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HORIBA | 揭秘洞穴中的氣候與物質(zhì)變遷 | 前沿用戶報(bào)道
編輯| 純鈞
潤(rùn)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(wàn)年來(lái)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(wèn)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(lái)源：pixabay）
本期欄目，我們就將介紹兩位科學(xué)家們?cè)趲r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(duì)，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(lái)是它
三寶洞——神農(nóng)架地區(qū)的大洞穴，傳說(shuō)上古時(shí)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(shí)，巖溶洞穴不僅是人們津津樂(lè)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(guò)去幾十萬(wàn)年的冰期與季風(fēng)規(guī)律。
亞洲季風(fēng)：一種因太陽(yáng)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(zhǎng)降水的起始和特點(diǎn)也都與其有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。通過(guò)洞穴中石筍的研究，可以了解氣候變化與地質(zhì)時(shí)期關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的耦合聯(lián)系，并對(duì)模擬未來(lái)氣候變化具有啟示意義。
西安交通大學(xué)程海教授團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)多尺度氣候變化方面成果豐碩的專家團(tuán)隊(duì)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(guò)對(duì)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(lái)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(lái)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(duì)測(cè)試了切割后的石筍樣品中的196個(gè)點(diǎn)，通過(guò)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(duì)了解到7次主要冰期時(shí)間（結(jié)合前人已發(fā)表的定年數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)還獲得了64萬(wàn)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(duì)選取了穩(wěn)定同位素測(cè)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(hào)（歲差：萬(wàn)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(guò)去64萬(wàn)年間7個(gè)冰期的結(jié)束，其實(shí)是地球歲差所導(dǎo)致，且每個(gè)冰期結(jié)束后，都會(huì)有長(zhǎng)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(duì)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(duì)性，該項(xiàng)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(xiàng)成果對(duì)研究亞洲季風(fēng)與氣候變化的聯(lián)系及驅(qū)動(dòng)因素具有重要意義。
巖溶洞穴中的石筍（圖片來(lái)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(shí)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(duì)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(guò)目前多數(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(méi)有人系統(tǒng)完整地評(píng)估過(guò)地下水部分中有機(jī)碳對(duì)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(xiàng)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(duì)地下水中的碳循環(huán)的了解，接下來(lái)就我們一起看看~
17位課題組成員組隊(duì)前往了位于澳大利亞國(guó)家公園里的旺比恩洞（Wombeyan Caves），他們?cè)诙囱ㄏ髦惺占瘶颖緛?lái)進(jìn)行測(cè)試分析，并希望通過(guò)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(lái)源: pinterest）
貝克教授與他的學(xué)生們使用Aqualog作為研究工具，通過(guò)測(cè)試地下水中溶解有機(jī)碳在陽(yáng)光下和黑暗中的變化，了解地下水環(huán)境對(duì)于碳循環(huán)的影響。他們先是測(cè)試了陽(yáng)光分解有機(jī)物的速度：通過(guò)把樣本暴露在陽(yáng)光下，每天拿走一個(gè)，測(cè)量溶解有機(jī)碳的熒光和吸收率變化，進(jìn)而計(jì)算出有機(jī)物的降解率和陽(yáng)光分解有機(jī)物的速度。另一部分樣本則被過(guò)濾后，置于黑暗且溫暖的地方，用于計(jì)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(guò)程中，研究小組采用的分析測(cè)量工具是HORIBA Aqualog熒光光譜儀，它可以在同時(shí)測(cè)量熒光和吸收。Aqualog光譜儀測(cè)試速度快，幾乎可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的熒光分析，在測(cè)試中可以滿足大量快速即時(shí)的測(cè)試需求。同時(shí)，它體積小、穩(wěn)定性高，便于攜帶，可以運(yùn)到任意需要測(cè)試的地方。
這樣，通過(guò)研究在陽(yáng)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(shí)驗(yàn)還能夠幫助他們推測(cè)古環(huán)境時(shí)有機(jī)物的變化，對(duì)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?jī)r(jià)值。相信未來(lái)更多關(guān)于溶解有機(jī)碳的秘密，可以通過(guò)探秘洞穴而解開。
使用Aqualog在旺比恩洞中進(jìn)行測(cè)試（圖片來(lái)源：HORIBA）
03
未來(lái)展望：洞穴研究大有作為
自1949年洞穴聯(lián)合會(huì)(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(huì)會(huì)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(kù)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(jì)、資源整合與數(shù)據(jù)建立等各個(gè)方向，吸引無(wú)數(shù)學(xué)者前赴后繼，發(fā)現(xiàn)更多前沿問(wèn)題。
相信未來(lái)，更多地球的秘密會(huì)被不畏艱苦的科學(xué)家們破譯，在一個(gè)個(gè)緘默不語(yǔ)的洞穴之中，書寫出“別有洞天”的故事。
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