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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
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(yùn)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。
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