古時溫度如何測量

胡立成

“小兄弟，不能只講風度，忘記溫度，要穿厚實一些?！蔽闹械臏囟仁亲鳛楸硎疚矬w冷熱程度的物理量，微觀上來講，它是物體分子熱運動的劇烈程度。從中國古代發明的冰瓶到伽利略發明了溫度計，溫度計的產生奠定了記溫學和熱學發展的基礎。

早在公元前2世紀，中國古人就開始用最原始的水作為介質做成了溫度計，并稱其為“冰瓶”，它是通過水結冰和融化來判斷氣溫的。到了商周時期，古人又開始觀察“火候”，借燃燒時火焰的變化，來推測溫度高低，并把目測火候的方法運用于青銅器的冶煉中。先秦時成書的《考工記·栗氏》就記載了觀察火候的方法和過程，不同火焰和煙色的變化代表不同的溫度。如青銅冶煉時出現白色煙霧，表明溫度大約為907℃，鋅開始揮發；爐火純青，表明溫度已達到1200℃，鋅完全揮發；全是銅的青焰時，表明此時可以澆鑄了。經過現代科學驗證，目測火候法相當準確，而且在現代冶煉、制瓷等多種行業中仍在運用。

隨著西方科技的強盛發展，以及對地質的深入研究，使古時候測量溫度成為可能。1947年，美國科學家尤里和比奇萊森，首先創造了地球化學測溫技術。他們一起測定了古代海生動物化石中氧原子兩種變體的比例，以便測出這些動物生活中水的溫度。例如，他們分析了一個有幾百萬年歷史的動物化石（一種已經滅絕的烏賊）的殼層，確定了這個動物出生于夏天，在四年后的春天死去。通過這種地球化學測溫技術測定，科學家發現，1億年前世界海洋的平均溫度為70℉（21.1℃）左右，然后逐漸變冷，1000萬年以后降到61℉（16.1℃），然后又上升，再過1000萬年以后上升到70℉（21.1℃）。從那時以來，海洋的溫度一直在下降。

1961年，另一位科學家埃米利亞尼使用尤里的方法研究了從洋底巖心中取出的有孔蟲殼。他發現，3000萬年前，整個海洋溫度約為10℃，2000萬年前約為 6.111℃，而現在是1.667℃。這些長期的溫度變化是由什么引起的呢？一種可能的解釋是二氧化碳溫室效應。另一種解釋是，當大氣中的二氧化碳含量下降時，地球會逐漸變冷。

幾億年前的溫度早已時過境遷，現在該如何測量呢？科學家告訴我們，如能找到地質歷史時期溫度變化留下的痕跡，就能知道當時的溫度。于是，人們從地球化學的氧同位素分析著手，終于找到了另一種測量古溫度的可靠方法。氧元素是個大家族，包括氧16、氧17、氧18。其中，氧18的核反應能力大大超過了氧16和氧17，可它的數量特別稀少。據統計，在自然界中，每形成500個氧16，才會產生一個氧18。因為在自然界中，氧同位素的比值，會隨著溫度的變化而變化。當生物體活著的時候，它們體內氧同位素的比值，同生存的環境溫度有一定的關系。當這些生物體死去，它們體內的這種同位素比值就不再變化了。億萬年后，這些生物體遺骸成了化石，人們只要用化學方法從化石中提取氧，再測出氧16和氧18的比值，就能知道當時這些生物生活的環境溫度了。你看，氧同位素的比值，真可稱得上是一支靈敏的溫度計。

另外，在觀察海洋巖芯時，科學家們發現有一種對冷暖變化特別敏感的敏圓輻蟲，計算它的數量與有孔蟲總數的比率，就可以推算出當時的海洋溫度。計算結果表明，高的比率與冰期的暖水有關，低的比率與冰期的冷水有關。更有趣的是，螺殼的旋卷方向也與溫度有關。凡是右旋的截錐圓輻蟲的介殼，與溫暖的環境有關，左旋的介殼則與較冷的環境有關。因此，從螺殼左右旋卷的比率，可推斷盤古時期的溫度。

探測古時候溫度所得到的古氣候和古環境資料，可以為未來氣候和環境變化提供預測依據，也可以為解釋當今氣候環境變化的原因提供有效的科學思路。