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挖掘地球氣候檔案，洞悉古今變遷
專訪香港大學柳中暉教授
跟我們通常想得不一樣，完全是反的，反而八千年的時候（西伯利亞）溫度特別低。像西歐沿海地區，包括挪威瑞典，大西洋那塊，溫度也還是高的，問題就在歐亞大陸中間這一塊，單獨這一塊，它的溫度是低的。
中國的氣候研究最早可以追溯到非常古老的時期，實際上，中國是世界上最早開始記錄和研究氣候的文明之一。在古代，氣候和天氣的觀測對於農耕社會尤為重要，因為它們直接關係到農作物的生長和收成。因此，古人根據天文觀測來確定季節，制定了二十四節氣，這是中國古代曆法中用於指導農業活動的重要組成部分。二十四節氣的創設不僅反映了四季更替的規律，還精准地指導著農民何時播種、何時收穫，成為農業生產的指南針。
中國科學家竺可楨在其著作《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》中指出，中國在最初的二千年中，即從仰紹文化時代到河南安陽殷墟時代，年平均溫度比現在高約 2°C 左右。這表明，中國學者很早就開始系統地研究歷史氣候，並試圖理解氣候變化的模式和原因。隨著時間的推移，對氣候的研究逐漸深化，從直觀的經驗積累發展到系統的科學探索，最終演變為一門獨立的學科 — 古氣候學。
鑒往知來
「大家都知道的全球變暖，基本上應該是公認的（事實），認為是人類活動排放的二氧化碳導致。氣候研究實際上包含全球變暖的研究。就氣候研究而言，第一我們得有記錄；第二我們也想試圖理解氣候變化的機制和驅動力；第三是這種氣候變化，比如全球變暖，它對地球影響的效應，比如極端天氣是否有明顯增加，諸如此類。當然最終的目標，我認為是當我們足夠了解地球氣候系統是怎麼演化之後，我們可以預測將來的氣候變化。」
香港大學地球科學系的柳中暉教授選擇了從古氣候學的角度切入，並於此深耕已有十餘年。「我們可以把當代的全球變暖放在一個更長的時間尺度下，比如兩千年，或是一萬年，然後我們再評估這近百年來的全球變暖是個什麼樣的狀態。實際上，我們也都知道，在地球歷史上，也有很多氣候相對溫暖的時期。將來，全球溫度可能會繼續上升，所以我們試圖通過研究過去的氣候溫暖期 — 當時是怎麼變化的，怎樣維持的，希望從中得到一些啟發，比如控制因素、機制等，目標仍然是為幫助人類預測將來的氣候變化，制定應對方案提供幫助。」
柳教授參加國際大洋鑽探計劃北大西洋航次以獲取海洋沉積物研究過去氣候變化
氣候密碼
關於當代氣候學和古氣候學，柳教授解釋道「主要是研究手段很不一樣。如果要研究當代氣候變化，我們已經有很多氣象站、觀測點，有儀器（比如溫度計、氣壓計等）可以測量出各種數據。」許多科學家的研究都基於這些測量數據，器測記錄也確實有助於人類更好地了解氣候系統。
然而在動輒以數千百萬年計的古氣候學裡，現代器測資料的預言只是管中窺豹。「溫度記錄，就是說用溫度計記錄下來的，最長的差不多也就一百五十年。我們主要的目標是研究古代氣候變化，當時沒有這些儀器，也沒有這種器測記錄，於是我們就必須依靠所謂的『替代指標』來推論或者說反演當時的氣候狀態。」
石筍、樹輪、珊瑚、冰芯，或是更古老的湖泊、海洋沉積物，都是日月風雨曾經的證詞。柳教授進一步介紹古氣候學的研究方法，「如何從沉積物裡將溫度信息提取出來？我們累積了許多經驗。比如我們在野外，在沉積物裡找到了植物化石，一片大葉子，我們基於現在的觀測，發現只有在香港這個地方才有這種葉子和樹生長，但是在二千萬年前或者三百萬年前，我在北京也找到了，就可以推斷當時北京的氣候可能跟現在的香港是差不多的。」
野外尋找剖面採取古老沉積物研究陸地氣候變化歷史
柳教授與其他學者採取湖泊沉積物
一百多年前，前人學者已經在使用這種方法了。「基本上我們也沿用這種方法，就是基於現代的觀測，再試圖推測過去的氣候變化，但後面大家發現找化石這種方法偶然性很大，你想找化石都不一定能找著，找到了也未必能滿足要求，我們希望能把連續性的氣候變化做出來，漸漸我們這個領域就發展了，開始使用一些分子水平或者原子水平的方法。」
柳教授團隊在進行大範圍的現代湖泊調查，以期查明氣候替代指標的指示意義
柳教授繼續解釋，「我們測沉積物，泥巴裡有有機物、無機物，例如碳酸鈣，還有同位素，比如碳酸鈣的碳氧同位素等等。像我剛說的大葉子，隨著腐爛降解，有些成分會消失，但是像烷烴，一種有機化合物，它可以在沉積物裡保留下來，幾百年、幾千萬年都可以完全保留。我們就通過分析這些分子水平的這種化合物或者是單個原子的變化，推斷當時的氣候。」
這種有機指標的運用方法和生物指標類似，「比如在香港，某一個指標的數值達到 0.9，代表了溫度很高，假如二百萬年前在黃海或東海這些地方測出來和現在一樣，那我們就推測那時候的溫度可能和現在香港一樣高。」
代表性湖泊沉積岩芯掃描圖片及獲取的替代指標
山行海宿
自攻讀博士以來，柳教授就開始關注五千萬年來全球各地各個時間尺度的氣候變化。最近，他比較關注古代海洋洋流變化，比如海洋洋流在氣候相對暖期時是加強或減弱。「這又是同一個問題，我們必須要用一些替代指標來反演。」
「洋流不像溫度，溫度有許多替代指標，比如碳酸鈣裡鎂和鈣的比值以及有機生物標誌物都可以反映溫度」，但流水瞬息萬變，「洋流影響了什麼東西？這個東西又能再被保存到泥巴裡？實際上找到這個東西是不太容易的」。柳教授坦言，「某種程度上說，我們還是沒有找到直接指示環流變化的指標，我們現在是通過一個間接的方法進行研究。比如說環流強了或者弱了的時候，會不會導致海洋裡面含氧量的變化；再進一步，次表層水體含氧量的變化可能會影響某些細菌、古菌等不同的種屬，因為有些細菌是厭氧的，缺氧有利於它生存繁殖」，類似的生物標志物是重要的參考對象，「但實際上仍只是間接地反映海洋環境的變化」。柳教授也希望未來能夠研究發現出一些更好的洋流指標。
利用海洋沉積物研究早期大西洋經向翻轉流的變化歷史
重建過去溫度和二氧化碳水平，以及分析它們之間的關係，是柳教授早期著手並持續到現在的工作。他分享了最近發表的一項成果，「我們發現地球氣候的變化有一個空間的格局，並不是說所有的地方都會變冷或者變暖。」例如八千年前地球處於相對暖和的時期，升溫時期，同緯度陸地溫度應比海洋高，柳教授團隊研究了西伯利亞的幾個湖泊一萬年來的溫度變化，卻得到了相反的結論。「跟我們通常想得不一樣，完全是反的，反而八千年的時候溫度特別低。像西歐沿海地區，包括挪威瑞典，大西洋那塊，溫度也還是高的，問題就在歐亞大陸中間這一塊，單獨這一塊，它的溫度是低的。」
替代指標揭示，亞洲內陸中高緯在八千年前呈現較冷局面，而目前計算機模式並不能模擬此溫度空間格局
柳教授笑言，「這確實很神奇，你別問我為什麼，我在文章裡是提了一下，我只是報導了這個現象，但它應該是值得注意的。」這個新發現其實牽連著氣候研究的終極目標 — 預測未來。柳教授指出，預測未來氣候需要依靠計算機，但計算機模型往往是建立在現有數據與認知之上，當前人工智能在地學方向的數據太少，仍處於起步階段，就容易出現模擬結果符合常理而不合新知的情況。對此柳教授希望的就是「能夠提供獨立的證據驗證計算機模式」，他表示，「對氣候系統有更進一步的認識，把這方面的知識加入到計算機模式裡面，我們希望能發展或者提高計算機模式的準確性，以幫助我們預測將來氣候。」
永恆的探索
在歷史長河中，人類或許只能透過自然的遺跡拼出地球短暫的瞬間。氣候是否真的能以古為鑒，是柳教授的一大擔憂。「我做這麼多年，我也逐漸有些擔心，比如古代氣候維持的這些機制過程是不是對我們最近這樣相對比較短的時間內完全適用。」
受研究手段限制，古氣候學研究本身也存在著重重困難，古氣候學研究內部亦有許多爭議，柳教授解釋，「因為我們使用的是替代指標，不是儀器，所以我們對這種替代指標的解讀可能也還有個人偏見。我相信是這樣，其他研究者們相信是那樣，甚至是這個領域裡完全相反的觀點都是存在的，因為我們都沒見過」。
對古氣候學研究者而言，推翻前人研究甚至是自己曾經的發現都是再常見不過的事，柳教授只是一如既往地走向過去，期待著在過去與未來相遇。他說「我也就是希望能不能用其它一些手段，哪怕是間接的，對這些領域再繼續研究。雖然那些沉積物就是無字天書，我們也希望能正確解讀。這亦很關鍵，因為我們預測將來氣候的能力取決於我們對過去氣候變化理解的程度。」
注：內文圖片均為受訪者提供
挖掘地球氣候檔案，洞悉古今變遷
專訪香港大學柳中暉教授
