的冰岩芯樣品能較準確地代表歷史氣候和環境的真實狀況，這是南極得天獨厚的條件。

記載表明，從南極大陸冰蓋獲取的冰岩芯樣品，到現今已超過2000米，獲得了15萬年以前的古氣候和古環境資料。

首先，談談怎樣獲取冰齡的資料。南極大陸冰蓋是由積雪本身的重量長年擠壓而成，稱作重力冰。在南極地區，由於氣温低，積雪不融化，每年的積雪形成一層層沉積物，年覆一年，從底部至上逐漸形成一層層的冰層，越向上年代越新。冬季氣温低，雪粒細而緊密；夏季氣温高，雪粒粗而疏鬆；因而，冬夏季積雪形成的冰層之間具有顯著的層理結構差異，宛如樹幹的年輪一樣，用這種直觀的方法只可辨認約90米厚的冰層，代表近500年的冰沉積。

要測定100米以上深度的冰層年齡，必須採用氧同位素方法。

所謂氧的同位素，即同屬氧元素（O）但具有不同質量數的氧原子，如¹⁶O，¹⁷O和¹⁸O就是氧的三種同位素。氧元素符號左上角的數就是它的質量數，顯然，¹⁸O的質量大於¹⁶O。¹⁸O不易蒸發，¹⁶O易蒸發。因而，在夏天高温時，水中所含¹⁶O減少，故¹⁸O/¹⁶O的值增加；冬天低温時，¹⁸O/¹⁶O的值減小。據此，測定冰岩芯中各冰層的¹⁸O/¹⁶O值的變化，即可確定冰層的年齡：其比值的每一起伏為一年。

有了冰層的冰齡資料，再進一步確定各冰齡的氣温和降水，便有了歷史氣候的最基本資料了。

原則上，可以根據各年冰層厚度來確定當年降水量。其條件是，必須選取風速很小地區的冰岩芯資料才能排除風吹雪的影響。如，在南極內陸區域，由於風速小，冰芯資料最理想。

用冰岩芯提取古代氣温資料的方法，可通過如下途徑來進行。

首先，實際測定一組現代南極冰蓋上某點的氣温以及相應時間降雪中¹⁸O/¹⁶O的值，得到南極地區氣温與¹⁸O/¹⁶O值關係的曲線；之後，把過去某一年冰層中¹⁸O/¹⁶O值與上述曲線比較，即可知道當年的氣温。

原蘇聯科學家利用這種方法，測定了南極東方站0～2038米的冰岩芯樣，從中提取了15萬年以來全球氣温的變化資料。

獲取古環境資料的方法可根據不同的大氣化學成分而定。

二氧化碳與氣候的密切關係，早為世界關注。因此，獲取二氧化碳歷史資料的問題首先得以提到日程。

在南極地區降雪堆積並擠壓成冰層的過程中，總會保留下冰間空穴，保存着當年的空氣。在分析冰岩芯樣品時，分析冰芯中滯留氧泡的大氣化學成分，即可測得其二氧化碳的含量。有了上述測定冰齡的前提，二氧化碳的歷史演變資料即可得到。

依照同樣方法，還可分析得到諸如甲烷、氮等氣體的歷史資料。

從冰岩芯樣品中還可分析其它各種元素成分的歷史資料，如：硫，砷，氟，鉀，……這些都是研究環境變化的重要依據。同鑽取冰岩芯樣品分析古氣候和古環境資料的思路一樣，從南極地區的湖底沉積中鑽取巖芯，也可得到古氣候和古環境的歷史資料。

為什麼從湖底沉積物的柱狀剖面中能夠提取古氣候和古環境的信息呢？

大家知道，在氣候嚴寒的極地條件下，温度是植物生長的主要限制因素。温度高，有利於植物生長，温度低，植物生長受到限制。可見，有機質含量高和植物殘體豐富應指示相對高温條件；反之，有機質含量低和植物殘體貧乏應指示相對低温狀況。據此，可以用湖底沉積物樣品各沉積層中的植物殘體含量變化來定性地描述歷史氣温的變化趨勢。另外，由於南極地區氣温低，植物有機體分解緩慢，因而，湖底沉積物中能保存較多沒有完全分解的或比較完整的植物殘體，為我們通過湖底沉積物來反演歷史氣候變化資料提供了可能條件。

南極地區湖底沉積物樣品的年齡是採用14C方法測定的。要知道¹⁴C方法測定年齡的道理，首先我們要了解什麼叫¹⁴C。¹⁴C即原子質量數為14的碳原子。其次，我們要知道¹⁴C的性質。在自然界中，所有含碳物質均在與大氣不斷地交換，而產生新的¹⁴C補充於該含碳物質中；同時，按照放射性衰減的規律，¹⁴C又在不斷地減少，如此補充和衰減的綜合結果，使所有含碳物質中的¹⁴C含量保持動態平衡。然而，一旦含碳物質停止與大氣交換（如：生物死亡，碳酸鹽沉澱理藏於地下等），¹⁴C得不到補充，原來含有的¹⁴C將按其衰減規律減少，即每隔5730年左右，¹⁴C含量將減少一半。

瞭解了¹⁴C的性質，¹⁴C測年法也就不難明白了。從埋藏在地下的生物殘體或含碳樣品中，測定含碳樣品中¹⁴C的原子數，再與現代自然界裏相同含碳物質中¹⁴C的原子數相比較，就能知道樣品的¹⁴C原子數減少了多少，根據其半衰減週期為5730±40年的規律，該樣品的歷史年代就可找確定了。

南極地區為人類藴藏瞭如此豐富的古氣候和古環境檔案資料，應該能為研究現代和未來氣候的演變提供有效的科學依據。

例如，從南極內陸冰芯中獲得的15萬年來氣温演變資料不難看出，距今2萬年以來，全球氣温開始上升，近1萬年以來一直處於高温期間（間冰期），這與近數十年來實測全球平均氣温逐漸增高的結果相符。這是"人類活動影響全球變暖"的有力證據。於是，有人預測，未來氣候將逐漸變暖，論據是工業發展和人類活動將不斷排放出更多的二氧化碳和甲烷等温室氣體，加熱大氣。然而，根據冰芯得到的氣温歷史資料也表明，在距今約12萬年到14萬年之間，地球上也有一個高温期，且其平均氣温值要比近1萬年來的平均氣温值還要高。如果説，近一萬年來，尤其是近百年來地球上氣温升高是由於人類及工業活動的影響，那麼，距今十多萬年前的高温期是否也是受人類和工業活動的影響呢？從已知的人類發展史來看，顯然，當前還沒有充分的根據證明是人類活動的影響。

人類在討論數十年來全球平均氣温升高的原因時，往往歸咎於二氧化碳含量增加產生的“温室效應”。若僅就這數十年的情況看，的確，兩者之間似乎存在着正相關。然而，若仔細對比二氧化碳含量與氣温變化之間關係，情況就不完全相同了。例如，距今11萬年～10萬年間，氣温一直在升高，但同期的二氧化碳含量卻在下降。這説明，氣温和二氧化碳濃度變化之間,並不一定都有明顯的成正比變化的關係。

可見，由南極地區冰岩芯反演得到的古氣候和古環境資料，一方面為未來氣候和環境變化可提供預測依據，同時，也可為解釋當今氣候環境變化的原因提供有效的科學思路。 ^[1]