珊瑚编年史

在一个偏远的太平洋岛屿上，厄尔尼诺现象未来的线索保存在古老的珊瑚礁中

瓦努阿图——Tanovusvus 的 500 名居民通常不担心水的问题。这个村庄拥抱着圣埃斯皮里图岛的海岸，这是瓦努阿图最大的岛屿，是南太平洋西部的一个热带群岛。它周围郁郁葱葱的树叶证明了它每年收到的几米雨。为村庄盛放饮用水的卡车大小的塑料罐很少干涸，尤其是在过去3年中，异常长寿的拉尼娜气候事件给西太平洋带来了温暖和潮湿。

但在 2023 年 10 月的一天，瓦努阿图气象和地质灾害部门的外联协调员阿贝尔·卡洛 （Abel Kalo） 抵达塔诺沃斯沃斯，并警告说：降雨将干涸。拉尼娜现象的对立面厄尔尼诺现象就要发生。几个月前，厄尔尼诺现象标志性模式已经出现：在瓦努阿图上空引发风暴的温暖海水开始向东晃动，流向南美洲。在检查水箱之前，水箱破裂漏水，不到四分之一满水，卡洛告诉村民，“你必须小心。他用瓦努阿图的克里奥尔语比斯拉马语说，“在接下来的几个月里，你不能把这种水视为理所当然。

 On a remote Pacific island, clues to El Niño’s future are preserved in ancient reefs | Science | AAAS

目前厄尔尼诺现象正处于高峰期，不仅在瓦努阿图，而且在全世界都引发了极端天气。干旱袭击了澳大利亚和亚马逊，那里无法忍受的高温使濒临灭绝的粉红海豚窒息而死。降雨淹没了秘鲁，传播了登革热，而侵入其海岸附近的温暖水域扰乱了世界上最大的鳀鱼渔业，并迫使该国取消了利润丰厚的捕鱼季节。这些温暖的海水加速了飓风奥的斯，该飓风于 2023 年 10 月摧毁了阿卡普尔科和墨西哥的太平洋沿岸。厄尔尼诺现象的影响确实是全球性的：通过抑制太平洋从大气中吸收热量的能力，厄尔尼诺现象使 2023 年成为历史上最热的一年。“每当厄尔尼诺事件发生时，都会发生各种奇怪的时髦事情，”科罗拉多大学博尔德分校的古气候建模师佩德罗·迪内齐奥说。

研究人员现在可以提前几个月预测厄尔尼诺和拉尼娜事件，从而减轻其中一些危害。但人们对这种全球起搏器的未来知之甚少。全球变暖会导致更频繁或更严重的事件吗？它会压制他们吗？气候模型存在巨大分歧，历史记录太有限，无法显示变化。

这种不确定性就是为什么卡洛来到塔诺沃斯沃斯，不仅是为了发出警告，而且是为了寻求机会。德克萨斯大学奥斯汀分校（UT）的古气候学家贾德森·帕廷（Judson Partin）也加入了他的行列，他将在接下来的两个月里与一小群研究人员一起呆在那里。两人在村子中央的芒果树附近会见了几十名当地人，用喇叭回答了问题。当卡洛说他们正在研究厄尔尼诺现象时，许多村民点了点头——在瓦努阿图，了解太平洋的状况及其对农业和渔业的影响，与了解季节一样重要。

Tanovusvus的梯田珊瑚海岸线很特别，Kalo和Partin解释说。埋在水线以下的是古老的珊瑚，这些珊瑚从地球历史上的某个时期保存下来，当时寒冷的温度可能导致海洋行为发生巨大变化——帕廷称之为“大信号陆地”。如果被发现完好无损并钻出，这些珊瑚可以捕捉到厄尔尼诺现象在这种寒冷极端时期的样子。反过来，这可能会揭示它未来在相反的极端气候下的行为。“前进的道路是利用古数据来解决这个问题，”普林斯顿大学气候科学家加布里埃尔·维奇说。

两万年前，在最后一个冰河时代的高峰期，地球比今天低6°C。冰川掩埋了北方大陆。但在热带太平洋，情况看起来不会那么不同，但有一个例外：每个岛屿都会高得多。由于地球的水被冰盖锁定，海平面降低了120米。

珊瑚继续在这些高耸的岛屿周围生长，捕捉厄尔尼诺和拉尼娜事件的波动，作为其骨骼中的化学信号，就像树木的年轮一样。后来，当冰盖融化时，瓦努阿图和其他地方的珊瑚礁被淹没，使他们的厄尔尼诺和拉尼娜现象的古老记录遥不可及。

在 1980 年代，UT 地质学家弗雷德里克·泰勒 （Frederick Taylor） 发现圣埃斯皮里图是一个地质奇迹。与瓦努阿图的其他岛屿一样，它是在大约1000万年前的火山活动中形成的，由澳大利亚构造板块在海沟的新赫布里底群岛板块下方滑动引发。但在过去的几千年里，一座海底山已经陷入了海沟。就像一只鞋滑到地毯下一样，它把圣埃斯皮里图推了上去，岛上的部分地区每年上升约7毫米，超过了海平面上升的速度。随着土地的上升，它挖掘了被淹没的珊瑚。今天，它们中的许多都位于地表以下几米处，免受会改变其化学性质的雨水的影响，但触手可及。

Partin于2008年抵达UT，这促使Taylor回到了这些被埋藏的珊瑚中。两人因梦想可以完成这项工作的钻头而结缘。用直升机将大型传统钻井平台运送到圣埃斯皮里图太昂贵了，而且在海上也并不容易：登陆艇将在波涛汹涌的海浪和锯齿状的礁石中挣扎。他们需要一种新型的、轻巧的、模块化的钻头，可以携带到珊瑚礁上并可人工组装。

便携式钻机在寻找最佳目标时也更容易重新定位。最古老的珊瑚可能不超过15米深，但经过数千年波浪的粉碎作用，研究小组在海岸线上的哪个地方会发现珊瑚完好无损。 “人们试图站起来，问，'你钻了多深？'”直言不讳的南方人帕廷说。“我告诉他们，我们不是要钻得很深。我们正在努力钻探。

2019 年，他们为 Tanovusvus 带来了原型钻机。在第二个洞中，他们击中了泥土：一块完整的1.5米长的Porites珊瑚，这是记录古代气候的最佳物种。它代表了1600年前长达160年的记录，当时冰盖开始融化。“仅凭这个核心就可以证明所有的努力是合理的，”泰勒说。他们在水面上方的悬崖上发现了另一块巨大的珊瑚，新鲜到没有被天气改变。它可以追溯到 12,000 年前，直到冰河时代的最后喘息。

接下来，研究人员必须从珊瑚的每个年度层中梳理出厄尔尼诺现象的信号。珊瑚通常由从周围水中沉淀的碳酸钙构建骨骼。但是在厄尔尼诺现象期间，当瓦努阿图的天气较冷时，水中较大的锶原子会滑入晶体中，因为使其分子振动的能量较少。除了测量锶信号外，研究人员还比较了碳酸盐离子的重氧水平，重氧是一种具有两个额外中子的同位素，与正常的“轻”氧进行了比较。降雨富含轻氧，因为它更容易蒸发。因此，在瓦努阿图干燥的厄尔尼诺现象期间，当珊瑚暴露在较少的雨水中时，骨骼中的重氧含量就会上升。

总之，这些指标表明，在寒冷时期，厄尔尼诺和拉尼娜事件仅比现在略弱，频率也较低，Partin说。这似乎是个好消息，因为这意味着在未来一个更温暖的世界中，气候波动可能只会更强烈、更频繁。但有一个问题：巧合的是，这两个珊瑚记录都来自大西洋洋流传送带减弱的时期，这种情况理论上会加剧厄尔尼诺现象。如果没有传送带减速，厄尔尼诺现象在那些寒冷时期可能比今天弱得多，这反过来表明它会随着变暖而变得更强。Partin说，可以肯定的是，该团队需要超过16,000年的珊瑚，当时大西洋传送带很强大。

他们不得不回到塔诺沃斯沃斯。

2023 年 10 月的一个清晨，帕廷和德克萨斯大学研究生罗伯特·多梅科 （Robert Domeyko） 坐在村长卡尔曼梅勒的姐夫佩图尔沃·塔西 （Petulvo Tasi） 腾出的煤渣砖房子里。远离电网的 Tanovusvus 的生活从日出开始，公鸡和狗甚至更早开始。Partin已经在那里呆了2周，他的胃已经适应了根茎类蔬菜和米饭的简单膳食，以及每晚公共剂量的卡瓦胡椒，这是一种根饮料，是一种镇静剂，他说，是一种助消化剂。“这只是一件神奇的事情，”他说。“你正在混合你所有的生物群落，这有助于你更快地排队。”

当天的当地人钻探队到达了这所房子，准备徒步前往海岸线。Partin非常看重他们的机械洞察力，通过无数小时的操纵卡车发动机来磨练它们，以保持它们在咸空气中运行。“他们什么都看得见，”他说。每隔几天，工作人员就会轮换一次，让卡尔曼梅勒将每天的工资——2000瓦图（约合17美元）分摊给村里的四个主要家庭。酋长和担任船员长的老村民卡里森一起参加了这一天。“今天有新船员，”帕廷说。“会有一个学习曲线。”

徒步前往钻井地点，他们经过一个古老的椰子种植园，越过几个带刺的铁丝网，在最后的争夺中，沿着陡峭的珊瑚坡向下攀登。在那里，在蔚蓝的大海和天空的映衬下闪闪发光的是 6 米高的铝制钻机。由柴油发动机提供动力的嘶嘶作响的液压软管蜿蜒到机械控制面板和电机上;海浪会腐蚀任何电动的东西。今天早上，Partin发现之前的船员忘记给夹子上油了。一夜之间，它长出了锈迹斑斑的锈迹。

礁石露台很漂亮，但地形险恶。锋利的珊瑚会咀嚼鞋子，无法提供平坦的休息表面;一天之内，腿部肌肉就会变火。在岩石中一米深的空隙中走错一步，可能意味着要去看医生，几个小时后。但船员们却在家，穿着人字拖在岩石之间跳跃，因为他们了解了自己的角色：操作绞盘，运行泵以保持钻头用水润滑，以及拧紧和拧下钢管部分。

振奋人心的历史

瓦努阿图是一个由 83 个岛屿组成的热带群岛，是由澳大利亚构造板块在新赫布里底板块下方滑动引发的火山活动形成的。海底的一座山已经滑入俯冲带，并以比海平面上升更快的速度推高了该国最大的岛屿圣埃斯皮里图。

钻探也存在危险。那天晚些时候，当一个芯子被绞出拳头大小的孔时，一根电缆从它的凹槽中跳了出来。一声尖锐的噼啪声响起，一个破碎的绞盘导轨的扭曲金属在所有人都躲避时飞了起来。这是使用铝而不是钢的权衡，Partin说。“它不是疯狂的沉重，但随后你就失去了力量。”他决定，只要机组人员小心电缆，他们就可以继续。工作恢复了，但这次戴着安全帽。

最后，在当天晚些时候，Partin注意到从钻孔中涌出的水不是通常的沉积物和碎珊瑚粉的灰色混合物。它已经变成了白色，这是珊瑚完好无损的标志。“也许这只是我的愿望，”他说。

当船员们拧开管道，露出里面的岩芯时，卡里森兴奋地吹了一声口哨，用比斯拉马语喊道：“南巴湾！南巴湾！（“第一！太棒了！Partin匆匆忙忙地跑过去看。“是吗？我告诉过你它是白色的。我告诉过你是白色的！

他们击中了珊瑚的死角，提取了一个近1米长的岩芯。它不是Porites，而是Diploastrea，另一个气候记录器。“这可能是40年或50年，”Partin说。深度表明它来自16,000多年前。“所以现在我必须学习如何对此进行采样，”Domeyko说。团队把它装箱带回了房子里。

那天下午，好运把大家推回了山上。Partin和Domeyko坐在屋外大汗淋漓，然后临时洗澡。但这种喜悦是短暂的。塔西很快走了过来，发出了自己的警告：“你听说过飓风吗？一场由厄尔尼诺现象形成的风暴即将中断对厄尔尼诺过去的搜索。

在人类历史的大部分时间里，赤道太平洋被认为是一个沉闷的地方。水手们长期以来一直警告说，低迷，东北风和东南风碰撞并上升，在水面上形成静止潮湿的条件。但几个世纪前，在秘鲁，渔民们注意到，有时，在圣诞节和“男孩”到来前后，他们的沿海水域会变得异常温暖，扰乱凤尾鱼的收获。

然后，在1957年，在国际地球物理年期间，强烈的厄尔尼诺现象袭击了太平洋，当时研究人员在世界各地展开研究地球。船上数据显示，秘鲁附近的温暖水域向西延伸到夏威夷，在太平洋中部，通常沿赤道向西吹的信风已经减弱。在1960年代中期的几篇论文中，加州大学洛杉矶分校的气象学家雅各布·比耶克内斯（Jacob Bjerknes）提出，这两种异常现象是交织在一起的，它们经常相互作用，不仅影响太平洋，而且影响整个世界，通过大气中的“遥联”。“那是厄尔尼诺历史上的大爆炸，”美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）的海洋学家迈克尔·麦克法登（Michael McPhaden）说。

厄尔尼诺现象的核心是当太平洋失去平衡时发生。在典型的年份，信风会搅动深冷的水和营养物质，并将它们带到秘鲁海岸的地表——这也是凤尾鱼通常在那里繁衍生息的原因，也是企鹅在加拉帕戈斯群岛找到一个幸福家园的原因。风将温暖的水域限制在西部。但是，当这些风减弱时，温暖的海水会向东滚动。随着东西方温差的缩小，信风进一步减弱，使更多的温暖向东传播，随之而来的是水汽和风暴带。研究人员后来意识到，这种所谓的Bjerknes反馈可能会反过来运行：信风搅动了东太平洋的冷水，东西方之间的温差增加并加强了风，温暖和风暴被推到更远的西部。他们将这种模式命名为拉尼娜现象。

厄尔尼诺和拉尼娜事件对全球气温的影响和减少，使早期认识到人类驱动的全球变暖的努力变得复杂。这种气候信号早已出现。但它对厄尔尼诺现象的影响仍然是神秘的。一些研究人员在过去80年中看到了更强的“超级”厄尔尼诺现象和多年拉尼娜现象的迹象。但大多数人认为温度记录太短且嘈杂，无法辨别任何趋势，迈阿密大学的气候科学家艾米·克莱门特（Amy Clement）说。“零假设很难拒绝 - 它都是随机变化，[厄尔尼诺现象]来来去去。

气候模型也没有提供太多帮助。渲染厄尔尼诺现象是一项挑战，需要模型正确捕捉云层形成、海洋漩涡以及来回运送太平洋水域的巨大水下波浪的神秘动态。“模型中厄尔尼诺现象的模拟仍然不是很好，”DiNezio说。一些模型发现，超级厄尔尼诺现象和更长的拉尼娜现象在温暖的气候中变得更加普遍。许多其他人没有。

造成这种混乱的一个原因是，大气层和海洋正在争夺影响力。许多模型表明，气候变化将导致东太平洋上空的空气比西太平洋上空的空气变暖得更快，从而削弱了导致信风的大规模空气环流。随着风力较弱，强厄尔尼诺事件应该更频繁地发生。

但克莱门特和其他人提出了东太平洋寒冷海水的抵消效应。随着全球气温上升，海水的升温速度应该比西太平洋慢，从而加剧了赤道沿线的温度对比。这将使海洋进入一种持久的拉尼娜状态，从而抑制厄尔尼诺事件。克莱门特承认，气候模拟并没有显示出这种趋势。“公平地说，模型缺少这一点。

然而，目前的观察似乎支持这一观点。自1980年以来，东太平洋的气温相对于西部有所下降。多年来，研究人员将其归咎于自然变异。但它已经持续了足够长的时间，以至于这种选择似乎不太可行，DiNezio说。“每年通过这种解释都变得更加不稳定。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation）的气候科学家蔡文菊（Wenju Cai）引用了另一个海洋因素，这个因素有利于更强的厄尔尼诺现象。他说，目前，东太平洋缓慢变暖的地表水仍然比深水升温得更快，加剧了将地表水与寒冷深处分开的温度分层。这为信风留下了更少的地表水，并增强了它们产生强烈厄尔尼诺和拉尼娜事件的能力。“这就是从根本上推动可变性增加的原因，”蔡说。

麦克法登乐观地认为，这些模型最终将揭示在拟议机制中最重要的因素。事实上，他说，许多很好地渲染厄尔尼诺和拉尼娜事件的模型正在趋同。他说，他们认为，在变暖的世界中，这两个极端都将变得更加强烈和频繁。“它很模糊，但星星正在对齐。”

克莱门特不太确定。即使在所有拟议的机制中，她担心研究人员仍然缺少一些基本的东西。“当你不得不对某件事想得太辛苦时，”她说，“这是一个不好的迹象。Partin认为他的团队的珊瑚可以提供一些基本事实。

目前，最终被命名为洛拉的热带气旋已经搁置了他的探索。塔诺沃斯沃斯没有手机服务，所以为了查看天气预报，帕廷和多梅科不得不徒步到海岸线，在那里他们可以举起手机接收来自附近岛屿的信号。

天气模型显示，洛拉在瓦努阿图北部形成，向西南方向弯曲，在3天多一点的时间里直接撞击该岛。虽然厄尔尼诺现象通常会抑制该地区的气旋，但它增强了风力，将风暴的形成推向东北方向的赤道，导致洛拉的起点不同寻常。

在演习现场，Partin有幸在午休时间与妻子和年幼的儿子进行视频通话。“我继续告诉家人，'嘿，这要来了。我们知道这一点。如果你在新闻中听到的话，我们已经准备好了。似乎可以肯定的是，他在塔诺沃斯沃斯的逗留时间会延长。“全世界都在密谋让我错过感恩节，”他说。

与此同时，机组人员可以尝试另一个核心。但今天只有碎片从洞里出来，在10米深的地方，钻头停了下来。“钻深洞真是太痛苦了，”Partin说。天色已晚，所以他决定搬到礁石上的新地方，只有几米远。这样做需要几个小时的拆卸。

回家的徒步旅行没有前一天那么热情。明天是星期天，这是一个“咒语”日，在暴风雨来临之前几乎没有时间——也许只够将设备转移到更高的地方。虽然他们挖出的Diploastrea岩芯很有希望，但这并不是他们所希望的金矿。“寻宝方面可能会很累，”他说。“你可以花几个星期，却一无所获。”

第二天，泰勒来了，带来了牛排和葡萄酒，帮助团队渡过难关。到第二天，洛拉已经变成了5级风暴，回到瓦努阿图首都的卡洛发出警告，看起来它可能是直接袭击。在泰勒和另一名助手的拼写下，多梅科在一辆破旧的皮卡车的床上逃到了机场，沿着可能很快就会被冲毁的道路。黎明前的阳光下起了雨，卡车经过穿着制服的孩子们走在上学的路上。很快，村民们就开始为飓风做准备，用大棕榈叶覆盖和支撑他们的房屋。他们应该没事，Domeyko说。他们在许多类似的风暴中幸存下来。但他说，该团队的工作性质可能会发生变化。“我只是希望它不会成为一项人道主义任务。

虽然这是一个了不起的门户，但Tanovusvus并不是通往Big Signal Land的唯一途径。碰巧的是，当洛拉在瓦努阿图上航行时，一艘80米长的研究船正在夏威夷大岛附近寻找上一个冰河时代的珊瑚。

与瓦努阿图不同，夏威夷在火山刚刚喷发的岩石的重压下正在慢慢下沉。加州大学圣克鲁斯分校（University of California， Santa Cruz）的古气候学家克里斯蒂娜·拉维洛（Christina Ravelo）说，虽然这使珊瑚礁深深地埋在水下，但缓慢的沉降意味着珊瑚被保存在阶梯状的梯田中，这些梯田很容易按年龄定位。她和她在MMA Valour上的同事们花了数周时间在岛的西侧钻探化石礁。

该团队使用机器人钻机，从35个洞中回收了400多米的珊瑚。厄尔尼诺和拉尼娜现象不会像瓦努阿图那样改变夏威夷的天气状况，这将使梳理信号变得更加困难。但是珊瑚缺乏信号强度，它们以创纪录的长度弥补。拉维洛认为，在这400米长的珊瑚中，该团队已经捕捉到了可追溯到50万年前的记录，不仅涵盖了上一个冰河时代的高峰，还涵盖了三个更早的冰河时代。她说，如果Partin和他的同事们成功地完成了他们的任务，那么来自不同地方的两份记录可能会带来启示。“看看他们能得到什么，真的很有趣。”

在半个地球之外的南极洲，其他厄尔尼诺现象可能不是保存在珊瑚中，而是保存在冰中。去年，由俄勒冈州立大学冰川学家克里斯托·布泽特（Christo Buizert）领导的一个研究小组在《过去的气候》（Climate of the Past）杂志上表明，冰芯微观气泡中所含惰性气体的变化可以捕捉到一个地区风暴的增加或减少。

在雪层被压实成冰之前，较重的元素，如氪，通过气穴向下扩散，最终达到平衡。但是当低压风暴进入时，这些元素就会像雪球一样被震动。“这几乎就像整个积雪都在呼吸，”Buizert说。在这种摇晃之后，氪比其他气体需要更长的时间才能恢复平衡。通过比较氪气和冰泡中另一种气体的水平，研究人员可以告诉你这种震动有多剧烈或暴风雨。

这些南极风暴似乎是一种局部现象，但特别是西南极洲的天气，通过西风的变化与太平洋的变化密切相关。“它确实将南极洲与全球环流联系在一起，”Buizert说。他计划再测量几个冰芯，以更好地梳理厄尔尼诺现象的暴风雨信号。如果他和他的同事们能做到这一点，他们就可以发现一个可以追溯到数十万年前的记录。

当洛拉走近时，帕廷定期出村查看天气预报。在最后一次旅行中，其他七名村民和他一起来了。“每个人都很担心，”他说。这一次他们得到了好消息：天气模型显示气旋只是缺少圣埃斯皮里图。

紧张的等待开始了。酋长命令村民留在家中。帕廷把他的东西堆在一个角落里，用防水布盖住。他和泰勒一直开着门，让空气流动，等待暴风雨的高潮。但它从未到来。洛拉摧毁了其他几个岛屿，但塔诺沃斯沃斯只需要应对大雨和阵风。

第二天，他们又开始钻井了。三号洞和四号洞进展很快。机组人员每天清理 7 或 8 米。当他们钻第四个洞时，由于害怕潮汐，工作人员坚持将发动机向上移动，但研究人员希望继续钻探。很快，潮水在珊瑚巨石之间冲了上来，淹没了钻腿。“天哪，”帕廷说。“相信当地人。”

在最后两个洞，Partin决定推动团队，他们最终钻了15米多，击中了几颗完整的珊瑚。“这完全出乎意料，”Partin说。“我们打珊瑚的深度比我们想象的要深得多。”

该团队需要确定日期来证实这一点，但Partin认为这些珊瑚来自冰河时代的深处。“这是最佳点，”他说。它们闪闪发光，洁白无比——一个健康的珊瑚礁环境。但是，对于一个跨越一个世纪的良好气候记录来说，没有一个足够长。“它是如此接近，”他说。“尽其所能，却不令人惊叹。”

由于筋疲力尽，脚上瘀伤，帕廷决定保留原来的航班回家，并在五月回来。毕竟，他不会错过感恩节。与此同时，泰勒决定这将是他最后一次访问珊瑚礁：这太危险了，而且他的脚太不稳定了。但经过几十年的探索，他们现在知道了厄尔尼诺现象过去的确切珊瑚礁。宝藏已经找到了。它只需要被挖出来。

Tanovusvus举办了一个告别派对。一桶桶的卡瓦酒流淌着，键盘演奏着雷鬼音乐，直到深夜。第二天早上，每个人都将装箱的钻机装上皮卡车，将其运往圣埃斯皮里图首府的一个储存地点。告别时，帕廷向酋长保证，在飓风季节过后，他会回来的。