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HORIBA | 揭秘洞穴中的氣候與物質(zhì)變遷 | 前沿用戶報道

來源:HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部   2021年01月08日 11:09  
 

 

 

編輯| 純鈞

潤色| Norah、孫平

校閱| Lucy、Joanna

 

 

幽暗深邃、蜿蜒曲折的洞穴一直是野外科考工作的重要部分,洞穴中那些千萬年來化學(xué)物質(zhì)沉淀而生的各種沉積物,則是科研的重要物質(zhì)。它們能夠幫助科學(xué)家們破解許多環(huán)境與生態(tài)的問題,洞穴也成為探索未知的絕妙之地。

 

形態(tài)各異的洞穴是搞科研的好去處(圖片來源:pixabay)

 

本期欄目,我們就將介紹兩位科學(xué)家們在巖溶洞穴中尋找科學(xué)答案的故事,他們分別是在氣候研究方面擁有碩碩成果的西安交大程海教授團(tuán)隊,以及主持地下水中有機(jī)碳研究的澳大利亞新南威爾士大學(xué)的貝克教授。

 

 

01

 

成功解密:結(jié)束地球冰期的原來是它

 

三寶洞——神農(nóng)架地區(qū)的大洞穴,傳說上古時期神農(nóng)曾在此暫居,因而歷*下至平民上至天子,都常去此地祭拜祈福。其實,巖溶洞穴不僅是人們津津樂道的美景,洞穴中各異的石筍更是承載著重要的科學(xué)意義,其中一種便是反饋氣候與生態(tài)變遷的相關(guān)信息,從而幫助科學(xué)家們解密地球過去幾十萬年的冰期與季風(fēng)規(guī)律。

 

亞洲季風(fēng):一種因太陽熱量產(chǎn)生的季節(jié)性氣流循環(huán),控制著北半球整體的氣候,地質(zhì)歷*多次冰期與長降水的起始和特點也都與其有著千絲萬縷的聯(lián)系。通過洞穴中石筍的研究,可以了解氣候變化與地質(zhì)時期關(guān)鍵節(jié)點之間的耦合聯(lián)系,并對模擬未來氣候變化具有啟示意義。

 

西安交通大學(xué)程海教授團(tuán)隊是國內(nèi)多尺度氣候變化方面成果豐碩的專家團(tuán)隊之一,致力于石筍記錄和古氣候重建等相關(guān)方面的研究,以此了解環(huán)境氣候變化。他們就通過對三寶洞內(nèi)的石筍樣品的研究,獲取了亞洲冰期與季風(fēng)規(guī)律,我們一起來看看。

 

課題組在三寶洞內(nèi)采集了4件石筍樣品,并主要進(jìn)行了兩方面研究,來獲取亞洲冰期與季風(fēng)規(guī)律:

 

1

地質(zhì)年代數(shù)據(jù)獲取,助力冰期規(guī)律探索

 

團(tuán)隊測試了切割后的石筍樣品中的196個點,通過高精度U-Th定年法,獲得了地質(zhì)年代數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)幫助程教授團(tuán)隊了解到7次主要冰期時間(結(jié)合前人已發(fā)表的定年數(shù)據(jù),團(tuán)隊還獲得了64萬年內(nèi)的精確定年)

 

2

季風(fēng)強(qiáng)弱判斷,掌握季風(fēng)規(guī)律結(jié)果

 

該團(tuán)隊選取了穩(wěn)定同位素測試中的氧同位素進(jìn)行分析,從中提取了強(qiáng)烈的歲差周期信號(歲差:萬年尺度上控制低緯度季風(fēng)系統(tǒng)強(qiáng)度的主要因素),進(jìn)而推斷出季風(fēng)強(qiáng)弱的影響。由此也得出了結(jié)論:過去64萬年間7個冰期的結(jié)束,其實是地球歲差所導(dǎo)致,且每個冰期結(jié)束后,都會有長達(dá)千年的季風(fēng)降雨減少。

 

就這樣,綜合以上研究,程海教授團(tuán)隊終獲取了亞洲冰期與季風(fēng)規(guī)律,證明了地球歲差是冰期結(jié)束的原因。該記錄具有可比對性,該項成果也于2016年以The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations為題發(fā)表在Nature雜志上。這項成果對研究亞洲季風(fēng)與氣候變化的聯(lián)系及驅(qū)動因素具有重要意義。

 

巖溶洞穴中的石筍(圖片來源:pixabay)

 

 

02

 

正在進(jìn)行:探尋溶解有機(jī)碳的秘密

 

從上文我們了解到洞穴探秘能夠揭秘氣候規(guī)律,其實不僅如此,洞穴中地下水的有機(jī)碳研究也與我們的生活息息相關(guān),尤其是其中碳循環(huán)的研究,對幫助人類理解生命與環(huán)境的耦合作用具有重要意義。

 

不過目多數(shù)碳循環(huán)的研究大多集中在陸地生態(tài)系統(tǒng),迄今為止,還沒有人系統(tǒng)完整地評估過地下水部分中有機(jī)碳對陸地碳的收支平衡的影響。這一現(xiàn)狀近有所改變,澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的安迪·貝克(Andy Baker)教授,就主持了一項關(guān)于地下水中溶解有機(jī)碳的研究課程,并了解到地下水中有機(jī)碳的賦存與遷移的規(guī)律。這一研究促進(jìn)了人們對地下水中的碳循環(huán)的了解,接下來就我們一起看看~

 

17位課題組成員組隊前往了位于澳大利亞國家公園里的旺比恩洞(Wombeyan Caves),他們在洞穴溪流中收集樣本來進(jìn)行測試分析,并希望通過這些研究探索地下水中有機(jī)碳為何如此之少,以及它們都去哪兒了,終掌握它們賦存與遷移的規(guī)律。

 

碳循環(huán)示意圖(圖片來源: pinterest)

 

貝克教授與他的學(xué)生們使用Aqualog作為研究工具,通過測試地下水中溶解有機(jī)碳在陽光下和黑暗中的變化,了解地下水環(huán)境對于碳循環(huán)的影響。他們先是測試了陽光分解有機(jī)物的速度:通過把樣本暴露在陽光下,每天拿走一個,測量溶解有機(jī)碳的熒光和吸收率變化,進(jìn)而計算出有機(jī)物的降解率和陽光分解有機(jī)物的速度。另一部分樣本則被過濾后,置于黑暗且溫暖的地方,用于計算出生物降解所引起的樣本的熒光和吸收率的變化。

 

這一過程中,研究小組采用的分析測量工具是HORIBA Aqualog熒光光譜儀,它可以在同時測量熒光和吸收。Aqualog光譜儀測試速度快,幾乎可實現(xiàn)實時的熒光分析,在測試中可以滿足大量快速即時的測試需求。同時,它體積小、穩(wěn)定性高,便于攜帶,可以運到任意需要測試的地方。

 

這樣,通過研究在陽光下和黑暗處地下水中有機(jī)碳的溶解和釋放的情況,他們就掌握了不同環(huán)境下有機(jī)碳的賦存與遷移規(guī)律。不僅如此,這一實驗還能夠幫助他們推測古環(huán)境時有機(jī)物的變化,對于現(xiàn)代水處理工藝中溶解有機(jī)碳的去除也提供了研究價值。相信未來更多關(guān)于溶解有機(jī)碳的秘密,可以通過探秘洞穴而解開。

 

使用Aqualog在旺比恩洞中進(jìn)行測試(圖片來源:HORIBA)

 

 

03

 

未來展望:洞穴研究大有作為

 

自1949年洞穴聯(lián)合會(International Union of Speleology)正式成立開始,洞穴學(xué)(Speleology)就作為一門正式的學(xué)科成立,逐漸規(guī)范并得到更好的發(fā)展。

 

 

(洞穴聯(lián)合會會徽

 

洞穴學(xué)的研究領(lǐng)域十分廣泛,除了上文提到的兩種關(guān)于巖溶洞穴石筍的相關(guān)研究外,還有包括洞穴分類、洞穴發(fā)育演化研究、洞穴資源及數(shù)據(jù)庫建設(shè)、洞穴生物學(xué)、洞穴景觀旅游開發(fā)、洞穴環(huán)境與保護(hù)等各大方面。這些領(lǐng)域,涵蓋了地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、旅游資源與景觀設(shè)計、資源整合與數(shù)據(jù)建立等各個方向,吸引無數(shù)學(xué)者前赴后繼,發(fā)現(xiàn)更多前沿問題。

 

相信未來,更多地球的秘密會被不畏艱苦的科學(xué)家們破譯,在一個個緘默不語的洞穴之中,書寫出“別有洞天”的故事。

 
 
 
免責(zé)說明
 
 
 

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