气象学家在研究一个地区气候变迁的时候，遇到一个大难题 ；他们无法确切知道该地区古代 的降水量，因为古代可没有专职的 气象部门，负责观察天气、测量降 水，并做记录。

没料到他们后来发现，古人 的这一疏忽竟被大自然巧妙地弥补 了。造化之神功早已为后人准备 了一支天然的“雨量计”，有了它， 我们可以测出历史上几百，甚至上 千年前的降水量。

这支“雨量计”就是海藻。

“性格”相似又有别的氢同位素

海藻是生活在海洋或者淡水 湖泊中、门类广泛的水草的总称， 包括我们熟悉的海带、紫菜和水绵。 这些藻类可以通过光合作用合成脂 类物质，其脂质中的氢元素则来自 它们生活其中的海水或湖水。

氢元素在自然界有三种稳定 同位素，分别叫氕、氘、氚。氕其 实就是普通的氢，原子核里只有 1 个质子，由它和氧元素组成的水就 是普通水，也叫轻水 ；氘原子核里 含有 1 个质子、1 个中子，几乎是 氕原子核的 2 倍重，由它和氧元素 组成的水叫重水 ；氚原子核更重， 含有 1 个质子和 2 个中子，由它和 氧元素组成的水叫超重水。重水和 超重水是核聚变的主要原料。

在自然界，超过 99.98% 的氢 元素都是氕 ；氘只占 0.015% ；氚 更少，在下面的讨论中我们可以忽 略。在常温下，轻水容易蒸发，蒸 发之后形成降雨、降雪又返回地面， 而重水却不容易蒸发。因此在降雨 和降雪中，基本上不含重水。

虽然氕和氘的物理性质不同， 但因为它们是同位素，化学性质却 是完全相同的，所以在一个水域，水里的氕 / 氘原子数比例和有机物 中的比例应该一致。这是因为，这 些氢元素最终都可以追溯到水中的 氕和氘，它们经过一系列生物化学 反应，被合成到有机物中去了，而 化学反应对同一种元素的所有同位 素是一视同仁的。

正是“降水里不含氘”和“有 机物上所含氕 / 氘比例应与它生活 的水域氕 / 氘比例一致”这两点， 为用海藻测量古代的年降水量提供 了科学依据。

古代降水量的信息哪里藏

海藻的生长范围广，几乎有 水的地方就有海藻。当它们死后， 就沉入水底 ；除了脂类物质，其身 上的其他有机成分都被微生物降解 了 ；而脂类物质降解缓慢，一般需 要上千年，于是混入淤泥，成为水 底沉积物的一种组分。

假如我们在所研究地区找到 一个封闭的，既没有进口也没有出 口的湖泊，那里的重水既不会蒸发， 也不会流入和流出，所以湖泊里氘 原子的总量应该在任何年代都大致 保持不变。这样一来可以推算，该 水域中氕 / 氘比例跟当地的降水量 呈线性关系（见超级链接）。有了 这个关系，如果再知道了古代湖水 中的氕 / 氘比例，就可以反推出当 时的降水量了。

那么如何知道古代湖水中的 氕 / 氘比例呢？对了，这个信息就 藏在湖底淤泥里由古代海藻死后留 下的脂质中。我们只要从湖底钻取 沉积物，取出其中一很薄的切片 （保证这些沉积物是同一时代形成 的），分析其脂质中的氕 / 氘比例， 我们就可以获知当时湖水中的氕 / 氘比例 ；把这个数据代入降水量与 氕 / 氘比例的线性关系，就可以得 到古代的降水量。

但还有一个问题，我们怎么 知道这块切片形成的年代呢？这需 要利用另一项同位素技术，即碳 -14 测年法来完成。这是一项考古 学上很常用的技术，这里就不介绍 了。

这两项技术一结合，气候学 家就可以重建该地区历史上各个时 期的降水量了。 利用海藻这支天然的“雨量 计”，气候学家近年来重建了赤道 地区近 1200 年来降水量的变化历 史。他们吃惊地发现，在过去 400 年间，由于全球气候变暖，热带 地区的降雨带在纬度上向北移动 了 5 度，大约 550 千米。这说明温 室效应的小幅度增加，就能够从根 本上改变热带地区的降雨。随着大 气温度的持续变暖，他们预测，到 2100 年降雨带还将继续向北移动 5 度。那时候，现在雨量充沛的某些 热带地区将面临干旱的威胁 ；某些 热带的作物和水果，如咖啡和香蕉 等，将严重减产。

他们的工作再一次为气候变 暖拉响了警报。别忘了，这里有一 份海藻的贡献。

降水量和氕/氘比例的线性关系

如果 y 和 x 满足 y=ax+b， 其中 a、b 为常数，我们就称 y 和 x 具有线性关系。

现在假设这个封闭湖泊 在没有降水也没有蒸发的情况 下，水体中轻水的总量为 Q， 重水的总量为 D ；再假设年降 水量为 y，年蒸发量为 Z（注意， 蒸发和降水都只与氕有关，跟 氘无关），氕 / 氘比例为 x。

那么，我们就可以得到如 下一个关系 ：

整理之后可得 ：

一般除非气候剧烈变化， 否则年蒸发量 Z 也可以看成 是一个常数。在式子中，D 和 （Z-Q）都是常数，所以年降 水量 y 与氕 / 氘比例 x 成线性 关系。比例系数可以根据该地 近年来的降水量和该水域中的 氕 / 氘比例定出。

本文作者：大科技杂志社(今日头条)

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