为什么石笋能够记录气候变化？

　　按照一般的常识性认识，很难理解深藏地下的石头怎么会与气候变化有关。研究小组的蔡炳贵博士说，其实道理很简单，因为洞穴石笋是由滴水带来碳酸盐矿物沉积形成的，而洞穴滴水是雨水通过石灰岩从地表渗透下来的，必然经过土壤层。由于植物的根呼吸和微生物活动，土壤中的空气含有大量二氧化碳。一方面，土壤二氧化碳的多少受温度的控制；另一方面，土壤二氧化碳的多少又能决定岩石被溶解的多少:二氧化碳含量高，水的酸度就大，被溶蚀的石灰岩就多，沉积到洞里的物质也就多；反之，二氧化碳含量低，水的酸度就小，所溶蚀的石灰岩就少，当然沉积到洞里的物质也就少。由此可见，水不但是运输物质的载体，而且也是传递信号的媒介。在从地表向地下传递的过程中，水流不但带有大气温度或降水变化的信号，而且还加入了许多地质、土壤环境变化的信号。当水最后到达洞里，从滴水沉积出来的石笋也就成了一个环境气候变化的记录器。

　　北京市气象局研究员吴正华分析指出，洞内滴水与自然降水不同，它与植被、温度和降水都有关系，带有很多可以利用的环境变化信息。吴正华说:“北京地区早在乾隆年间就利用国外的技术进行气象记录了。从1840年左右，开始有每年每天连续的气象文字记录。如果把中科院地质与地球物理所的石笋研究数据跟这些数据进行比对，建立一个转换方程，从这个方程就能推算出更远年代的气候状况。”

　　如何确认石笋记录的是温度变化？

　　实际上，从发现石笋年生长层、理解石笋如何记录气候变化的基本原理，到通过科学的方法用石笋揭示出气候变化的事实，走过了漫长的路程。谭明介绍说，记录研究是古气候的基础研究，因为没有记录，一切都无从谈起。而记录研究有两件事情做起来最难，一是精确定年，二是定量重建。上世纪末，在发现了越来越多的石笋年层序列以后，全世界的石笋年层研究者都在努力寻找用年层厚度变化重建古气候的方法。不约而同的是，在这个探索过程中，国内外的石笋研究者都借鉴了树木年轮的研究方法。

　　首先，要确定采用什么样的石笋才能正确地进行气候重建。假设气候变化对每年的沉积量有影响，那么，就可以根据沉积量的变化反推气候的变化。但怎样才能正确地测定沉积量呢？一个简单而有效的方法是用年层的厚度代替沉积量，但前提是二者之间存在线性相关关系。形状奇特的石笋虽然观赏价值很高，但其沉积厚度与沉积量之间的关系很复杂，因为这种石笋的单层厚度可能处处不同，所以，用它来代替沉积量是做不到的。因此，必须采用单层厚度比较稳定的圆柱状石笋，才有可能用层厚代替沉积量反推气候变化。这就是“最简单的圆柱状石笋在重建气候的研究中反而最有价值”的道理。

　　其次，专家们要严格按照科学的统计规范进行层厚测量。要求不同的观测者对石笋年层进行重复计数并沿不同线路测量层厚、计算平均，而得到的数据要基本一致；还要辨认出伪年层并给出测量误差，最终才能建立基本反映年沉积量差异的层厚序列。石花洞石笋的2650年层厚序列就是这样做出来的。

　　下一步就是用气象记录去校准层厚序列，即采用仪器记录的逐月、逐年的降水和温度数据对层厚序列做相关计算。通过这个方法就能识别出年层厚度变化所包含的气候信息。由于石笋沉积同时受很多因素的影响，所以，并不是所有的层厚序列都能反映气候变化。很幸运的是，石花洞石笋的年层厚度对气候变化、尤其是对夏季温度的变化比较敏感，这样，最终专家们就获得了公元前665年到公元1985年一共2650年的重建温度。石笋获取于1995年，最顶上一层的年份应该是1995年，但为什么重建气候只到1985年呢？谭明解释说，因为石花洞在1986年向游客开放以后，洞穴内空气的二氧化碳很快上升，这个过程影响了石笋沉积，因此，1986年后的石笋年层虽然也有数据，但其厚度已经不能代表气候变化，所以在温度重建中没有采用。

　　谭明说，经过这些年的研究，我们现在已经知道，与树轮相似，石笋年层厚度在不同地区反映的气候信息也可能是不一样的。如在英国和比利时，一些石笋层厚的变化仍然主要受降水的控制，科学家们已经利用那里的石笋层厚序列通过气象记录校准恢复了过去几千年来的降水变化。

　　这项成果有助于

　　解释全球气候变暖

　　在石花洞石笋重建的温度记录中，温度变化显示了两汉、隋—盛唐、宋—元和现代几个温暖时期。特别是，这条温度曲线显示从15世纪小冰期以来，北京温度就一直波动上升。将这条曲线与“欧亚夏季温度”曲线(由欧洲树轮气候学家布利法建立)、“中国年均温度”曲线(由中国科学家杨保等人建立)放在一起，能够清楚地看出，这三条曲线显示的百年尺度温度变化都从一个低谷(大约300－400年前)不断上升，一直升温到20世纪，并且现在还在继续。

　　这种对不同记录的综合分析很重要，因为，如果比较多的气候记录都表明，早在工业革命以前，全球气温就已经从小冰期返回并不断上升。也就是说，全球变暖，除了“温室效应”这个原因之外，还有一个自然背景。

　　很多古气候学家早就注意到，太阳的能量输出是周期性不断变化的:当太阳黑子增多的时候，其能量输出就会稍稍增大，地球温度就高，反之则低。

　　石花洞石笋通过记录温度变化，同时也就记录了太阳的活动历史，因而为全球变暖的自然背景提供了一个重要佐证。谭明同时指出，这只是一个自然背景，可以帮助解释全球变暖的原因。但出于保护地球环境的目的，任何人都应该无条件地支持减排温室气体行动。

　　北京市气象台台长郭虎介绍，气象部门对于古气候的研究过去主要靠的是取自南极的冰芯等。现在，石花洞石笋的温度记录，有助于判断气候演变，对减灾防灾和决策提供依据。

　　谭明最后说:“当然，我们的研究还在继续，目前在石花洞我们用铀系测定的石笋年代已超过40万年。随着科学研究的深入，将来一定会有更多更精确的科学数据不断做出来，希望能增进人类对过去地球气候变化的了解、也有助于我们对未来地球环境变化的预测。”