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在一个偏僻的山洞里东北印度1000多年来,雨水一直从天花板上慢慢滴下来。每滴一滴,水中的矿物质就会在地面上积累,慢慢形成碳酸钙塔,称为石笋.这些石笋不仅仅是地质奇迹——就像年轮一样,它们的层记录了该地区的降雨历史。它们还对未来可能发生的灾难性多年干旱发出了警告。

通过对该地区石笋的地球化学特征进行分析新的研究本月发表于美国国家科学院院刊我们能够创造出过去千年来最精确的夏季印度季风年表。它记录了印度次大陆如何频繁经历长期严重干旱,这与过去150年观测到的任何可靠干旱都不同季风降雨测量。

我们发现的干旱时期与之惊人地同步关于干旱、饥荒的历史记载大规模死亡事件,该地区地缘政治的变化

它们展示了莫卧儿帝国和印度纺织业在18世纪80年代和90年代的衰落是如何与千年来最严重的30年干旱相吻合的。干旱的深度和持续时间会导致大面积的作物歉收和饥荒的严重程度在书面文件中讨论当时。

1630-1632年德干饥荒是另一场长期干旱,这是印度历史上最具破坏性的干旱之一。数百万人死于庄稼歉收。大约在同一时期,精心设计的莫卧儿王朝首都Fatehpur Sikri被遗弃古格王国灭亡在西藏西部。

胜利之门(bulland Darwaza)在Fatehpur Sikri,曾是莫卧儿帝国的首都。
胜利之门(bulland Darwaza)在Fatehpur Sikri,曾是莫卧儿帝国的首都。Marcin biaek, CC BY-SA 3.0/Wikimedia

我们的发现对当今全球变暖环境下的水资源规划具有重要意义,尤其是对印度来说。印度拥有庞大的依赖季风的农业,正逐步实现很快将成为人口最多的国家世界上最伟大的国家。

大约在19世纪70年代,科学家们开始用仪器系统地测量印度的季风降雨。从那时起,印度经历了大约27次地区性大范围干旱。其中,只有1985年到1987年连续三年干旱或更严重。

这些数据中印度季风的明显稳定性可能会导致人们猜测,无论是持续多年的持久干旱还是频繁的干旱都不是其可变性的内在方面。这一看似令人放心的观点目前反映了该地区目前的水资源基础设施。

然而,石笋证据显示,在过去1000年里,长期严重干旱描绘了一幅不同的画面。这表明,较短的仪器周期并没有捕捉到印度季风变化的全部范围。它还对该地区目前的水资源、可持续性和缓解政策提出了质疑,这些政策低估了未来长期干旱的可能性。

为了重建过去的降雨量变化,我们分析了来自莫姆卢赫洞穴的石笋乞拉朋齐在梅加拉亚邦世界上最潮湿的地方之一

Mawmluh洞穴内标记为研究的石笋。
Mawmluh洞穴内标记为研究的石笋。贾亚特里Kathayat

石笋是一种锥状结构,从地下缓慢生长,通常每10年生长1毫米。在它们的生长层中,有微量的铀和其他元素,这些元素是雨水渗入洞穴上方的岩石和土壤时获得的。随着时间的推移,困在石笋中的铀会以可预测的速度衰变成钍,所以我们可以计算出每个石笋生长层的年龄测量铀和钍的比例

雨水分子中的氧主要有两种同位素:重的和轻的。随着石笋的生长,它们将渗入洞穴的雨水中的氧同位素比例锁定在它们的结构中。这一比例的微妙变化可能源于雨水最初降落时的一系列气候条件。

我们的之前在这一领域的研究表明雨水中氧同位素比率的变化,以及石笋中氧同位素比率的变化,追踪了导致夏季季风降雨的不同水分来源相对丰度的变化。

在季风环流较弱的年份,这里的降雨主要来自附近阿拉伯海蒸发的水分。然而,在强季风年,大气环流从南印度洋一路给这一地区带来了大量的水分。

这两种水分来源具有完全不同的氧同位素特征,而这种比例忠实地保存在石笋中。我们可以利用这条线索了解石笋形成时季风强度的整体强度。我们把这些拼凑起来季风降雨历史通过从其生长环中提取微量碳酸钙,然后测量氧同位素比率。为了将我们的气候记录固定在精确的历年,我们测量了铀和钍的比例。

石笋的横截面显示了环形结构的变化,这可能与气候条件的变化有关。
石笋的横截面显示了环形结构的变化,这可能与气候条件的变化有关。贾亚特里Kathayat

古气候记录通常能告诉我们发生了什么,在哪里,什么时候。但通常情况下,他们自己无法回答为什么或如何发生某事。我们的新研究表明,在过去的几千年里,长期干旱经常发生,但我们并没有很好地理解为什么季风在那些年里失败了。使用喜马拉雅冰芯、树木年轮和其他洞穴进行的类似研究也发现了长期干旱,但面临着同样的挑战。

在我们研究的下一阶段,我们将与气候建模师合作,进行协调的代理建模研究,我们希望能对过去千年中引发和维持这种长时间干旱的气候动态提供更多的见解。

加亚特里·卡塔亚特,西安交通大学全球环境变化副教授。她的合著者阿什·辛哈(Ashish Sinha)是加州州立大学多明格斯山分校的地球和气候科学教授