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氣候變遷–以古為鑑:小化石記錄大氣候

海底沈積物岩芯中,含有豐富多樣的鈣質微小化石–有孔蟲,由它們的種類變化以及殼體中微量元素含量,我們能推算出以往數十萬年間的海水溫度,並闡明冰期─間冰期的氣候變遷幅度及歷史。
 
 
 
有孔蟲

海洋中棲息了一種原生動物,它能分泌鈣質的殼體,殼體上有細小的洞以供細胞質進出,因而被稱為有孔蟲。有孔蟲形體很小,有若沙塵大小,呈白色。若不注意看,會誤以為是一盤散砂,然而在光學顯微鏡下或經電子顯微鏡放大之後,你會看到花樣百出的房室結構、爭奇鬥巧的殼飾,及各式各樣的口孔。殼體的質料大多是碳酸鈣,有的晶瑩剔透,有的散熠著陶瓷光澤,還有像是象牙做的。另外有一種砂質有孔蟲,則是撿拾了一些石英砂並膠結一起披在身上權充殼體,如同叫化子般,襤褸骯髒,鳩衣百結。

這些形形色色的有孔蟲都是單細胞生物,簡單地說,是能夠分泌殼體的變形蟲。因為它們能分泌殼體,死後即使軟體部分腐化殆盡,而硬質的殼體仍能保存在地層中,不致「疾沒世而名不稱」。算算時間,它們在地球上出現也已經有五億多年了。

有孔蟲種類繁多,興衰更迭,每個地質時代各有其特殊的種屬,所謂「各領風騷數百萬年」。從地質時代綿長的時間來看,數百萬年也只是曇花一現,而這些「短命」的化石就成了地質時代的指標,就像綿延長途的道路上有了里程碑一般。

浮游底棲、繽紛多樣

有孔蟲根據其棲息環境可以分為浮游有孔蟲和底棲有孔蟲兩大類。顧名思義,浮游有孔蟲終其一生漂浮在海水之中,主要存活在離海洋表層五百公尺之內的水域,細胞質的偽足順著殼體上的小刺針向外放射出來,體積比原來的殼體大上百倍。偽足在海水中如同蛛網一般,黏捕周邊的微小生物為食。對那些微小生物而言,有孔蟲張起的捕食網,稱得上是「天網恢恢,疏而不漏」,十分噁心恐怖哩!現生浮游有孔蟲約有四十多種,有的嗜寒,有的喜暖,隨著緯度分布各異,可以分成「極區」、「亞極帶」、「過渡帶」、「亞熱帶」和「熱帶」五個生物地理區,各區還可以更進一步細分。

底棲有孔蟲則依附在海底的砂泥或水藻的莖葉上生活,缺乏漂浮的能力,活動的範圍比較小,各有特定的適應環境,因此不同的海域各有其特有的種類。底棲有孔蟲小小一個軀殼,變化萬千,弄得分類學者目迷五色,莫衷一是,以致全球到底有多少現生種,一直是個爭論不休的問題。治絲益棼的另一個原因是,底棲有孔蟲還有複雜的世代交替,有性世代和無性世代的殼體形狀面貌各異,大搞變身秀、變臉秀,是海底世界的「百變金剛」,有好多個分身。因此,到底現生種有多少種,實在很難說清楚,至少有幾千種吧!回到地質年代中,那些已經絕滅的,大大小小狀如「異形」的,種種匪夷所思的,其種類之多就更如天上繁星了。

然而,有孔蟲一方面能標幟地質年代,另一方面可指示古代環境,記錄氣候變化,所以是非常有用的化石,也難怪全球研究化石的「古生物學者」,又以研究「有孔蟲」的人數最多。在石油公司、博物館、海洋鑽探船和大學研究室中你都會看到這些「微古生物學家」的身影。

氣候代言「蟲」

就像知名品牌的商品經常找知名藝人來代言一樣,海洋多變的環境中也棲居著各式特徵的有孔蟲種屬。遺留在地層中的有孔蟲化石,就成為古氣候、古海洋環境的代言「蟲」了,用我們的「行話」來說,有孔蟲是古氣候研究的「代用指標」。

時光飛逝,物換星移,百萬年前的地球環境早已消逝無蹤,當時既無人類,也沒有溫度計、晴雨計,要如何追溯當時的氣候型態和溫度變化呢?別煩惱,海洋中無所不在,繁若星辰的有孔蟲早已將之偷偷記下來了,有孔蟲就是我們的古溫度計,且讓我細說分明。

用有孔蟲化石組合推算古海表溫。有的浮游有孔蟲獨居於寒冷的極區海域,有的有孔蟲則鍾情於溫暖的熱帶風情,隨著緯度的高低而變化其相對含量,儼然與海水溫度存在著對應的關係。學者三十餘年來利用各種方法將這種對應關係數值化,建構所謂的「轉換函數」,能將有孔蟲化石組合「轉換」成古海表溫或其他的海洋水文參數。

利用「因子分析回歸法」公式,根據有孔蟲組合可推算出年平均古溫曲線。海洋大學陳明德教授利用取自菲律賓巴拉旺島西北側的一根編號為MD972142的海洋岩芯中有孔蟲百分比的變化,解讀了南海東部過去十六萬年來的古溫變化。

近幾年來學者發現有孔蟲殼體中的鎂/鈣比例與其棲息的海水溫度有很好的對應關係,利用上述同一根岩芯的浮游有孔蟲Globigerinoides sacculifer,我們做了鎂/鈣比測定,也可以由此重建出過去十六萬年來的古溫變化。

十六萬年來的南海古溫變化

利用浮游有孔蟲的組合和浮游有孔蟲殼體中的鎂/鈣比,我們得到的二條古海表溫變化曲線,雖然彼此有些出入,但大體上描繪了過去十六萬年來的海溫變化的幅度、頻率與歷史。

過去十六萬年經歷了幾個冰期—間冰期循環。利用轉換函數所推估的海水表面年平均溫顯示溫度在攝氏28.5度與攝氏23.5度之間擺盪;上次冰期鼎盛期,也就是大約一萬八千年前,溫度降到最低。另方面,浮游有孔蟲的棲息位置大約是海面下30~50公尺的水深,因此利用其殼體鎂/鈣比所重建的古水溫約可代表次表層水的古溫變化。同樣的,次表層水的水溫也是在冰期時較低,最冷的時候大約是攝氏23度左右,而間冰期時較高,高溫時約有攝氏27.5至28.5度。一般而言,用有孔蟲組合所推估的溫度不準度約有攝氏2度,而用鎂/鈣比所推估的不準度約為攝氏1.5度,因此,南海在過去十六萬年來冰期—間冰期所呈現的溫度差異至少有攝氏3~4度應是可以確定的。

比較值得強調的是,在以往數個冰期—間冰期之中,由冷變暖的暖化過程似乎都非常快速,例如在十二萬八千年前及一萬六千年前,冰期的結束都非常突然,溫度在一至二千年間快速陡升。另一方面,地球變冷的過程就比較曲折,例如從七萬一千年前上次間冰期結束時,溫度緩步下降,但不斷來回振盪,要經過五萬年才降到上次冰盛期,約一萬八千年前的最低點。由此看來,冰期—間冰期的溫度起伏並非圓滑對稱的曲線,而是如同犬牙般上下跳動,呈現極不對稱的鋸齒狀構圖。

有孔蟲可以視做一個多頻道的「錄音機」,不同的「音軌」上記錄了不同的古環境的訊息,本文只對「古溫度」這個音軌做了兩種方式的解讀。別的「音軌」,例如有孔蟲殼體的氧、碳同位素、硼同位素、鍶/鈣比、鎘/鈣比、鋅/鈣比、硫/鈣比還反映出其他海洋化學及水文參數的變化。而有孔蟲殼體本身的形態變化又透露出蟲體在面臨大自然環境變遷時一些調適措施,藉改變其形態來適應環境,編織出一幕又一幕生命與環境變遷搏鬥求存的大戲。

近年國家科學委員會大力資助的海洋鑽探研究讓國內學者在南海、沖繩海槽及其他鄰近的西太平洋邊緣取得十餘口海洋岩芯,相關研究工作正次第展開,本文所呈現的只是眾多成果的一鱗半爪。事實上,學者已根據豐富多采的古氣候、古水文資訊進行了更深入的分析與比對,成果已散見國內外相關的學術期刊。
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