古氣候學之父nick shackleton爵士

2023年12月24日發(作者：押運工)

古氣候學之父—Nick Shackleton爵士

作者：唐自華/ 中國科學院地質與地球物理研究所

主要研究干旱區演化，環境考古等方向

尼克·沙克爾頓爵士（Sir Nick Shackleton）全名：尼古拉斯·約翰·沙克爾頓爵士（Sir Nicholas John Shackleton）出生日期：1937年6月23日卒于2006年1月24，享年68歲星座：溫柔多情的巨蟹國籍：英國專業領域：地質學榮譽：Fellow of the

Royal Society

Lyell Medal (1987)

Wollaston Medal (1996)

Urey Medal (2003)

Vetlen Prize (2004)

Blue Planet Prize (2005)夏至。正午的太陽定定地照在北回歸線上，這是北半球一年中日照最長的日子。北極周圍，太陽整天都在地平線之上，慢悠悠地兜著圈。毫無疑問，這一天北半球接收太陽熱量最多，北冰洋的冰面正在縮小，地面溫度還在上升，而氣溫差不多一個月之后才會達到一年最高值。

幼年

整整80年前，夏至剛過，地質學家羅伯特·沙克爾頓（Robert

Shackleton）在倫敦西郊的切爾西鎮迎來他的第一個孩子尼克

（Nick）。當時，羅伯特（Robert）剛剛結束在斐濟的地質工作回到帝國理工（Imperial College

London）擔任地質學講師。1940年，作為英國二戰戰略的一部分，羅伯特（Robert）被任命為肯尼亞采礦與地質部的地質學家，負責金礦和其他重要金屬礦產的勘探。1942年，他曾協助人類學家瑪麗·里基（Mary Leaky）調查了后來以阿舍利手斧知名的Olorgesailie和Ngong遺址。直到二戰結束后，羅伯特（Robert）重返帝國理工，尼克也得以在非洲平靜地度過了大部分幼年時光。 青年

1948年，父親羅伯特（Robert）開始在利物浦大學任職，尼克在肯特市的克蘭布魯克（Cranbrook）學校上完中學。之后，尼克在著名的女王私人西肯特團服役兩年，成為一名出色的軍樂手，擅長小號和黑管。1958年，尼克進入劍橋大學克萊爾（Clare）學院。大學里，他在數學、物理、地質學和礦物學、甚至音樂和競技運動上都投入了大量精力，以至于1961年獲得物理學學位時，學業平平。 尼克大學期間，地球科學正處在劇烈革命的前夜。美國批準了莫霍孔洋殼鉆探計劃，東歐和中國的黃土已經開始向四次冰期發起挑戰，美國軍方已經在格陵蘭島鉆取了連續的冰芯。尤為重要的是，定量重建溫度已經成為可能。傳奇的科學人生1947年，諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里（Harold Urey）發現了一種定量重建溫度的可能方法。他注意到，從標準平均海水中結晶的

生物碳酸巖溫度較低時含有更多的18O原子，即生物碳酸鹽氧同位素可以指示溫度變化。尤里（Urey）組織設計了一種質譜儀測量礦物的氧同位素組成用來估計溫度。他的博士后凱撒·利安尼（Cesare Emiliani）率先測量了加勒比海巖芯中微體生物有孔蟲方解石殼體的氧同位素，結果認為在過去70萬年里存在6次大冰期，冰期期間，冰期中深海溫度變化可達約6℃。這一嘗試是人類首次定量恢復地質歷史上的氣候序列，但論文發表時，主編就清楚地預料到可能存在的爭議。

1960年，時任劍橋大學大地測量與地球物理系主任愛德華·布拉德（Edward Bullard）向第四紀研究負責人哈利·戈德溫（Harry Godwin）建議，設立一個氧同位素實驗室測量古溫度，以檢驗和發展尤里的理論。布拉德（Bullard）和戈德溫（Godwin）都是英國皇家學會會士，還分別是克萊爾（Clare）學院的成員和理事。尼克因為其數學、物理學、地質學和礦物學背景被選中，以氧同位素古溫度測量方法作為其博士論文選題。 這些后來被尼克稱為“一系列的隨機事件”開啟了一個傳奇的科學人生。 尼克注意到，利安尼（Emiliani）的開創性工作基于大量有孔蟲樣品，挑樣費時費力，而且現代深層海水溫度僅2℃，不太可能有6℃降溫，因此必須有高精度的質譜，對同一種有孔蟲的殼體做氧同位素分析。他在博士期間成功研制了新的質譜儀，在分析精度優于0.1‰的水平上，所需樣品量僅為5-10枚有孔蟲殼體。

除了兩篇儀器改進的技術論文外，1967年，尼克以“第四紀古溫度測量”為題獲得劍橋大學博士學位。博士畢業前后，他一年內接連在Nature雜志上發表了三篇論文。 尼克分析了A179-4孔底棲和浮游有孔蟲的氧同位素，發現二者具有相似的變幅，從而否定了溫度是冰期-間冰期氧同位素變化的主導因素。通過冰蓋三維模型，尼克評估了冰蓋對海水氧同位素組成的影響，提出有孔蟲殼體氧同位素主要是全球冰量的信號：陸地冰量增加，較輕的16O轉移到陸地冰蓋中，海水中富集18O，有孔蟲殼體氧同位素偏正。這些成果不僅為估計全球冰量提供了有效方法，還使得氧同位素成為全球地層對比的有力工具。 1969年的巴黎INQUA（InternationalUnion for Quaternary Science，國際第四紀研究聯合會）大會[1]上，微體古生物學者John Imbrie介紹了一種利用有孔蟲組合的轉換函數重建古溫度的方法，尼克是唯一的聽眾，二者一拍即合。氧同位素對比提供時間框架，有孔蟲轉換函數確定溫度變化，他們的合作推動了“氣候長期監測、制圖和預測項目（CLIMAP, Climate:

Long-termInvestigation, Mapping, and Projection

project）”的落實。基于700多口全球分布的鉆孔數據，CLIMAP項目產生了末次盛冰期全球海表溫度圖，為重建冰期大氣環流、預測未來氣候變化提供了重要邊界條件。 氧同位素推測的冰量變化得到了海平面升降的有力支持。尼克

利用氧同位素重建了末次冰期以來赤道太平洋海平面變化，與珊瑚礁重建結果非常一致，證實了海洋生物殼體氧同位素、冰量和海平面之間的密切聯系：氧同位素正偏1‰，海平面下降約100m。在同一個鉆孔里，古地磁學家尼爾·奧普代克（Neil Opdyke）在12m深度上檢出了松山-布容倒轉事件，由此，氧同位素記錄獲得了獨立于生物地層的時間標尺。 古氣候學者們對獨立時間標尺期待已久。自從1837年路易斯·阿加西（Louis Agassiz）準確解釋了阿爾卑斯山區的冰川堆積之后，不斷有人提出有關冰期成因的理論。其中，米蘭科維奇（Milankovich）在約瑟夫·阿代馬爾（Joph Adhémar）和詹姆斯·克羅爾（James Croll）的工作基礎上，考慮了已知的各種反饋過程后，1938年公布了不同緯度接受太陽輻射量的統計圖表，得到了地球軌道形狀（偏心率E）、地軸傾角（T）和歲差（P）各要素的周期，估算了過去65萬年中任一時間段冰蓋的范圍。他的主要觀點是，65°N附近夏季太陽輻射變化是驅動第四紀冰期旋回的主要因素。根據米蘭科維奇（Milankovich）的計算結果，高緯度太陽輻射量的最小值似乎與彭克（Penck）的四次冰期相對應，但進一步的驗證一直受獨立時標的掣肘。 CLIMAP項目集成了當時最大的巖芯數據，尼克與詹姆斯·海斯（James Hays）及約翰·英布里（John Imbrie）合作，參考古地磁松山-布容界限，在放射性年代數據約束下，從南印度洋兩個深海鉆孔中成功

識別出了10萬、4萬和2.1萬年周期。這三個周期分別與新近計算的更精確的地球公轉軌道偏心率、地軸傾角以及歲差周期一致，與米蘭科維奇提出的地球軌道參數變化驅動冰期形成的假說相符。文章1976年在Science發表后，古氣候學者歡欣鼓舞，一方面它有力支持了米蘭科維奇假說，另一方面，它提供了米蘭科維奇假說走向應用的范式。 米蘭科維奇假說的應用首當其沖就是天文調諧。如果沉積物完整記錄了地球軌道周期信號，那么就有可能通過沉積物的氣候序列與軌道參數對比獲得時間標尺。在1976年的Science論文中，尼克和同事們就已經確立了這樣一種范式，隨后在深海沉積中廣為使用，到1984年，通過軌道調諧已經成功獲得了中更新世以來的深海氧同位素時標，且調諧流程接近標準化。之后，軌道調諧作為軌道尺度氣候序列定年的常用方法之一。1994年，軌道調諧成功應用在中國第四紀黃土的定年上。2000年，尼克運用軌道調諧確定了新近紀底界年齡。至今，新生代的軌道調諧時標已經接近完成。 軌道調諧方法最成功的應用是對放射性絕對年代的修訂。比如，松山-布容界線K-Ar測年結果為73萬年，但是如果把赤道太平洋V28-238/9孔氧同位素的極小值與低偏心率時段的低夏季太陽輻射值聯系起來，調諧得到的松山-布容界線年齡為79萬年。尼克等在赤道東太平的ODP677孔做了更嚴格的調諧之后，認為松山-布容界線年代應該是78萬年。他指出K-Ar法測量Ar

的絕對量，衰變常數可能影響定年結果。來自軌道調諧的挑戰推動了40Ar/39Ar定年方法的推廣，它通過測量Ar的比值得到更精確的松山-布容界限年代為77.8萬年。相似地，利用軌道調諧法，Ar-Ar法的標樣Fish Canyon Tuff年齡也被重新厘定，由2004年地質年表中的28.02Ma校正為28.201±0.046Ma。 盡管尼克曾認為深海沉積物的氧同位素變化主要由冰量控制，但不可否認溫度仍然會有貢獻，他嘗試將溫度信號從氧同位素信號分離出去，以獲得準確的冰量記錄。2000年，他以65°N軌道參數為目標曲線，通過軌道調諧獲得了深海和冰芯氧同位素的統一時間標尺。同時，估計了空氣和海水氧同位素差值的變化歷史，從而利用冰芯的氧同位素剔除了深海氧同位素中的溫度信號。結果發現，在10萬年尺度上，CO2、溫度和太陽輻射同相位，而冰量明顯滯后，他提出，軌道偏心率可能是通過CO2調節全球氣候，進而形成10萬年周期。 有孔蟲殼體由碳酸鹽組成，碳同位素的古氣候意義自然沒有被忽視。尼克在1977年就提出可以利用碳同位素來評價冰期-間冰期陸地碳庫的變化：生物會在有機質中固定較輕的12C，冰期底棲和浮游生物的碳同位素差別增大。隨后，比較不同洋盆間的碳同位素梯度，尼克認識到北大西洋深層水的生成在晚更新世與現在有差別，且與氧同位素也不相同，推測浮游生物腐爛供應的輕碳造成深層水老化有重要貢獻。這一看法逐漸向沃利·布魯克（Wally

Broecker）的大洋傳送帶靠攏。最終，北太平洋深層水年代的直接測定才澄清了這個問題：冰期比現在老5000年，海陸碳交換和緩慢的深層流可以形成富營養的深層水。 海陸對比一直是尼克關注的焦點之一。他先后關注過海洋沉積中的陸源孢粉、對歐洲陸相沉積進行軌道調諧、對歐亞大陸東部的黃土沉積直接測年，培養了大量的國際學者，迄今仍然活躍在世界古氣候研究舞臺上。 在1982年莫斯科的INQUA大會上，中國剛剛被正式接納為INQUA會員國，尼克就和中國的同行有了深入交流。稍早的1980年，他的父親羅伯特（Robert）參加了第一次青藏高原國際討論會，結識了劉東生先生。次年，劉東生先生回訪英倫時，就已經非常關注尼克的工作。1980年代后期，劉先生和尼克共同推薦周力平在劍橋大學攻讀博士學位。后來，周力平在黃土的地層學、年代學、古氣候學領域卓有建樹，也成為國內第四紀學界連接尼克和劍橋的重要橋梁。不少學者慕名前往劍橋時，周老師還會帶領他們參觀尼克的實驗室和辦公室。

家庭生活

生活中的尼克極為隨性，甚至在參加會議時典型著裝是一件針織套頭衫和一雙不穿襪子的皮涼鞋。甚至1998年，參加封爵典禮的前一天，他在實驗室還是這一身。在同事的督促下，他才承認已經為儀式定制了禮服，但仍然堅持不要錄像。

2004年，尼克從劍橋大學退休。他聲稱，退休后要做一名黑

管演奏家。尼克的黑管收藏和演奏水平和他的古氣候學造詣一樣為人稱道。早在1980年，他撰寫的黑管條目就入選音樂工具書。現在，在Youtube上檢索尼克的視頻資料，絕大多數都和他的音樂生活有關。 尼克的第一段婚姻在10年后仳離。十年后，他迎娶了薇薇安·洛（Vivien Law），一位杰出的語言學家，不幸的是2002年薇薇安（Vivien）因癌癥離世。之后，一位黑管演奏家和藝術學者英格麗·彼得森（Ingrid

Pearson）陪同尼克度過了最后的時光。她在悉尼大學學習時讀到了尼克在1980年寫的黑管論文，寫信向尼克請教。1992年，在尼克和薇薇安的邀請下，英格麗（Ingrid）訪問了英國，后來倫敦攻讀博士學位，現在皇家音樂學院任教。在薇薇安病逝后，她的陪伴使尼克備感欣慰。 沙克爾頓（Shackleton）家族在英國上流社會聲譽卓著。叔祖歐內斯特（Ernest）是著名的探險家，曾在距離南極點不足100英里的地方折返，1909年被封爵，今天月球南極點附近的環形山也以他的名字命名。1971年，父親羅伯特（Robert）因為在結晶巖石學和大尺度構造研究中的貢獻入選英國皇家學會。尼克本人1995年獲得Crafoord獎，1996年獲得Wollaston獎，1998年封爵。

1985年，尼克入選英國皇家學會。2010年，英國皇家學會遴選了10會員作為350年來的會員代表發行紀念郵尼克票。這些人包括牛頓、波義耳、富蘭克林、盧瑟福，尼克是其中最年輕的一位。Nick Shackleton爵士

英國皇家學會紀念郵票2006年1月24日，尼克·沙克爾頓（Nick Shackleton）爵士去世。古氣候學家杰拉爾德·豪格（Gerald Haug）和拉里·彼得森（Larry Peterson）發表在Nature的訃聞中，盛贊他是“the founding father of

paleoclimatology”（古氣候學之父）。在第四紀科學百科全書（Encyclopedia of Quaternary Science）的獻詞中，最后一句寫道“公允地說，過去40年里第四紀科學家一直站在尼克·沙克爾頓（Nick Shackleton）的肩膀上”。 今天是尼克的80歲冥誕。夏至剛過，北半球白晝開始緩慢變短，地球CO2還在繼續升高，在可以預見的兩個月里、兩個世紀里，地球溫度還會繼續升高。可是，富有洞見的、有趣的靈魂越來越少了。

[1]歷屆INQUA大會簡介/郭正堂 國際第四紀研究聯合會(International Union for Quaternary Rearch,簡稱INQUA)第十三屆大會于1991年8月2—9日在北京舉行。這是該組織成立63年來首次在亞洲大陸上召開大會。它標志著亞洲,尤其是中國第四紀研究的水平正步人世界的前列,是我國第四紀工作者幾十年來艱辛創業,為科學發展而努力奮斗的結果。