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更新日期:104年12月10日

共舞不同步的東亞與澳洲季風系統
臺大團隊解密二十八萬年西太平洋低緯降雨帶成果刊登
《Nature Communications》 《Science》特別報導

臺灣位於地球上最重要的降雨帶—間熱帶輻合區 (Intertropical Convergence Zone; ITCZ) 上;此低緯降雨帶是全球生物與人類最重要棲息地,它在不同季節於南北半球位置若有些微變化,往往會造成毀滅性的自然與文明大災難。前人研究顯示,西元9-10世紀的馬雅文明,就是因為此降雨帶南移,造成中美洲長期乾旱而崩解;中國許多朝代的興衰也可能與此降雨帶之遷移有關。

作為通訊作者的臺灣大學地質系沈川洲教授表示,研究團隊利用巴布亞新幾內亞東緣,近岸1660公尺深海底所獲得的海洋沉積物岩芯的地球化學紀錄,重建二十八萬年以來西太平洋低緯降雨帶遷移歷史,發現其變化是由地球繞太陽的軌道週期所控制,亦受到歐亞大陸的西伯利亞高壓的影響。團隊進一步發現東亞–澳洲季風系統,兩者雖為相依的氣候帶,卻有著不對稱的軌道週期特性。結合臺灣科學家對於材料選擇的獨到眼光以及分析技術極限的突破,歷經十年的努力奮鬥,此研究在11月25日於國際著名的 「自然通訊」 《Nature Communications》期刊中發表,且於11月27日獲頂尖期刊「科學」 《Science》特別報導。

這個十年磨一劍的突破性研究,使得科學界對於西太平洋降雨帶遷徙的歷史,在地球氣候變遷中所扮演的角色有更清楚的認識。

全球泥沙侵蝕總量高居第一的巴布亞新幾內亞,地處於西南太平洋的間熱帶輻合區,低緯降雨帶在每年12、1、2月北半球冬季,也就是南半球夏季,從北半球南移至此。每年2000毫米以上的充沛降雨量,強烈侵蝕巴布亞新幾內亞高聳山陵,將大量泥沙帶入海洋。湍急的河水同時也攜帶著溶解的稀土族元素,注入大陸邊緣海洋;而生長於海表的浮游性有孔蟲在製造碳酸鈣殼體的同時,也記錄了當下海水中的稀土族元素成分特徵。研究團隊分析海洋沉積物岩芯中,不同年代的浮游性有孔蟲碳酸鈣殼體之稀土族元素含量,得以還原這個熱帶區域降雨變化及低緯降雨帶的遷移歷史。

海洋浮游性有孔蟲,平均每隻重約20 x 10-6克,殼體中的稀土族元素含量非常低,相當於百萬分之一至十億分之一的有孔蟲重量,即每隻有孔蟲殼體中僅僅含有微乎其微的10-15–10-11 克稀土族元素;過去想要精確分析這麼微量的元素,幾乎不可能。為此,研究團隊從2007年開始嘗試直接、精準地分析碳酸鈣標本中的稀土族元素,經過四年奮鬥,終於開發成功。這個世界唯一的頂尖技術,2011年發表在分析化學界最重要的期刊「分析化學」《Analytical Chemistry》中。2010年開始,研究團隊分析巴布亞新幾內亞外海海洋沉積物岩芯,浮游性有孔蟲中的稀土族元素變化,重建這區域二十八萬年以來降雨及低緯降雨帶的變化歷史。

太陽是地球最重要能量來源,百萬年以來,地球的長期氣候波動受到地球繞日的不同週期所控制。低緯地區主要受「歲差」影響,歲差變化是因地球自轉軸旋轉造成,週期約兩萬一千年。夏季時,太陽輻射量增強,陸地升溫,造成低緯地區明顯海陸溫差,形成季風;源自海洋的大量水氣,飄移到內地,造成季節性降雨。2008年,科學家發現,東亞夏季季風強度與降雨量的軌道尺度變化由歲差週期所主導;而西太平洋的海洋岩芯記錄顯示,此軌道力也影響地處於南緯0-10度的巴布亞新幾內亞降雨及該地區低緯降雨帶歷史。

出乎意料地,研究團隊發現,不同於東亞夏季季風,同屬於東亞–澳洲季風系統的南方澳洲夏季季風,竟然更受到地球自轉軸傾斜角度週期控制。

地球自轉軸與公轉面之間最大傾斜角度為24.5度,最小為22.1度,目前為23.4度,並正在逐漸減小當中;高緯度地區所接收的日照量深深受到週期為四萬一千年的「傾角」軌道力影響。

結合海洋紀錄與氣候模擬,團隊驚訝發現,當地球自轉軸傾斜角度較大時,12、1、2月的北半球高緯地區吸收到的日照總量非常少,會造成極度寒冷的歐亞大陸西伯利亞高壓帶,進而增強東亞冬季季風強度,一路南下,穿過赤道,攜帶充沛水氣,將西太平洋低緯降雨帶推向更南方,為北澳洲帶來甘霖,潤澤大地。相反的,澳洲面積遠小於歐亞大陸,而且地處中緯度,所以影響高緯地區的“傾角”軌道力,很難透過澳洲冬季季風,影響東亞夏季季風變化。

沈川洲教授認為,同屬於東亞–澳洲氣候圈下的兩個相依季風系統,就像舞池裡的一對親密情人,雖然隨著共同的地球繞日旋律起舞,卻有著不對稱的週期特性。

此研究除臺大團隊外,主要還有與臺灣師範大學地球科學系米泓生主任及中央研究院環境變遷研究中心李時雨研究員共同努力完成。兩位第一作者是沈教授指導的地質系博士後研究員劉毅,以及環境保護署魏國彥署長和沈教授共同指導的地質系博士班學生羅立 (現為劍橋大學博士後研究員)。

這項研究的珍貴海洋岩芯,編號MD05-2925,為2005年6月,由海洋大學陳明德教授帶領的中華民國古氣候學家團隊,在有美、日、法、德參與的「國際海洋古全球變遷研究」(IMAGES),於法國海洋研究船 「瑪麗安.杜帆妮號」 (Marion Dufresne) 上,主導鑽取的重要海洋岩芯之一。海洋岩芯運回臺灣後,存放在國家實驗研究院下的臺灣海洋科技研究中心,提供團隊進行各項分析工作。經過十年努力不懈,得以在今年發表。

沈川洲教授表示,利用大型遠洋研究船鑽取深海底泥岩芯,重建地球氣候與海洋歷史的研究,所需經費往往超過數百萬美金,過去大都是歐美科學家的專利。本研究以較少經費,從新穎構想、獨到區域選材、尖端分析技術開發,精確儀器測量,到文章撰寫及發表,刊登在前緣期刊,並且獲得頂尖期刊特別報導,都是由我國團隊所主導完成,實屬可貴,顯示臺灣在古海洋領域具有領先的分析技術與開闊的科學視野。

此研究的新發現,讓全世界對於西太平洋低緯降雨帶的歷史有更深入的瞭解,進而提供了熱帶區域國家於水資源與土地利用政策上更多重要資訊。期盼本研究不是一個終點,而是我國在地球歷史氣候變遷研究上的一個新起點!

這項成果是由科技部卓越領航計畫與臺大共同資助完成,全文請參閱11月25日「自然通訊」 《Nature Communications》: 2015, 6: 10018, doi: 10.1038/NCOMMS10018. Obliquity pacing of the western Pacific Intertropical Convergence Zone over the past 282,000 years。文章參見http://www.nature.com/ncomms/2015/151125/ncomms10018/abs/ncomms10018.html。特別報導內容請參閱11月27日「科學」 《Science》: 2015, v. 350, 6264, p 1053. A shifting wet girdle around the tropics. http://www.sciencemag.org/content/350/6264/twil.full#compilation-1-4-article-title-1

  • 研究船「瑪麗安.杜帆妮號」上的臺灣與其他國家的科學家 (蕭良堅攝)。

    研究船「瑪麗安.杜帆妮號」上的臺灣與其他國家的科學家 (蕭良堅攝)。

  • 在臺大地質系研究室燒製實驗器具的沈川洲教授。

    在臺大地質系研究室燒製實驗器具的沈川洲教授。

  • 2005年6月停泊在高雄港的研究船「瑪麗安.杜帆妮號」。

    2005年6月停泊在高雄港的研究船「瑪麗安.杜帆妮號」。

  • 2005年6月從高雄港到達爾文港,航行一萬五千公里 (紅線),在巴布亞新幾內亞東緣附近,由我國古氣候學家主導鑽取本研究的海洋岩芯MD-05-29295 (藍圈)。

    2005年6月從高雄港到達爾文港,航行一萬五千公里 (紅線),在巴布亞新幾內亞東緣附近,由我國古氣候學家主導鑽取本研究的海洋岩芯MD-05-29295 (藍圈)。

  • 蘊藏著無數地球氣候秘密的海洋生物有孔蟲的碳酸鈣殼體 (碳酸鈣殼體直徑大小約0.03公分)。

    蘊藏著無數地球氣候秘密的海洋生物有孔蟲的碳酸鈣殼體 (碳酸鈣殼體直徑大小約0.03公分)。

  • 地球自轉軸傾斜角度較大時,寒冷的西伯利亞高壓,增強東亞冬季季風強度,穿過赤道,將西太平洋低緯降雨帶推向更南方的澳洲。

    地球自轉軸傾斜角度較大時,寒冷的西伯利亞高壓,增強東亞冬季季風強度,穿過赤道,將西太平洋低緯降雨帶推向更南方的澳洲。

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