參、代用資料

一、年輪氣候學

「年輪氣候學」最早是1904年由Charles Douglas於亞歷桑納的羅威爾天文台,藉由尋找氣候被太陽黑子週期影響的證據而展開。雖然現在的年輪氣候研究已超越Douglas當年的研究,但在此仍有兩點值得一提:首先,他終身從事的年輪氣候研究,一直到他1962年以94高齡去世,已使亞歷桑那大學「年輪實驗室」成為世界首屈一指的相關領域研究重鎮。其二,他的工作顯示氣候對年輪的影響,並非是一單純的關係。例如,中高海拔區或凍原帶邊緣的樹木,其成長明顯受年(均)溫波動的影響;低海拔或乾燥帶的樹木則受地下水、降雨的影響,影響時間有時在一季以上;而在氣候區中央的成長的樹木,則對氣候的反應較遲鈍,溫度與降水都可能有影響。

建立完成一組自西元1600年起的美國西部2/3地區雨量資料庫後,亞歷桑那大學「年輪實驗室」與NOAA的Stockton等人的年輪研究發現了明顯的22年週期,其次是約90年(右圖)。曾提到Robert Currie所得的18-20年週期與潮汐力週期有關,但在此的1600至1962年研究則無此一關係。但若將研究時間分割成兩段,則潮汐力週期將與太陽週期一樣明顯;實際上1840至1960年,潮汐力週期更強過太陽週期。這是因為1780年時的潮汐力週期的相位恰巧差180度,因此整段的波譜分析時,前段訊號會完全抵銷後段的訊息。

下圖左是另一組芬蘭北方森林邊界自1180年起的研究,則產生太陽週期影響的跡象;此處主要氣候支配因子應該是夏溫。從1463到1960年的調和(Harmonic)分析發現23、30及90年週期。若分析自1180年起之完整紀錄,則有90-100與200年之週期,且無短週期出現。100與200年週期是在加州Campito山上,生長於3384公尺海拔的bristlecone松年輪所發現的,紀錄涵蓋西元前3405年至西元1885年,數據也經過C-14同位素對比過。研究中也發現208與114年的週期,且208年充斥整筆資料中;此外還有700年與1400年的週期出現。

二、紋泥

所謂「紋泥」,是指被切開成一對對,用以分析比對泥中顏色與紋理的薄土層,它代表在過去某一段時間位於止水中,每單一年(夏天與冬天)的沈積狀況(上圖右)。"紋泥"年復一年隨著(冰)河的流量,更重要的是隨著影響沈積物性質與湖週邊環境的氣候條件,不斷沈澱、覆蓋在湖底。最早的紋泥研究由瑞典的Baron Gethard de Geer開始;他的野外調查始於1878年,直到1938年為止,他已經蒐集各地數千塊紋泥。這些年際紀錄最遠可推到斯堪地那維亞冰河區10000年前。泥紋的意義,是越厚的泥層,表是越暖及高流量。然而其中卻得不到任何值得注意的氣候週期。一個前歐陸蘇聯的研究中,泥紋厚度反映的是溫度、降雨、蒸發、及暴風雨(雪);結果其中發掘到2-3、5-6、10-12年的週期。其中兩個湖的4000年紀錄中還分析出11.2年的週期,這非常接近黑子週期。

概言之,10000年的紀錄中只能發現微弱週期訊息;推究其失敗原因,是泥紋所反映出的是多種氣候因子的訊息。例如溫度的波動有可能抵銷降雨的波動。從更新世(Miocene)到寒武紀(Precambrian)的廣泛地質史調查,則發現了令人熟悉的2-3、5-6、約11年與22年左右週期;但除了在寒武紀所發現與太陽活動有關的的11年週期外,其他證據卻仍難令人信服。

三、冰蕊

每年落在南極和格陵蘭的雪,都在寒冷的大氣中保存;因此當冰雪落在冰冠上時,會連帶保存了當時的大氣環境條件;從中鑽取的冰蕊,有的可以上溯至25萬年以前。部分的例子中,甚至可以得到最近幾千年來,每年的季節變化,並從中描繪出精確的週期行為來。1966年美國陸軍在格陵蘭北部Camp Century一處最少受冰層流動影響的地方,直到岩床鑽得1400公尺長的冰蕊;這是世界第一次,冰蕊的時間可回溯150000年。之後前蘇聯的科學家也在南極洲東部深處,鑽得時距160000年的冰蕊;最重要的,這支冰蕊並未觸及岩床,因此底部沒有嚴重擠壓的問題,因此可以提供超過100000年的氣候週期資料。

冰蕊的氣候指標有兩種。首先,是透過氫、氧同位素的比例,最常用的是氧同位素(16O、18O);這與降雨過程所隱含的大氣溫度條件有關,但關係並不簡單。當水分自較低緯度海中蒸發、傳送至高緯度地區形成雪或雨落下時,富含16O的水分子因為比含18O的水分子輕,所以蒸發略快,形成雪花的比率也略低於18O;在全球大氣環境較冷期間(間插的暖期),冰蕊中18O的含量會較低。所以當海溫與冰冠上的空氣越暖,落下的雪中便含有更高比率的16O;相對地18O便較少。圖右 Camp Century紀錄中,距今15000年前的冰期結束後,氣候便逐漸增暖。冰期共維持了50000年。第二個訊息和酸雨有關,這是火山噴發所形成的。部分有趣的理論甚至認為,地殼活動,如火山爆發,與潮汐力週期是關連的;實際從紀錄上並未有相關發現。

各種冰蕊研究中陸續發現的氣候週期,有78、181、350、500、2500、4000年。由於冰蕊同位素中透露著包含降雨及大氣擴散沈降等雙重訊息,因此分析必須特別小心。重新處理及其他研究中,又發現了20、2400、107500、45700、25300年的週期。冰蕊研究將氣候週期從數年、數十年、數百年,最後延長到數萬年;接下來最重要的工作,應該是冰期週期。但在進行之前,先得瞭解 會移動的冰河。

四、冰河

對冰河擴張及收縮的測量,最重要的工作是估算「冰磧」(冰河在冷濕季移動所留下的岩屑成層沈積物)的年齡;他的時間尺度從數十年到數世紀。由於冰河會將先前地表覆蓋物一掃而空,留下的以劇烈、廣泛的天氣變化痕跡為主;一般會保存近千年的短期波動。冰河研究有其限制,但仍有三個優點:1.這是前一次冰期的最重要遺跡;2.它對過去一些全球同步發生的重大氣候變化事件,留下清晰的紀錄;3.確實提供了「準週期」(quasi-cyclic)的訊息(緬因州立大學的George Denton 便由其中找到2500年的週期)。

五、冰期與海洋沉積物

首先必須要調查最近一、二百萬年冰河時期的週期。這是由全球海洋沈積物測量,並配合其他研究才能提出的結論。1950年代,芝加哥大學的Caesari Emiliani對採自加勒比海及赤道大西洋的遠洋「有孔蟲類」(foraminiferal species)生物化石殼(圖右上),進行氧同位素測定(圖右下)。深海沈積物中的主要成分,便是(當時)這些海表生活浮游生物的鞘殼。由於生化過程使然,於較低溫度狀況下,它們在形成外殼的主要成分,碳酸鈣,的過程中會吸收較多的18O;因此可以藉由這種方式建立溫度變化年表。然而由於這種過程累積的速度相當緩慢,每10萬年不到1公尺厚,因此少於1000年左右的氣候變化就會被模糊掉。由此分析過去70萬年共經歷了7次冰河時期,約10萬年左右會發生1次。

深海泥蕊的磁紀錄也是很好的指標;這是基於過去的地球史中,地磁會反覆逆轉的事實。最近一次逆轉是發生在距今70萬年前,逆轉的過程中,磁場會在深海沉積泥中留下難以抹滅的痕跡。由George Kukla在捷克取得的陸基泥蕊,提供了另一種訊息。由於這批樣本從未被冰覆蓋,因此主要的累積物是隨風而來的落塵。一樣自上次磁場逆轉後,共發現八個主要週期改變。

數百萬年來深海泥蕊中的氣候週期訊息,得到了21000、41000、及100000年的週期;這些週期似乎與地球軌道參數變化的週期有關;因此這類資料的短期氣候週期不再受到重視。少數例外,如Ionian海的泥蕊,便發現出137、59、12.1、及10.8年的週期。