地球科學園地

一九九七◆九月秋季

《第三期》

 

 

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台灣古環境變遷:楔子

魏國彥/台灣大學地質科學系

 

  大自然無時無刻不在變動著。我們對1990年橫行肆虐的賀伯颱風印象深刻,對1993年的乾旱炎熱也還有些印象。而更早的風雲變幻,似乎是老人家口中的古早遺事,甚而神話故事裡的天方夜譚了。

  遙遠的過去,在人類的記憶裡泛黃褪色,歷史學家從故紙堆中搜尋爬梳,幫我們恢復記憶;考古學者在文化廢墟中挖掘拼湊,重建先民的篳路檻褸。然而,對於更古老的地球歷史場景則靠地質學者來回復了。

  或許你會質疑:「往者已矣!何必花那麼大功夫去瞭解古環境的變遷?就算知道過去的景況,又與我何干呢?」古語云:「以古為鑑,可以知興替」,我們研究古環境是為了鑑往知來。

  經驗的累積,資料的彙納,是科學家研究自然界、探索其變化規律性的不二法門。人類有溫度計、溼度計、雨量計只是近二、三百年的事,而地球已經有四十六億年的歷史!要知道這個綿延了數十億年的地球的歷史,只用短短數百年的儀器記錄未免太短了,如古人所謂「以管窺天」「以蠡測海」,見樹而不見林,因小失大了。

  更重要的是,近數十年來,大氣中二氧化碳的含量節節上升,從工業革命前的280ppm,上昇到目前的360ppm,其他的溫室氣體,如甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物(CFC)也皆因全球人口的增加、經濟活動日趨活絡而迅速增加。對溫室氣體含量急遽增加的現象,科學家已發出「全球暖化」的警訊,有人估計,到2050年,全球平均溫度將增高攝氏3度,極區增高攝氏10度,屆時,南北極冰川融化,全球海水面隨之上漲,將淹沒許多濱海的國際都市如紐約、上海,及低窪的國家如荷蘭、孟加拉,全球氣候及生態均將變化,從而影響政治、經濟各層面,人類將大難臨頭!

  這類「全球變遷」的預測,聽來像災難影片般誇張無稽,然而又似有跡可循,信而有徵。近百年來,全球平均溫度已上升攝氏0.6度,全球海水面上昇約14公分,南極與北極上空臭氧層破洞,每年數千種生物種絕減,從地球上永久除籍!

  在「全球變遷」的警訊之中,我們希望能預測未來,但是地球碩大無朋,體系複雜萬端,作用的過程綿長繁複,我們不能把地球放在實驗室中進行實驗,正如哈佛大學地球與行星科學系前主任所說:「我們不能操控地球,我們的實驗室是地球的過去」。

  「全球變遷」的實驗室是地球的「古往」,實驗都已經做了,實驗結果埋藏在地層、化石、樹輪、珊瑚之中,等著學者去解讀。至於如何解讀?解讀的結果又是如何?台灣在過去二萬年間的氣候景況與當今相比有何異同?這是本專題──台灣古環境變遷──要向各位介紹的。這一期的文章主要集中於較短時間尺幅(近二萬年)的台灣古環境,下一期將介紹較長時間的變化史。

 

什麼是古全球變遷(PAGES)?

  為因應全球變遷,世界科學聯盟(ICSU)於1986年提出國際岩石圈-生物圈研究(IGBP),包含十個核心計劃,其中之一即為研究「古全球變遷」(Past Global Changes,簡稱PAGES),主要目標在於提出古環境變遷的定量資料,並定義環境自然變異,以區分出人類文明對生物圈、岩石圈及大氣圈的衝擊。

  IGBP於1994年經集思廣義,擬定出1994至1998的研究策略,包含5大焦點,前三個焦點分別強調「全球古環境變異」、「極區古環境變異」與「人類活動對古環境的衝擊」。觀測與研究鎖定在二個時間尺度:過去二千年、過去數十萬年的冰期-間冰期旋回。前者的解析度希望能達到每年,甚或每季,後者則要求百年至千年的解析能力。

  第四個焦點則強調氣候模型與古環境資料的比較,探查氣候的敏感度、外在因素(火山、太陽、溫室氣體)的趨動機制及體系內部的回饋機制。

  為了驗證各類氣候模型,達到預測未來氣候的目的,PAGES努力重建古環境變遷史的定量描述,整合海域與陸上的資訊,提出解析,並與氣候模型所推測的結果相互比較,驗證氣候模型的適用性。

  第五個焦點強調創新、整合、資訊、教育及科際連繫,希望改善定年技術,開發新的古環境指標;進行多指標填圖,做整合性古環境解釋;建立古環境資料庫,並與其他核心計劃合作,從事區域性、教育性,及努力改善各國社會結構。


PAGES刊物1997年4月期封面

  因世界各國貧富不均,科學發展程度參差不齊,古全球變遷研究集中在歐美、日本等地,熱帶地區及南半球的資料嚴重短缺。為了打破這種不均衡的狀態,特別將全球分為三個南北縱走面──美洲縱走面、亞-澳縱走面,及非歐縱走面,以獲得更齊全的資料。

  台灣屬於亞澳縱走面中亞熱帶的重要位置,在國科會的規劃與資助之下,從1992年起已開始有「古全球變遷」的大型綜合研究,學者就樹輪、珊瑚、湖泊沈積,及海洋沈積進行陸上及海域的古環境研究。

 

如何得知古環境變遷?

  氣象報告顯示的是一天或數天之內氣溫、雨量等變化。所謂「天有不測風雲」,縱然氣象變化萬千,但長期來看,各地的天氣仍有一定的規律性,如春暖冬涼之四季變化,週而復始。另一方面,地球上之極區、溫帶、亞熱帶、熱帶亦各有其「氣候特徵」。

  因此,一般而言,氣候指的是較長時間尺幅中一種較為規律的、歸納總結出的天氣總體性狀態。套用著名氣候學家Monin對氣候的定義來說:氣候是「在長遠數十年間,大氣-海洋-陸地系統狀態的統計系集」(a Statistical ensemble of the Atmosphere-ocean-land system during a time period several decades long)。以人生有限的數十年來感知,我們覺得氣候幾乎恆定不變,年復一年正常運轉,甚少出軌。然而,把時間的尺幅再拉長,我們會發現,氣候竟也詭譎多變。

  然而,我們不可能拿著溫度計、雨量計、濕度計,乘著「時光旅遊機」回到遠古的地質時代,去量取這些氣候參數,只能試著解讀各個地質時代遺留在大自然中的多樣記錄,作進一步推測。

  所幸可以解讀古環境的指標林林總總、五花八門,如海洋沈積物所含的有孔蟲、鈣質超微化石,湖泊沈積物中的花粉、孢子、炭屑、泥沙,樹輪的寬窄,珊瑚生長紋的化學成份等等,都提供了解讀古氣候的可能性。總之,從這些「雪泥鴻爪」與「蛛絲馬跡」中,地質學者想盡各種辦法來推估以往的環境變遷,幾乎已經到了「無所不用其極」的地步。

  不過,一則因為影響指標的環境因素可能有好幾項,不易單獨抽離;二則因為指標與環境因素間的關係可能是非線性的,也可能隨時間的不同而改變;三則因為地質記錄可能因風化、侵蝕而有所缺失,或因岩化作用而變質。因此,雖然有不少指標可供參考,但欲從這些記錄重建詳細而完整的古環境便成了一件相當不容易的事。

眾多古環境指標有何不同?

  所謂「尺有所長,寸有所短」,指標種類不同,對氣候的解析能力、解析的範圍、解讀出來的訊息亦各有不同特色。本專題4萹文章分別利用湖泊沈積物、樹輪、孢粉及珊瑚來探討台灣過去二萬年來的古氣候變遷,你可以從表中比較這4種研究指標的異同。

記錄型態

解析度 分布範圍

蘊含訊息





歷史文獻 天 / 小時 世界各地

溫度、濕度或雨量、植群型態、火山活動、地磁場變化、海水準變化、太陽活動

樹輪 季 / 年 除了沙漠和凍原區
以外的陸域
溫度、濕度或雨量、大氣中的化學成份、植群型態、火山活動、地磁場變化、太陽活動
湖泊沈積物 年 / 數十年 陸域 溫度、濕度或雨量、水中的化學成份、植群型態、火山活動、地磁場變化
冰芯 極區和高山地區 溫度、濕度或雨量、大氣中的化學成份、植群型態、火山運動、地磁場變化、太陽活動
花粉 數十年 /
數百年
陸域 溫度、濕度或雨量、植群型態
黃土、古土壤 百年 陸域 溫度或雨量、植群型態、地磁場變化、溫度、土壤中的化學成份、火山活動


珊瑚 熱帶海域 溫度、濕度或雨量、水中的化學成份、海水準變化
海洋岩心 數百年 /
數千年
海洋 溫度、水中的化學成份、植群型態、地磁場變化

 

滄海桑田見台灣

  相對於過去一億年,台灣島誕生以來的這200多萬年,是歷史上最寒冷的時期。台灣陸上及週邊海域的古環境變遷,也就與這一段「乍暖還寒」、冷暖相間的冰期循環有密切的關係。

  以下整理了1億5000萬年來台灣形成的歷史,以及全球氣候變遷的幾件大事,從時間的比對中,不但可以得到初步的瞭解,並有助於以下4篇報導的閱讀。

《1億5000萬年至1億年前》

 

 此時正值侏儸紀與白堊紀,全球氣候溫暖,無冰川存在,活躍的恐龍稱霸地球。
 太平洋的波濤拍打著亞洲的東岸,看不見台灣蹤影,蔚藍海水的下方堆積著來自大陸的厚層沈積物,悄悄孕育著台灣島的前身。古太平洋板塊(庫拉板塊)正悄悄向西北滑移,潛入歐亞大陸板塊的下方,地震像是最初的胎動,最早的「古台灣島」一點一點拱出海面。

《1億至5000萬年前》

 婆娑的洋面上,西方出現了火山活動形成的澎湖群島。遙遠的東南方海面也有一些火山島串,正隨著菲律賓海板塊,往台灣的方向靠近,也就是海岸山脈的前身。

《6500萬年前》

 全球恐龍絕減。

《3600萬年前》

 東南極冰川大規模擴展。

《2000萬至500萬年前》

 中央山脈逐漸形成。

《1400萬年前》

 西南極冰原擴展。

《1000萬至500萬年前》

 挾帶著火山島串的西菲律賓海板塊,終於撞上了台灣的位置,地殼裡強大的壓力和高溫,開始攬拌、擠壓盆地裡的岩層,打造台灣島的脊樑,型塑新台灣的骨肉。

《600萬年前》

 南極冰原再度擴大,海水面下降,地中海乾涸。

《300萬年前》

 東南方的火山島弧隨菲律賓海板塊之運動撞上古台灣島,中央山脈隆升,東海岸山脈拼貼,與台灣結成一體,現今的台灣島形成,此為「蓬萊運動」。蓬萊運動使台灣島出海成陸,全球也正好進入一億年來最寒冷的冰期。

《240萬年前》

 北極的冰川發育,規模越來越大,變成覆蓋北極的「冰帽」。冰原有時擴大,有時後撤,全球的氣候也隨之振盪,形成所謂「冰期-間冰期」的循環。
 冰原擴張時,全球變得乾早、寒冷,進入「冰期」──沙漠面積擴大、森林消退、草原增生。這時候,南北極冰原的厚度達數千米,面積擴大,北美洲的五大湖,甚至紐約中央公園一帶都埋在厚層的冰雪之下。台灣的高山也可能有冰川的發育。地球上的水被冰雪「固定」在陸地上,海水的總體積就小了,海水面因而下降。從此之後,冰期-間冰期旋回,冷熱氣候交互出現,海水面反覆升降。

《200萬至20萬年前》

 台灣島北部及外海產生了一連串火山──大屯火山群、觀音火山、基隆火山、龜山島、棉花嶼等等。到這個時候,台灣島所有的組成單元都已全員到齊。

《90萬年前》

 冰期-間冰期冷熱變化越來越明顯。

《12萬8000至7萬1000年前》

 這一段長近6萬年的期間統稱為「上次間冰期」,期間有三個較溫暖的時段約與現今的溫度相當,中間夾有兩個較冷的時段。此後,溫度以起伏漸降的方式越趨寒冷。

《12萬5000年前》

 上次間冰期比現今略暖,海水面較今高5公尺左右。

《18000年前》

 全球溫度達到最低,一般稱做「末次冰期鼎盛期」(the last glacial maximum),是近15萬年來最寒冷的時候,南、北極的冰原也擴展到最大,冰雪覆蓋到現今的紐約,甚至更南方的地帶。末次冰期鼎盛期,台灣東北季風強勁,中部山區溫度下降攝氏5度。

《17000年前》

 冰雪開始消退。

《14000至9000年前》

 冰雪消退特別迅速,全球海水面快速上升,稱之為「末次冰消期」(the last declacial)。

《10500年前》

 在冰雪消退回暖的過程之中,有一個歷時約500年的短暫回冷事件,叫做「新仙女事件」(Younger Dryas Event)。

《10000年前》

 溫度升到與現今相似的程度,海水面回昇,西南季風轉強。近10000年來,全球氣候大致平穩,變化的幅度較前面的一萬年小,是地質年代表中最近的一期-「全新世」。過去1萬年的氣候變化有四個冷暖的起伏。

《6000年前》

 全球溫度達於最高,稱做「中全新世大暖期」。全新世的冷暖週期在全球各地似乎有不同的表現,因此在時間分期上有頗多爭論。

《中世紀》

 全球曾經十分暖和,維京人因此得以發展農業及航海、殖民格陵蘭,並且稱霸歐洲,稱為「中世紀暖期」。

《西元1400至1850年》

 十三世紀以後,氣候變冷,再度冰封北大西洋,阻斷了歐洲與格陵蘭之間的海運通航,也結束了維京人的霸業,此即著名的「小冰期」,一直持續到十九世紀中葉。

《現在》


過去15萬年全球平均溫度的變化

過去一萬年氣溫的變化

過去1000年的氣溫變化,陰影區為小冰期。

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