科学家用激光聚焦显微镜发现砗磲有潜力成为古天气研究载体

来源:中国海洋网    关键词:激光聚焦显微镜, 古气候研究,    发布时间:2020-03-19

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现代气象站观测资料时间跨度较短(大多不到100年),制约了人们对地球气候/天气变率和机制的理解。为了弥补器测资料的短缺,近100多年以来,地质学家们利用地球上的各种地质生物载体,如冰芯、海洋沉积、树轮、珊瑚、湖沼、石笋等,获取了大量地球过去气候变化的资料。这些古气候知识极大丰富了人们对地球气候历史的了解,同时也对检验气候模式和预测未来气候变化具有不可估量的价值。


但是,当前古气候研究载体的时间分辨率较低,通常为数十年到月。这样的时间分辨率可以研究地球过去的气候变化,但是无法用于研究发生在天-小时甚至更短时间尺度的天气变化。这极大地限制了人们对过去不同气候背景下古天气(Paleoweather)状态和变率的认识;比如过去温暖气候背景下台风会不会更多更强、极端暴雨的强度会不会大幅度提升等。而这些信息,对于预测未来全球变暖预期下地球极端天气系统的状态和变率,以及灾害评估、生存风险和可持续发展等,都非常重要。


近期,在中国科学院院士安芷生的指导下,中国科学院地球环境研究所热带气候变化实验室,联合中科院地质与地球物理研究所、中科院大气物理研究所、中科院广州地球化学研究所、南京信息工程大学、长安大学、广西大学的科研人员,经过5年多的努力,利用激光共聚焦显微镜(LSCM)和纳米粒子质谱(NanoSIMS),从南海现代砗磲壳体中获得了多个天-小时分辨率的生物地球化学记录,并证实这些超高分辨率的记录可用于研究过去极端天气变化。


砗磲是全球最大的双壳类贝壳,自始新世(距今约5000万年)以来便一直是热带太平洋-印度洋珊瑚礁中的重要组成部分。砗磲寿命能达到甚至超过100年,其碳酸盐壳体生长速度非常快,几十年就能长到1米以上。砗磲壳体通常具有年生长纹层甚至日生长纹层,是一种非常理想的高分辨率过去全球变化研究载体。


研究人员利用激光共聚焦显微镜(LSCM),获得了南海砗磲680天(2012年1月29日至2013年12月9日)清晰连续的天纹层成像,同时利用纳米离子质谱(NanoSIMS),获得了小时分辨率的砗磲壳体Sr、Ca、Fe、Ba等元素。据此建立了该段时间内天-小时分辨率的砗磲生物地球化学指标序列,如天生长速率、锶钙比(Sr/Ca)、铁钙比(Fe/Ca)、海表生产力荧光记录等。进一步的分析表明,这些超高分辨率指标序列中的脉冲式突变,几乎都与南海北部的极端天气事件有关,如夏季的台风和冬季的寒潮。比如,在台风袭击南海北部的时候,砗磲天生长速率会因为天气状况的变差而降低,同时台风带来的强风搅动可以导致海洋表层Fe、Ba等营养盐的升高和表层生产力的增加。


这一研究表明,砗磲在LSCM和NanoSIMS的支持下,可以提供天-小时分辨率的生物地球化学记录,而这些超高分辨率的记录有潜力用于研究过去发生的台风、寒潮等极端天气事件,以及热带季节内震荡(MJO)、日周期循环等天气尺度变化。持续的研究有希望将砗磲开发成前所未有的古天气研究自然载体,获取不同气候背景下天气系统的状态和变率,将过去-现在和未来联系起来,为预测全球变暖预期下极端天气事件的发展趋势提供依据。


该研究近日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。地球环境所研究员晏宏为第一作者,安芷生、晏宏,以及地质地球所研究员杨蔚为论文的通讯作者。研究受到中科院前沿重点研究计划、中科院创新交叉团队计划、海洋国家实验室开放基金等的支持。

 图1 活体砗磲照片(左);砗磲壳体照片(右)

图2 激光共聚焦显微镜获取的砗磲天纹层荧光成像(绿色底图);纳米离子质谱获取的小时分辨率砗磲Sr/Ca比值。荧光底图的一个纹层以及Sr/Ca的一个周期变化代表一天

图3 西沙砗磲小时分辨率Fe/Ca记录的脉冲式变化均与当地台风活动对应(2013年6-12月);(d)南海西沙风速器测记录,(e)影响西沙的台风,(f)砗磲Fe/Ca。