海底沉積物岩芯中的檔案：有孔蟲氧同位數比值和水溫的關係

作者：魏國彥

海洋中有一大群能分泌殼體的原生動物，因為殼體上有許多細小的孔洞供應細胞質進出，稱為有孔蟲。有孔蟲具有碳酸鈣質的外殼，這些蟲直接取自其生活環境中的海水來造殼，碳酸鈣殼體含有兩種氧的同位素（18O 及16O），有孔蟲死亡後沉降至海底，其殼體便成為可以保留在海底中的地質紀錄。
有孔蟲在五億年前就出現了，有孔蟲殼體的氧同位素比值，隨著漫長的地球時間不斷改變，氧同位素反映兩種與氣候相關的主要因素：分布在陸地上的冰川總含量、有孔蟲生成環境中的水溫。也就是說，分析有孔蟲的殼體可以得到兩項有關過去氣候變化的指標：全球冰川總體積以及海水的溫度。
有孔蟲依棲息環境可以分為浮游性有孔蟲和底棲性有孔蟲（圖一）兩大類。浮游性有孔蟲大多生活在100 公尺水深的範圍之內，形成牠外殼的物質也就直接取自表層的海水；底棲性有孔蟲則居住在海底或沉積物的表層，牠們的外殼來自深層海水。

圖一 有孔蟲，取自南海。

有孔蟲殼體的氧同位素值直接受海水溫度影響，每當水溫下降4.2 度，氧18 同位素18/16 的比值就會降低千分之1（氧同位素比值降低是和氧16 相比，氧18 的相對含量更低）。這個關係起初是在實驗室中直接獲得，方法是分析不同水溫下具有鈣質外殼的生物體氧同位素的比值，而這項結果和現今海洋生物的實際觀測數據也相當一致，在溫暖的副熱帶海洋中，表層海水（水溫21℃）中浮游性有孔蟲殼體氧同位素值為負千分之一（－ 1‰）而生活在深海冷水（水溫2℃）中底棲性有孔蟲的氧同位素為＋ 3.5‰。

乍看之下，直接量出浮游性有孔蟲殼體中氧同位素的比值，似乎就可以作為古海面水溫的溫度計，但其實我們還得考慮氧同位素比值不僅是受「水溫」單一變數影響而已。
影響水中氧同位素的第二項因素是大氣循環和儲存於冰層的過程。赤道溫暖的海面提供豐富的機會讓水蒸發為水氣，這些水氣經由大氣環流逐漸往高緯度輸送，並在某些適當條件下隨著降水回到地表。水氣由氫和氧構成，比較輕的氧16 同位素容易從海面被蒸發出來，比氧18 更容易從低緯度向高緯度輸送，使得赤道地區海洋留下較豐富的氧18 含量。同樣的道理，一旦水氣從大氣層中凝結或沉降，比較重的氧18 同位素容易從大氣中移除，掉回地面，留下更多的氧16 在大氣中，因而越低緯度越容易有沉降下來的氧18，每經過一次蒸發與沉降的過程，大約使得氧18 的比值減少千分之十。這些過程使得氧16 不斷往高緯度傳輸。這樣的過程又伴隨著另一項水氣含量的改變而增強，因為越冷的空氣所含的水氣越稀少，可以說含有最多氧16 同位素的氣團也是水氣含量最低的氣團。

這些不斷移向高緯度地區傳輸的水氣，經過一再蒸發與沉降的過程，將使高緯區降雪中富含氧16，一旦地球進入冰期，從海面蒸發而長期保存在冰層中的水必然富含氧16，因此冰期中全球海水中的氧18 比值必然偏高（氧16 被困在陸地上的冰層中）。今日全球出現的冰川總體積大約為海水體積的五十分之一，可計算這些冰雪體積造成的氧18 比值的改變，綜合以上的關係，從有孔蟲生長的海水溫度以及被儲存在冰層中的氧同位素含量，可以衍生出以下的公式：
T ＝ 16.9 － 4.2（δ18Ｏc－δ18Ｏw）
T：水溫℃
δ18Oc：從有孔蟲的鈣質外殼測量到的氧18 同位素比值
δ18Ow：代表有孔蟲的外殼生成時海水中的氧18 同位素含量
氧18 比值隨著海水蒸發作用所發生的分化作用。水中的氧16 和氧18 含量因為多次從赤道向高緯度的蒸發與降水，較輕的水容易蒸發，也較不易沉降，因此越往高緯度氧18 含量越少（圖二）。

註：氧同位素δ18O 的定義： δ18Ｏ‰（千分比）=（（18Ｏ/16Ｏ）樣本－（18Ｏ/16Ｏ）標準值）/（18Ｏ/16Ｏ）標準值×1000
（參考資料：Willam F. Ruddiman，2001，ch7 Back into cehouse，Earth’s Climate Past and Future，P.150～154。
魏國彥，2003，氣候變遷以古為鑑，小化石記錄大氣候，科學發展369，P.6～11。）