回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（上）

回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（上）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

從古至今，自然環境的災害或氣候變遷一直都是人們所關切的課題，早在距今三千年前的殷商甲骨文中，就已有天氣觀測及占卜預測的紀錄；直至今日的電影編劇，大自然的異象更是歷久不衰的題材，如慧星撞擊、颶風侵襲、地磁消失及火山爆發等，2004年風靡全球的「明天過後」（The day after tomorrow）這部片中，更演示了人類造成的溫室效應，伴隨著全球暖化現象使北極冰棚崩解，推動海洋大氣交換的連鎖改變。雖然電影情節難免誇大，甚或有違物理法則，然而這些影片在在都傳遞著人們對於大自然的力量應該保持戒慎恐懼的心理。雖然現今人種在地球上生存已有二十多萬年的歷史，甚至主導地球環境而自詡為萬物之靈，但還有多久的未來，人類可以像這樣的大肆使用地球資源？先不論地球是否會再次受到可能的外來災變，使人類如同中生代霸主恐龍一樣地滅絕；地球本身的氣候是不是也開始走向了人類文明未曾記錄的毀滅性未來？因此瞭解過去、現在甚至預測未來地球的氣候變化就成了探究的重要課題之一。
【從危機尋求轉機】
從地球兩極的冰川封存氣體紀錄來看，大氣CO₂含量從18世紀工業革命以來節節高昇，同時超過了自然界中大氣CO₂含量本身可能的變化趨勢；Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC, 政府間氣候變遷特別委員會）於2001年提出的全球溫度變化趨勢圖也顯示了百年來地球溫度的確大幅上揚（圖一），並預測1990年到2100年地球表面溫度將上升1.4～5.8℃。CO₂含量遽增與地球溫度上揚兩者之間是否高度相關，而人類在地球上大量使用石化燃料改進生活品質時，是否也同時改變了地球環境，將自身推往不可知的惡劣未來？科學家們為了瞭解未來可能的地球氣候，已嘗試建立許多氣候模擬的模式，透過改變模式中的各項參數，可以得到氣候環境相對應的變化結果，如可用於模擬大氣或海洋循環的General Circulation Models（GCMs），同時自1980年代開始亦展開跨學科的模式模擬計畫，稱為Cooperative Holocene Mapping Project（COHMAP），該計畫主要利用湖水面變化及花粉沈積物的紀錄建立模式，致力於釐清末次冰盛期至今的氣候變遷原因、影響範圍及結果。主要目的則是希望透過地質記錄和模式模擬以重建過去並進而預測未來的地球環境。
【珍貴的線索】
為了獲得可信而準確的模擬結果，科學家力求詳盡地收集各種可能影響氣候環境的因子或參數。除了近代儀器實際觀測資料之外，古氣候及古環境留在地層中的紀錄也彌足珍貴，包括不同時間尺度及解析度的各種記錄，如湖泊沈積物的沈積環境變化過程，或分析其中不同植物的孢粉數量以推知氣候型態；觀察樹木年輪則可得知年際溫度、濕度、太陽照度變化或小冰期紀錄；從兩極冰原取得的冰芯也可以用來觀察過去降雪的變化情形，進一步分析冰芯中封存的氣體，更可以得知過去數千年甚至數萬年以來大氣中各種氣體比例變化。除了上述的地質材料，在古環境研究的範疇中，碳酸鈣沈積物的應用尤其廣泛，材料含括陸地性及海洋性物質，前者如鐘乳石、後者則包括海洋中的碳酸鈣膠結物或生物碳酸鈣質殼體，如鐘乳石、海洋性碳酸鈣膠結物、珊瑚骨骼、有孔蟲殼體、二枚貝類殼體、腕足殼體等。