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HORIBA | 揭秘洞穴中的氣候與物質變遷 | 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物質沉淀而生的各種沉積物，則是科研的重要物質。它們能夠幫助科學家們破解許多環境與生態的問題，洞穴也成為探索未知的絕妙之地。
形態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家們在巖溶洞穴中尋找科學答案的故事，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隊，以及主持地下水中有機碳研究的澳大利亞新南威爾士大學的貝克教授。
01
成功解密：結束地球冰期的原來是它
三寶洞——神農架地區的大洞穴，傳說上古時期神農曾在此暫居，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意義，其中一種便是反饋氣候與生態變遷的相關信息，從而幫助科學家們解密地球過去幾十萬年的冰期與季風規律。
亞洲季風：一種因太陽熱量產生的季節性氣流循環，控制著北半球整體的氣候，地質歷*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系。通過洞穴中石筍的研究，可以了解氣候變化與地質時期關鍵節點之間的耦合聯系，并對模擬未來氣候變化具有啟示意義。
西安交通大學程海教授團隊是國內多尺度氣候變化方面成果豐碩的專家團隊之一，致力于石筍記錄和古氣候重建等相關方面的研究，以此了解環境氣候變化。他們就通過對三寶洞內的石筍樣品的研究，獲取了亞洲冰期與季風規律，我們一起來看看。
課題組在三寶洞內采集了4件石筍樣品，并主要進行了兩方面研究，來獲取亞洲冰期與季風規律：
1
地質年代數據獲取，助力冰期規律探索
團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，獲得了地質年代數據，該數據幫助程教授團隊了解到7次主要冰期時間（結合前人已發表的定年數據，團隊還獲得了64萬年內的精確定年）
2
季風強弱判斷，掌握季風規律結果
該團隊選取了穩定同位素測試中的氧同位素進行分析，從中提取了強烈的歲差周期信號（歲差：萬年尺度上控制低緯度季風系統強度的主要因素），進而推斷出季風強弱的影響。由此也得出了結論：過去64萬年間7個冰期的結束，其實是地球歲差所導致，且每個冰期結束后，都會有長達千年的季風降雨減少。
就這樣，綜合以上研究，程海教授團隊終獲取了亞洲冰期與季風規律，證明了地球歲差是冰期結束的原因。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為題發表在Nature雜志上。這項成果對研究亞洲季風與氣候變化的聯系及驅動因素具有重要意義。
巖溶洞穴中的石筍（圖片來源：pixabay）
02
正在進行：探尋溶解有機碳的秘密
從上文我們了解到洞穴探秘能夠揭秘氣候規律，其實不僅如此，洞穴中地下水的有機碳研究也與我們的生活息息相關，尤其是其中碳循環的研究，對幫助人類理解生命與環境的耦合作用具有重要意義。
不過目前多數碳循環的研究大多集中在陸地生態系統，迄今為止，還沒有人系統完整地評估過地下水部分中有機碳對陸地碳的收支平衡的影響。這一現狀近有所改變，澳大利亞悉尼新南威爾士大學的安迪·貝克（Andy Baker）教授，就主持了一項關于地下水中溶解有機碳的研究課程，并了解到地下水中有機碳的賦存與遷移的規律。這一研究促進了人們對地下水中的碳循環的了解，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行測試分析，并希望通過這些研究探索地下水中有機碳為何如此之少，以及它們都去哪兒了，終掌握它們賦存與遷移的規律。
碳循環示意圖（圖片來源: pinterest）
貝克教授與他的學生們使用Aqualog作為研究工具，通過測試地下水中溶解有機碳在陽光下和黑暗中的變化，了解地下水環境對于碳循環的影響。他們先是測試了陽光分解有機物的速度：通過把樣本暴露在陽光下，每天拿走一個，測量溶解有機碳的熒光和吸收率變化，進而計算出有機物的降解率和陽光分解有機物的速度。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、穩定性高，便于攜帶，可以運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碳的溶解和釋放的情況，他們就掌握了不同環境下有機碳的賦存與遷移規律。不僅如此，這一實驗還能夠幫助他們推測古環境時有機物的變化，對于現代水處理工藝中溶解有機碳的去除也提供了研究價值。相信未來更多關于溶解有機碳的秘密，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年洞穴聯合會(International Union of Speleology)正式成立開始，洞穴學（Speleology）就作為一門正式的學科成立，逐漸規范并得到更好的發展。
（洞穴聯合會會徽）
洞穴學的研究領域十分廣泛，除了上文提到的兩種關于巖溶洞穴石筍的相關研究外，還有包括洞穴分類、洞穴發育演化研究、洞穴資源及數據庫建設、洞穴生物學、洞穴景觀旅游開發、洞穴環境與保護等各大方面。這些領域，涵蓋了地質學、生物學、工程學、旅游資源與景觀設計、資源整合與數據建立等各個方向，吸引無數學者前赴后繼，發現更多前沿問題。
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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