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海藻天然的“雨量計”

網絡整理 2019-05-27 最新信息

pt古怪猴子超级攻略游戏规律爆分技巧 www.xywvd.icu 氣象學家在研究一個地區氣候變遷的時候,遇到一個大難題 ;他們無法確切知道該地區古代 的降水量,因為古代可沒有專職的 氣象部門,負責觀察天氣、測量降 水,并做記錄。

海藻天然的“雨量計”

沒料到他們后來發現,古人 的這一疏忽竟被大自然巧妙地彌補 了。造化之神功早已為后人準備 了一支天然的“雨量計”,有了它, 我們可以測出歷史上幾百,甚至上 千年前的降水量。

這支“雨量計”就是海藻。

“性格”相似又有別的氫同位素

海藻是生活在海洋或者淡水 湖泊中、門類廣泛的水草的總稱, 包括我們熟悉的海帶、紫菜和水綿。 這些藻類可以通過光合作用合成脂 類物質,其脂質中的氫元素則來自 它們生活其中的海水或湖水。

氫元素在自然界有三種穩定 同位素,分別叫氕、氘、氚。氕其 實就是普通的氫,原子核里只有 1 個質子,由它和氧元素組成的水就 是普通水,也叫輕水 ;氘原子核里 含有 1 個質子、1 個中子,幾乎是 氕原子核的 2 倍重,由它和氧元素 組成的水叫重水 ;氚原子核更重, 含有 1 個質子和 2 個中子,由它和 氧元素組成的水叫超重水。重水和 超重水是核聚變的主要原料。

在自然界,超過 99.98% 的氫 元素都是氕 ;氘只占 0.015% ;氚 更少,在下面的討論中我們可以忽 略。在常溫下,輕水容易蒸發,蒸 發之后形成降雨、降雪又返回地面, 而重水卻不容易蒸發。因此在降雨 和降雪中,基本上不含重水。

海藻天然的“雨量計”

雖然氕和氘的物理性質不同, 但因為它們是同位素,化學性質卻 是完全相同的,所以在一個水域,水里的氕 / 氘原子數比例和有機物 中的比例應該一致。這是因為,這 些氫元素最終都可以追溯到水中的 氕和氘,它們經過一系列生物化學 反應,被合成到有機物中去了,而 化學反應對同一種元素的所有同位 素是一視同仁的。

正是“降水里不含氘”和“有 機物上所含氕 / 氘比例應與它生活 的水域氕 / 氘比例一致”這兩點, 為用海藻測量古代的年降水量提供 了科學依據。

古代降水量的信息哪里藏

海藻的生長范圍廣,幾乎有 水的地方就有海藻。當它們死后, 就沉入水底 ;除了脂類物質,其身 上的其他有機成分都被微生物降解 了 ;而脂類物質降解緩慢,一般需 要上千年,于是混入淤泥,成為水 底沉積物的一種組分。

假如我們在所研究地區找到 一個封閉的,既沒有進口也沒有出 口的湖泊,那里的重水既不會蒸發, 也不會流入和流出,所以湖泊里氘 原子的總量應該在任何年代都大致 保持不變。這樣一來可以推算,該 水域中氕 / 氘比例跟當地的降水量 呈線性關系(見超級鏈接)。有了 這個關系,如果再知道了古代湖水 中的氕 / 氘比例,就可以反推出當 時的降水量了。

那么如何知道古代湖水中的 氕 / 氘比例呢?對了,這個信息就 藏在湖底淤泥里由古代海藻死后留 下的脂質中。我們只要從湖底鉆取 沉積物,取出其中一很薄的切片 (保證這些沉積物是同一時代形成 的),分析其脂質中的氕 / 氘比例, 我們就可以獲知當時湖水中的氕 / 氘比例 ;把這個數據代入降水量與 氕 / 氘比例的線性關系,就可以得 到古代的降水量。

但還有一個問題,我們怎么 知道這塊切片形成的年代呢?這需 要利用另一項同位素技術,即碳 -14 測年法來完成。這是一項考古 學上很常用的技術,這里就不介紹 了。

這兩項技術一結合,氣候學 家就可以重建該地區歷史上各個時 期的降水量了。 利用海藻這支天然的“雨量 計”,氣候學家近年來重建了赤道 地區近 1200 年來降水量的變化歷 史。他們吃驚地發現,在過去 400 年間,由于全球氣候變暖,熱帶 地區的降雨帶在緯度上向北移動 了 5 度,大約 550 千米。這說明溫 室效應的小幅度增加,就能夠從根 本上改變熱帶地區的降雨。隨著大 氣溫度的持續變暖,他們預測,到 2100 年降雨帶還將繼續向北移動 5 度。那時候,現在雨量充沛的某些 熱帶地區將面臨干旱的威脅 ;某些 熱帶的作物和水果,如咖啡和香蕉 等,將嚴重減產。

他們的工作再一次為氣候變 暖拉響了警報。別忘了,這里有一 份海藻的貢獻。

海藻天然的“雨量計”

降水量和氕/氘比例的線性關系

如果 y 和 x 滿足 y=ax+b, 其中 a、b 為常數,我們就稱 y 和 x 具有線性關系。

現在假設這個封閉湖泊 在沒有降水也沒有蒸發的情況 下,水體中輕水的總量為 Q, 重水的總量為 D ;再假設年降 水量為 y,年蒸發量為 Z(注意, 蒸發和降水都只與氕有關,跟 氘無關),氕 / 氘比例為 x。

那么,我們就可以得到如 下一個關系 :

海藻天然的“雨量計”

整理之后可得 :

海藻天然的“雨量計”

一般除非氣候劇烈變化, 否則年蒸發量 Z 也可以看成 是一個常數。在式子中,D 和 (Z-Q)都是常數,所以年降 水量 y 與氕 / 氘比例 x 成線性 關系。比例系數可以根據該地 近年來的降水量和該水域中的 氕 / 氘比例定出。

本文作者:大科技雜志社(今日頭條)

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Tags:海藻   氣象   海帶   核聚變   化學   歷史

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