古時溫度如何測量

胡立成

“小兄弟，不能只講風(fēng)度，忘記溫度，要穿厚實一些。”文中的溫度是作為表示物體冷熱程度的物理量，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(fā)明的冰瓶到伽利略發(fā)明了溫度計，溫度計的產(chǎn)生奠定了記溫學(xué)和熱學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

早在公元前2世紀(jì)，中國古人就開始用最原始的水作為介質(zhì)做成了溫度計，并稱其為“冰瓶”，它是通過水結(jié)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(xiàn)白色煙霧，表明溫度大約為907℃，鋅開始揮發(fā)；爐火純青，表明溫度已達(dá)到1200℃，鋅完全揮發(fā)；全是銅的青焰時，表明此時可以澆鑄了。經(jīng)過現(xiàn)代科學(xué)驗證，目測火候法相當(dāng)準(zhǔn)確，而且在現(xiàn)代冶煉、制瓷等多種行業(yè)中仍在運用。

隨著西方科技的強盛發(fā)展，以及對地質(zhì)的深入研究，使古時候測量溫度成為可能。1947年，美國科學(xué)家尤里和比奇萊森，首先創(chuàng)造了地球化學(xué)測溫技術(shù)。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(jīng)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(xué)測溫技術(shù)測定，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(fā)現(xiàn)，3000萬年前，整個海洋溫度約為10℃，2000萬年前約為 6.111℃，而現(xiàn)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(yīng)。另一種解釋是，當(dāng)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(xiàn)在該如何測量呢？科學(xué)家告訴我們，如能找到地質(zhì)歷史時期溫度變化留下的痕跡，就能知道當(dāng)時的溫度。于是，人們從地球化學(xué)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(yīng)能力大大超過了氧16和氧17，可它的數(shù)量特別稀少。據(jù)統(tǒng)計，在自然界中，每形成500個氧16，才會產(chǎn)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(dāng)生物體活著的時候，它們體內(nèi)氧同位素的比值，同生存的環(huán)境溫度有一定的關(guān)系。當(dāng)這些生物體死去，它們體內(nèi)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(xué)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(dāng)時這些生物生活的環(huán)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)有一種對冷暖變化特別敏感的敏圓輻蟲，計算它的數(shù)量與有孔蟲總數(shù)的比率，就可以推算出當(dāng)時的海洋溫度。計算結(jié)果表明，高的比率與冰期的暖水有關(guān)，低的比率與冰期的冷水有關(guān)。更有趣的是，螺殼的旋卷方向也與溫度有關(guān)。凡是右旋的截錐圓輻蟲的介殼，與溫暖的環(huán)境有關(guān)，左旋的介殼則與較冷的環(huán)境有關(guān)。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(huán)境資料，可以為未來氣候和環(huán)境變化提供預(yù)測依據(jù)，也可以為解釋當(dāng)今氣候環(huán)境變化的原因提供有效的科學(xué)思路。