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Nick Shackleton爵士——古气候学之父 精选

已有 4862 次阅读 2017-6-23 21:22 |个人分类:P|系统分类:人物纪事|关键词:古气候学| 古气候学

Copyright: A. Berger


夏至。太阳正午定定地照在北回归线上,这是北半球一年中日照最长的日子。北极周围,太阳整天都在地平线之上,慢悠悠地兜着圈。毫不意外,这一天北半球接收太阳热量最多,北冰洋的冰面正在缩小,地面温度还在上升,而气温差不多一个月之后才会达到一年最高值。


整整80年前,夏至刚过,地质学家Robert Shackleton在伦敦西郊的切尔西镇迎来他的第一个孩子Nick。当时,Robert刚刚结束在斐济的地质工作回到帝国理工担任地质学讲师。1940年作为英国二战战略的一部分,Robert被任命为肯尼亚采矿与地质部的地质学家,负责金矿和重要金属矿产的勘探。1942年,他曾协助人类学家Mary Leaky调查了后来以阿舍利手斧知名的OlorgesailieNgong遗址。二战结束后Robert重返帝国理工。Nick也得以在非洲平静地度过了大部分幼年时光。

1948年,父亲Robert开始在利物浦大学任职,Nick在肯特市的Cranbrook学校上完中学。之后,Nick在著名的女王私人西肯特团服役两年,成为一名出色的军乐手,兼善小号和黑管。1958年,Nick退役进入剑桥大学Clare学院。大学里,他在数学、物理、地质学和矿物学、甚至音乐和竞技运动上都投入了大量精力,以至于1961年获得物理学学位时,学业平平。


Nick大学期间,地球科学正处在剧烈革命的前夜。美国批准了莫霍孔洋壳钻探计划,东欧和中国的黄土已经开始向四次冰期发起挑战,美国军方已经在格陵兰岛钻取了连续的冰芯。尤为重要的是,定量重建温度已经成为可能。

1947年,诺贝尔化学奖得主Harold Urey注意到,从标准平均海水中结晶的生物碳酸岩温度较低时含有更多的O18原子,即生物碳酸盐氧同位素可以指示温度变化。Urey很快组织设计了一种质谱仪测量矿物的氧同位素组成用来估计温度。他的博士后Cesare Emiliani率先测量了加勒比海沉积岩芯中微体生物有孔虫方解石壳体的氧同位素,结果认为在过去70万年里存在6次大冰期,冰期-间冰期中深海温度变化可达~6C。这一尝试是人类首次定量恢复地质历史上的气候序列,但论文发表时,主编就清楚地预料到可能存在的争议。

1960年,时任剑桥大学大地测量与地球物理系主任EdwardBullard向第四纪研究负责人Harry Godwin建议,设立一个氧同位素实验室测量古温度,以检验和发展Urey的理论。BullardGodwin都是英国皇家学会会士,还分别是Clare学院的成员和理事。Nick因为其数学、物理学、地质学和矿物学背景被选中,负责以氧同位素古温度测量方法作为博士论文选题。


这些后来被Nick称为“一系列的随机事件”开启了一个传奇的科学人生。Nick注意到,Emiliani开创性工作是基于大量有孔虫样品的,挑样费时费力,而且现代深层海水温度仅2C,不太可能6C降温,因此必须有高精度的质谱仪,对同一种有孔虫的壳体做氧同位素分析。他在博士期间成功研制了新的质谱仪,发表了两篇关于仪器改进的技术论文。新的质谱仪在分析精度优于0.1‰的水平上,所需样品量仅为510枚有孔虫壳体,使得有孔虫壳体的同位素测试成为常规分析项目。1967年,Nick以“第四纪古温度测量”为题获得剑桥大学博士学位。博士毕业前后,他一年内接连在Nature杂志上发表了三篇论文。

Nick分析了A179-4孔底栖和浮游有孔虫的氧同位素,发现二者具有相似的变幅,从而否定了温度是冰期-间冰期氧同位素变化的主导因素。通过冰盖三维模型,Nick评估了冰盖对海水氧同位素组成的影响,提出有孔虫壳体氧同位素主要是全球冰量的信号:陆地冰量增加,较轻的18O转移到陆地冰盖中,海水中富集18O,有孔虫壳体氧同位素偏正。这些成果不仅为估计全球冰量提供了有效方法,还使得氧同位素成为全球地层对比的有力工具。

1969年的巴黎INQUA大会上,微体古生物学者John Imbrie介绍了一种利用有孔虫组合的转换函数重建古温度的方法,Nick是唯一的听众。二者一拍即合,氧同位素对比提供时间框架,有孔虫转换函数确定温度变化,他们的合作推动了“气候长期监测、制图和预测项目(CLIMAP, Climate: Long-term Investigation, Mapping, and Projection project)”的落实。基于700多口全球分布的钻孔数据,CLIMAP项目产生了末次盛冰期全球海表温度图,为重建冰期大气环流、预测未来气候变化提供了重要边界条件。

氧同位素推测的冰量变化得到了海平面升降的有力支持。Nick利用氧同位素重建了末次冰期以来赤道太平洋海平面变化,与珊瑚礁重建结果非常一致,证实了海洋生物壳体氧同位素、冰量和海平面之间的密切联系:氧同位素正偏1‰,海平面下降约100m。在同一个钻孔里,古地磁学家Neil Opdyke12m处检出了松山-布容倒转事件,由此,氧同位素记录获得了独立于生物地层的时间标尺。


古气候学者们对独立时间标尺期待已久。自从1837Louis Agassiz准确解释了阿尔卑斯山区的冰川堆积之后,不断有人提出有关冰期成因的理论。其中,米兰科维奇(Milankovich)Joseph AdhémarJames Croll的工作基础上,考虑了已知的各种反馈过程后,1938年公布了不同纬度接受太阳辐射量的统计图表,得到了地球轨道形状(偏心率E)、地轴倾角(T)和岁差(P)各要素的周期,估算了过去65万年中任一时间段冰盖的范围。他的主要观点是,65N附近夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主要因素。根据Milankovich的计算结果,高纬度太阳辐射量的最小值似乎与Penck的四次冰期相对应,但进一步的验证一直受独立时标的掣肘。

CLIMAP项目集成了当时最大的岩芯数据,NickJames Hays, John Imbrie合作,参考古地磁松山-布容界限,在放射性年代数据约束下,从南印度洋两个深海钻孔中成功识别出了10万、4万和2.1万年周期。这三个周期分别与新近计算的更精确的地球公转轨道偏心率、地轴倾角以及岁差周期一致,与米兰科维奇提出的地球轨道参数变化驱动冰期形成的假说相符。文章1976年在Science发表后,古气候学界欢欣鼓舞,一方面它有力支持了米兰科维奇假说,另一方面,它提供了米兰科维奇假说走向应用的范式。

米兰科维奇假说的应用首当其冲就是天文调谐。如果沉积物完整记录了地球轨道周期信号,那么就有可能通过沉积物的气候序列与轨道参数对比获得时间标尺。Nick和同事们1976Science论文中确立的范式随后在深海沉积中广为使用,到1984年,通过轨道调谐已经成功获得了中更新世以来的深海氧同位素时标,且调谐流程接近标准化。之后,轨道调谐逐渐成为轨道尺度气候序列定年的常用方法之一,在中国第四纪黄土中也有成功应用。2000年,Nick运用轨道调谐确定了新近纪底界年龄。至今,新生代的轨道调谐时标已经接近完成。

轨道调谐方法最成功的应用是对放射性绝对年代的修订。比如,松山-布容界线K-Ar测年结果为73万年,但是如果把赤道太平洋V28238/9孔氧同位素的极小值与低偏心率时段的低夏季太阳辐射值联系起来,调谐得到的松山-布容界线年龄为79万年。Nick等在赤道东太平的ODP677孔做了更严格的调谐之后,认为松山-布容界线年代应该是78万年。他指出K-Ar法测量Ar的绝对量,衰变常数可能影响定年结果。来自轨道调谐的挑战推动了40Ar/39Ar定年方法的推广,它通过测量Ar的比值得到更精确的松山-布容界限年代为77.8万年。相似地,利用轨道调谐法,Ar-Ar法的标样Fish Canyon Tuff年龄也被重新厘定,由2004年地质年表中的28.02Ma校正为28.201+/-0.046Ma


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尽管Nick曾认为深海沉积物的氧同位素变化主要由冰量控制,但不可否认温度仍然会有贡献,他尝试将温度信号从氧同位素信号分离出去,以获得准确的冰量记录。2000年,他以65N轨道参数为目标曲线,通过轨道调谐获得了深海和冰芯氧同位素的统一时标。同时,还估计了空气和海水氧同位素差值的变化历史,从而利用冰芯氧同位素剔除了深海氧同位素中的温度信号。结果发现,在10万年尺度上,CO2、温度和太阳辐射同相位,而冰量明显滞后,他提出,轨道偏心率可能是通过CO2调节全球气候,进而形成10万年周期。

有孔虫壳体由碳酸盐组成,碳同位素的古气候意义自然没有被忽视。Nick1977年就提出可以利用碳同位素来评价冰期-间冰期陆地碳库的变化:生物会在有机质中固定较轻的12C,冰期底栖和浮游生物的碳同位素差别增大。随后,比较不同洋盆间的碳同位素梯度,Nick认识到北大西洋深层水的生成在晚更新世与现在有差别,且与氧同位素也不相同,推测浮游生物腐烂供应的轻碳造成深层水老化有重要贡献。这一看法逐渐向Wally Broecker的大洋传送带靠拢。最终,北太平洋深层水年代的直接测定才澄清了这个问题:冰期比现在老5000年,海陆碳交换和缓慢的深层流可以形成富营养的深层水。

海陆对比一直是Nick关注的焦点之一。他先后关注过海洋沉积中的陆源孢粉、对欧洲陆相沉积进行轨道调谐、对欧亚大陆东部的黄土沉积直接测年,培养了大量的国际学者,迄今仍然活跃在世界古气候研究舞台上。

1982年莫斯科INQUA大会上,中国刚刚被正式接纳为会员国时,Nick就和中国的同行有了深入交流。稍早的1980年,他的父亲Robert参加了第一次青藏高原国际讨论会,结识了刘东生先生。次年,刘东生先生回访英伦时,就已经非常关注Nick的工作。1980年代后期,刘先生和Nick共同推荐周力平在剑桥大学攻读博士学位。后来,周力平在黄土的地层学、年代学、古气候学领域卓有建树,也成为国内第四纪学界连接Nick和剑桥的重要桥梁。不少学者慕名前往剑桥时,周老师还会带领他们参观Nick的实验室和办公室。


生活中的Nick极为随性,甚至在参加会议时典型着装是一件针织套头衫,光脚,皮凉鞋。甚至1998年,参加封爵典礼的前一天,他在实验室还是这一身。在同事的督促下,他才承认已经为仪式定制了礼服,但仍然坚持不要录像。

2004年,Nick从剑桥大学退休。他声称,退休后要做一名黑管演奏家。Nick的黑管收藏和演奏水平和他的古气候学造诣一样令人称道。早在1980年,他就为音乐工具书撰写的黑管条目。现在,在Youtube上检索Nick的视频资料,绝大多数都和他的音乐生活有关。

Nick的第一段婚姻在10年后仳离。又过了10年,他迎娶了Vivien Law,一位杰出的语言学家,不幸的是2002Vivien因癌症离世。之后,一位黑管演奏家和艺术学者Ingrid Pearson陪同Nick度过了最后的时光。她在悉尼大学学习时读到了Nick1980年写的黑管论文,写信向Nick请教。1992年,在NickVivien的邀请下,Ingrid访问了英国,后来伦敦攻读博士学位,现在皇家音乐学院任教。在Vivien病逝后,她的陪伴令Nick备感欣慰。


Shackleton家族在英国上流社会声誉卓著。叔祖Ernest是著名的探险家,曾在距离南极点不足100英里的地方折返,1909年被封爵,今天月球南极点附近的环形山也以他的名字命名。1971年,父亲Robert因为在结晶岩石学和大尺度构造研究中的贡献入选英国皇家学会。Nick本人1995年获得Crafoord奖,1996年获得Wollaston奖,1998年封爵。

1985年,Nick入选英国皇家学会。2010年,英国皇家学会遴选了10会员作为350年来的会员代表发行纪念邮票。这些人包括牛顿、波义耳、富兰克林、卢瑟福,Nick是其中最年轻的一位。

Copyright: Royal Mail


2006124日,Nick Shackleton爵士去世。古气候学家Gerald HaugLarry Peterson发表在Nature的讣闻中,盛赞他是“古气候学之父the founding father of paleoclimatology”。在第四纪科学百科全书Encyclopedia of Quaternary Science的献词中,最后一句写道“公允地说,过去40年里第四纪科学家一直站在Nick Shackleton的肩膀上”。

今天是Nick80岁冥诞。夏至刚过,北半球白昼开始缓慢变短,地球CO2还在继续升高,在可以预见的两个月里、两个世纪里,地球温度还会继续升高。可是,富有洞见的、有趣的灵魂越来越少了。






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