2008年11月中美科學家合組的研究團隊在《科學》雜誌中發表了一篇報告,表示針對甘肅的石灰岩洞中的石筍所做研究顯示,亞洲季風(monsoon)確實和中國唐、元、明等朝代的衰亡有密切的關係,國內各大報對此均有顯著報導。
氣候變遷對人類歷史有很大的影響,從前讀黃仁宇的《中國大歷史》,最感興趣的就是他提到一個觀點:15英吋的等雨線影響中國的農業經濟與中國歷史。這條等雨線,劃出兩大族群。在它的東南,平均每年至少十五吋的雨量,因此農業茂盛,人口繁殖;在它的西及北,因雨量不足,無法以農桑為生,人們養殖牲口,為了尋水草,來往遷徒,形成游牧民族。中國東南的農民和西北塞外的牧人,長達兩千年的爭戰,不過為了爭奪雨量充足的區域罷了。因連年爭戰而客死他鄉的「可憐無定河邊骨」,可能到死都沒聽過「等雨線」,但大自然的力量卻在背後,默默推動歷史的巨輪。
氣候影響歷史的例證,是蒙古人兩次攻打日本,均因暴風雨而失敗,日本人認為是「神風」保護日本國,後來二次大戰末期的「神風特攻隊」就是以此命名。
這次在「科學」發表報告的是蘭州大學張平中教授等人和美國明尼蘇達大學合組的研究團隊,他們使用化學分析法,研究甘肅武都的石灰岩洞──萬象洞裡面一條118毫米長的石筍,這條石筍橫跨1,800年歷史,自西元190年至2003年,保留了漢末到現代的氣象資訊。
這個研究涉及了許多與化學有關的分析方法,值得為讀者們介紹。
正常的雨水本來就因溶有二氧化碳而有微酸性。當雨水下滲到土壤後,由於植物根部呼吸及微生物活動會釋出二氧化碳,使雨水的pH值更低,如果土壤下面是石灰岩,酸性的水就能溶解石灰岩中的碳酸鈣,形成碳酸氫鈣,碳酸氫鈣會溶於水,暫時硬水中的主要成分就是碳酸氫鈣。
當碳酸氫鈣水溶液繼續下滲到了洞穴,由於洞穴空氣中的二氧化碳含量比土壤中的低,根據勒沙特列原理,有利於上述反應式進行逆反應,於是水溶液中的二氧化碳就會釋出,導致溶液中的碳酸鈣沉澱,形成固體。這個逆反應,就像我們把暫時硬水煮沸得到鍋垢的反應一樣。水滴由上往下滴落洞穴的地面,由洞頂向下垂掛下來的沉澱叫石鐘乳,由地面向上生長的沉澱叫石筍,石筍與石鐘乳連接在一起就形成石柱。
研究者把石筍鋸開之後,必須決定每一層的年齡,這時他們會用到一項利器,稱為鈾-釷定年法(uranium-thorium dating)。所有的天然水中都溶有一定量的鈾,這些鈾最常以鈾(VI)的氧化態與氧形成帶正電的UO22+而溶於水中,因此天然水造成的沉積都含有痕量的鈾,大約幾個ppb到幾個ppm之間。相反地,釷並不溶於天然水中,因此,天然水造成的沉積通常都不含釷。隨著時間推移,沉積物中的鈾-238會衰變成鈾-234,鈾-234再衰變成釷-230。鈾-238的半生期為4.4683 x 109年,鈾-234的半生期為244,550年,釷-230的半生期為75,381年。只要測量沉積物中各種同位素的比例,就可以推算出沉積物的年代。
接著要測出每一層沉澱發生時的溫度,這種地質溫度計來自氧的同位素。在一杯水蒸發的過程中,其中含不同氧同位素(16O﹑17O﹑18O)的水分子會以不同的速率蒸發,質量輕的H2 16O擴散速率快,蒸發也快,時間一久,留在杯裡的水相對的就比當初的水含有較多的H2 18O。地球上的海洋已歷經漫長的蒸發作用,因此海洋相對於陸地上的淡水含有較多的氧-17及氧-18;植物的葉子因蒸發作用,留在葉中的水含氧-18也較原來的水多。相反地,因為水蒸發時,含氧-16的水蒸發較快,一旦水蒸氣凝結降雨,雨水中也含有較多氧-16。科學家用下列公式來計算同位素比值的變化:
其中Rst代表標準情況時正常海水中的18O / 16O比值,通常取2.0052 x 10-3,而R則為樣品中實際測出的8O / 16O比值。石筍中18O/16O比值較低的時期,表示溫度高,蒸發旺盛,季風強,雨量充足;反之,石筍中18O/16O比值較高的時期,表示溫度低,蒸發少,季風弱,氣候乾旱。
研究人員用鈾-釷定年法把石筍各層的年代測出來後,以年代為橫座標;再把各層中δ18O作為縱座標,結果發現唐、元、明三個朝代的最後數十年,都正好是季風很弱的時期。來自印度洋的夏天季風吹到中國,如果夏天季風強,就能深入中國的西北部,這些潮濕的風帶來雨水灌溉農作物,農作物豐收,自然社會安定。如果季風轉弱,雨水就只能落在華南及華東,中國北部和西部地區雨量不足,這可能導致農作物欠收,引發社會動盪,最後帝國敗亡。
至於是何種因素影響季風的強弱呢?
由於太陽磁場會讓宇宙射線偏離地球,太陽活動較弱的時候,進入大氣層的宇宙射線就較多,宇宙射線與大氣分子碰撞,會產生較多的碳-14和鈹-10,所以利用石筍中各層中碳-14及鈹-10的同位素含量,可以重建過去太陽活動的強弱。研究顯示,太陽活動與季風強弱有明顯相關性,而且是主要因素。當太陽活動旺盛,北半球氣溫變高時,季風就會增強,反之,季風就會變弱。
研究者也比對了世界其他地區所做的研究,發現唐的滅亡,與馬雅文明的滅亡屬同一時期,而氣候變遷可能也是馬雅文明敗亡的原因之一。研究者比對亞洲季風與阿爾卑斯山冰河紀錄,也發現亞洲季風弱的時期與冰河向下延伸的時期符合,亞洲季風強的時期與冰河退卻的時期符合。原來,氣候的變遷早就「全球化」了。
我讀了這篇論文後,極感興趣,找出論文中所說的晚唐弱季風時期(横跨唐朝的後六十年與五代十個的前三十年,相當於西元850~940年),想看看有什麼大事,結果找到黃巢之亂(西元874~884年),這是中國歷史上最大民亂之一,也是加速唐帝國滅亡的主要原因。黃巢之亂發生於河北,兵力最高時達到六十餘萬眾,主要組成分子是餓民與流民,曾攻破富庶的江南,使唐帝國的經濟體制遭到破壞,從此一蹶不振。中國北方農作久收,社會不安,造成唐滅亡,似乎都與研究中所推斷的情形符合。
影響一國衰亡的因素很多,不能完全歸咎於氣候,只能說氣候變遷是個決定性的因素,但不是唯一的因素。例如研究同時顯示,北宋時間季風極盛,所以農產富饒,人口增加。不過依我讀歷史得來的印象,北宋對外作戰的紀錄,從來就沒有討到什麼便宜。可能那段時期西夏與金國等游牧民族也受季風之惠,正處於牛肥馬壯,人口殖多的時期吧!同樣氣候之下,各有興衰不同的命運,可見人為的努力也很重要。
這篇報告,引發我們一個省思。目前全球氣候劇烈變遷將帶給我們怎樣的影響?渺小的人類面對大自然的威力要如何因應?
參考資料:
1. Pingzhong Zhang, et al.,Science 322, 940 (2008);
2. H. Chen, et al.,Chemical Geology 169, 1-2 (2000);
3. Adel A. Dabous, et al.,Journal of Arid Environments 50: 343-357 (2002)
4. Margaret M. Barbou, et al. Oecologia 138: 426–435 (2004)
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