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藏在树木里的隐秘历史,那些年轮可以告诉人类多少信息?

对于迅速变暖的地球来说,年轮可以展示过去半个世纪的气候是如何严重偏离数千年以来的历史基准的。

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图森电 — 北大西洋急流(North Atlantic Jet Stream)是一股快速移动的气流,也是欧洲极端天气的推手。从 1700 年代早期到 1960 年代,急流的路径一直保持不变。

但后来急流就变得不怎么容易预测了。仅仅通过仪器测量的数据也无法确切判断急流的移动情况并比较几个世纪的数据,因为科学家在 19 世纪末才开始使用仪器记录天气事件。

然而,树木年轮却可以为气候变化提供更完整的过往记录。随着树木的生长,它们会从中心向外形成新的、独特的环纹;每年,绝大多数树干上都会长出一个新的、独一无二的完整木环,这就是年轮。年轮透露的信息包括与年轮生长那一年相关的降水、温度等数据。

美国亚利桑那大学树轮研究实验室(Laboratory of Tree-Ring Research)博士后研究员森野清见(Kiyomi Morino)在美国圣卡塔利娜山脉(Santa Catalina Mountains)比奇洛山(Mount Bigelow)进行野外采样。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

树木年代学家瓦莱里·特鲁埃(Valerie Trouet)带领的团队,从巴尔干和苏格兰分别采集了 400 和 200 个树木样本,其中一个样本采集自可能是欧洲已知最古老的树木:位于希腊、名为阿多尼斯(Adonis)的波士尼亚松,树龄已达到 1075 岁。北大西洋急流在巴尔干和苏格兰之间流动,各种树木通过年轮透露了过去的温度范围以及火灾频率的信息,为急流的表现写成了全面的编年史。

“急流的极端位置增多,引起了更多极端气候事件的发生,特别是欧洲的热浪和风暴,”特鲁埃博士称。这些树木的年轮显示,“当急流位置偏南时,巴尔干发生了大火灾。”

在比奇洛山一棵树的树干上钻孔取样。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times
来自于西伯利亚的样本,悬挂在美国图森亚利桑那大学树轮研究实验室的墙上,其树芯的历史可追溯至 1637 年,年轮外环在 2011 年长出。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

特鲁埃博士指出,仅仅在最近几十年,急流才显得更加变化多端,这表示这种变化是人类活动对气候的影响所致。她继续说道:“最近的变化加剧是 300 年来史无前例的。”目前研究人员正在进行更多的分析,以回顾更早几个世纪的情况。

解读这些树木透露的气候信息有助于天气预报。特鲁埃博士称:“这个领域最大的一个问题是,急流的走向究竟如何。利用分析树木所得的数据,将有助于建立更加可靠的气候变化模型。”

树木似乎是巨大的生物记录设备,包含着过往气候、文明、生态系统乃至星系事件的信息,很多信息的历史可能长达数千年。

最近几年,从树木年轮中提取信息的技术已经取得了长足的进步和发展。采用新科技和新技术,能从树木身上挖掘出更深入和更广泛的信息。

爱德华·库克(Edward Cook)是美国拉蒙特-多尔蒂地球观测站(Lamont-Doherty Earth Observatory)树木年轮实验室的主管。他指出,这个领域的“发展突飞猛进”。

亚利桑那大学树轮研究实验室成立于 1930 年代,创始人是天文学家 A·E·道格拉斯(A.E. Douglass);他转向于研究树木的目的是为了更好理解太阳黑子和气候之间的关系。

森野提取的树芯样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

亚利桑那大学树轮研究实验室帮助世界各地建立了类似的实验室,而这反过来又迅速增加了所研究树木的数量。目前,全球大约有 12 所大型实验室,已获得了各大洲(南极洲除外)来自于 4000 个地点的数据。这些信息存储在国际树轮数据库(International Tree Ring Data Bank)中,它是一个向所有研究人员开放的资料库。研究人员可获得的树木数据越多,对过往气候、生态系统和人类文明之间联系的描述也就更详尽。

亚利桑那大学树轮研究实验室档案馆存放了无数样本,如图所示的是其中的一部分。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times
亚利桑那大学访问研究人员弗朗斯·孔恰托里(France Conciatori)在实验室里制作木材样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times
微小的树木样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times
尤利娅·波德戈尔斯基(Julia Podgorski)正在制作树芯样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

实验室成立后最初的 80 年,位于一个狭窄而喧闹的区域:亚利桑那大学足球场下的宿舍内。“如果你星期六在这里工作,就可以听到露天看台上观众跺脚的声音,”该校植物生理学专业学生吕塞尔·K·蒙森(Russell K. Monson)称。

2012 年,实验室搬到了更大的一栋楼,这样就能满足更多任务的需要,容纳更多的研究人员,并有地方存放从包裹中取出的大量树木年轮和树芯样本藏品。现在,实验室有大约 70 名研究人员;还存有超过 50 万份的样本,从小小的薄片到大厅中陈列的庞大的巨杉片状样本,应有尽有。这个巨杉样本大到可以作为一个桌面,也许能容纳亚瑟王所有的圆桌骑士。在这栋楼里,有全球数量最多的树木年轮样本藏品。

地下室存储区就像咖啡桌木工车间一样,充满着伐木的芬芳。几百个 5 厘米厚的大树片状样本,侧面朝下堆放;树木年轮经砂纸打磨抛光后,丰富的纹理清晰可见。

实验室也有一个狐尾松片状样本,采样树木于 1960 年代被北卡罗来纳大学教堂山分校的研究生唐纳德·腊斯克·柯里(Donald Rusk Currey)砍倒。他在数年轮时却被吓坏了:虽然他获得了美国林业局的许可砍伐,但在不经意间锯掉了当时世界上已知最古老的树木:一棵名为普罗米修斯(Prometheu)的疙里疙瘩的大松树。

亚利桑那大学树轮研究实验室实验用木头样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

与树木年轮有关的研究主要分为 3 大类:树木年轮气候学,通过分析年轮来获取过往的气候数据;树木年轮考古学,通过研究年轮来理解过去的气候如何影响人类社会;树木年轮生态学,用于再现过去的森林生态系统。研究中经常使用的树轮采集自狐尾松、冷杉和云杉。

在这个极端天气频现的时期,树木年轮最重要的作用可能是再现过往的气候状况,并提供更多的背景信息。树轮研究实验室的研究人员戴维·梅科(David Meko)指出:“一段时间的仪器数据记录仅展示了过往气候的概况,但树木年轮呈现的是全貌。”

树木年轮这扇通往遥远气候历史记录的窗口,对于迅速变暖的地球来说,是至关重要的,因为它可以展示过去半个世纪的气候是如何严重偏离以前数千年的历史基准的。

几千年树龄的活狐尾松就是一个例子:为它们添加信息的人类在几千年前早已死去,但这些树木仍完好无损地屹立在寒冷、干燥的高海拔环境中。

你很难对树木年轮透露的信息提出异议,称环境并没有在发生巨变。研究人员指出,过去 60 或 70 年间观测到的气候变化,如果找得到在遥远的过去发生的类似先例,数量也极少。

例如,目前美国科罗拉多河长达 20 年的干旱是中世纪以来最长的一次;中世纪的干旱持续了 62 年,当时连年干旱,旱年之间也没有出现过涝年。偶然出现的涝年可以使长期的耐旱能力更强。

此外,最近几年的天气状况是多个世纪以来最热和最干的。梅科博士称:“我们每年都在打破记录。最极端的气候都是在距离现在比较近的年份发生的,这有点令人担心。”

史无前例的炎热干旱天气,就像科罗拉多河遭遇的一样,在加大蒸发量的同时,也急剧减少了降水量。科罗拉多河沿岸的官员对温度升高、降水减少的趋势感到非常担心,已经对河流完全干涸或河水更少的严峻未来做好了心理准备——而这在仅仅 20 年前都是难以想象的。(尽管今年是厄尔尼诺年,科罗拉多落基山脉的积雪大大高于平均水平。)

更糟糕的是,树木年轮显示,科罗拉多河分配到几个州的河水依据的是 1905 到 1922 年的流量,而那几年是过去 12 个世纪最多雨的年份,那段时期被称之为“洪积纪”(pluvial period)。

树木年代学家瓦莱里·特鲁埃。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times
树木年代学家布赖恩·布莱克(Bryan Black)。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

研究人员还可通过树木年轮记录查看积雪情况。2015 年,美国内华达山脉(Sierras)的积雪降至 500 年来的最低水平。今年可能会出现几十年来最高的积雪之一,也许会成为气候冲击的证据。树轮研究实验室的研究人员正在考察整个美国西部过去 2000 年的树木年轮记录,以再现积雪数据。

树木还包含着其他有价值的信息。例如,氧同位素分析可以揭开树木几个世纪前吸收水分的水源所在,还能确定水分是来自于飓风还是强雷暴。

树木年轮也让我们大致了解了气候干预对全球可能产生的影响;针对气候变化,一些科学家提出的解决方案是:把硫酸铝撒到大气中遮住阳光,给地球降温。

“火山爆发是气候干预对降温起作用的最佳代表性事件,”特鲁埃博士称。研究人员分析了来自全球 5 个地方的树木年轮,发现自从 1568 年的一次火山爆发后,全球气温连续两年大幅降低(这是狭窄的年轮所显示的证据);随着地球气温的降低,热带地区的北部边缘也往后移了

来自于树轮研究实验室的美国黑山纳瓦霍(Black Mesa Navajo)考古遗址的样本。图片版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

来自全球 5 处的树木年轮也显示出:从 1568 到 1634 年这 60 多年间,自然气候变化导致亚热带地区扩张,把沙漠气候推向北方。由于炎热和干旱气候区域扩大,奥斯曼帝国开始衰落,明朝走向瓦解,美国弗吉尼亚州的詹姆斯敦殖民地遭到遗弃;根据特鲁埃博士的说法,这一切至少在一定程度上与气候相关。她指出:“社会从政治上干预干旱的方式也反映了气候变化的一部分。”

另外,可以反映更广泛气候变化的其他来源包括:湖水沉淀物、冰芯样本、珊瑚、鱼类耳石乃至象拔蚌壳(无论是来自活象拔蚌还是死亡已久的);象拔蚌是一种大型双壳类动物,有蛇形的附器。

“我们已经让潜水员从海底取出了古代象拔蚌,”树木年代学教授和海洋生物专家布赖恩·布莱克称。结合死亡已久的象拔蚌壳分析,可以获得好几千年前的数据。来自于冰岛海岸的壳可追溯至 1000 年以前。“这些壳显示,上个世纪的高温是前所未有的,”布莱克博士说。

专家正在结合象拔蚌壳上的环和树木年轮提供的信息,来了解气候是如何推动海洋生产力和驱赶不同鱼类物种的,从而为渔场经理提供帮助。“最重要的就是要能够意识到气候冲击的出现,并且懂得这对渔场意味着什么,”布莱克博士说。

甚至天上的星星也能向树木透露一些秘密。太阳和其他星星会发出一种辐射物,叫做银河宇宙线(G.C.R.s);该物质在大气中会与氮气发生化学反应,从而改变碳 14 的水平;碳 14 是地球上所有生物吸收的东西,因此,它便成为了宇宙射线水平的同位素指示剂。

过去来自于太阳耀斑或其他来源的银河宇宙线峰值基本上是一个谜,但已引起了研究人员的极大兴趣;因为如果现在发生这些现象,就可能摧毁通信卫星等技术。774 年到 775 年间发生的一次峰值事件,最早就是在日本的雪松树上找到的证据。这起事件是树木年轮记录的最强的宇宙射线事件,其强度高于 1859 年发生的太阳风暴,即卡林顿事件(Carrington event)。很显然,当时的人们也注意到了这个现象。

《盎格鲁-撒克逊编年史》(Anglo-Saxon Chronicles)是这样记录 8 世纪中期发生的峰值事件的:“今年,日落后,天空中也出现了一个红色的十字架。”

这极有可能是强大的太阳耀斑。树轮研究实验室的教授夏洛特·皮尔逊(Charlotte Pearson)称:“那是前所未有的,还没有发生过其他类似的事件。我们正在努力寻找办法,弄清这到底是什么,是何种原因引起的,但我们现在还无法确定。”


翻译:熊猫译社 夏晴

题图版权:Adriana Zehbrauskas for The New York Times

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