古时温度如何测量

胡立成

“小兄弟，不能只讲风度，忘记温度，要穿厚实一些。”文中的温度是作为表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲，它是物体分子热运动的剧烈程度。从中国古代发明的冰瓶到伽利略发明了温度计，温度计的产生奠定了记温学和热学发展的基础。

早在公元前2世纪，中国古人就开始用最原始的水作为介质做成了温度计，并称其为“冰瓶”，它是通过水结冰和融化来判断气温的。到了商周时期，古人又开始观察“火候”，借燃烧时火焰的变化，来推测温度高低，并把目测火候的方法运用于青铜器的冶炼中。先秦时成书的《考工记·栗氏》就记载了观察火候的方法和过程，不同火焰和烟色的变化代表不同的温度。如青铜冶炼时出现白色烟雾，表明温度大约为907℃，锌开始挥发；炉火纯青，表明溫度已达到1200℃，锌完全挥发；全是铜的青焰时，表明此时可以浇铸了。经过现代科学验证，目测火候法相当准确，而且在现代冶炼、制瓷等多种行业中仍在运用。

随着西方科技的强盛发展，以及对地质的深入研究，使古时候测量温度成为可能。1947年，美国科学家尤里和比奇莱森，首先创造了地球化学测温技术。他们一起测定了古代海生动物化石中氧原子两种变体的比例，以便测出这些动物生活中水的温度。例如，他们分析了一个有几百万年历史的动物化石（一种已经灭绝的乌贼）的壳层，确定了这个动物出生于夏天，在四年后的春天死去。通过这种地球化学测温技术测定，科学家发现，1亿年前世界海洋的平均温度为70℉（21.1℃）左右，然后逐渐变冷，1000万年以后降到61℉（16.1℃），然后又上升，再过1000万年以后上升到70℉（21.1℃）。从那时以来，海洋的温度一直在下降。

1961年，另一位科学家埃米利亚尼使用尤里的方法研究了从洋底岩心中取出的有孔虫壳。他发现，3000万年前，整个海洋温度约为10℃，2000万年前约为 6.111℃，而现在是1.667℃。这些长期的温度变化是由什么引起的呢？一种可能的解释是二氧化碳温室效应。另一种解释是，当大气中的二氧化碳含量下降时，地球会逐渐变冷。

几亿年前的温度早已时过境迁，现在该如何测量呢？科学家告诉我们，如能找到地质历史时期温度变化留下的痕迹，就能知道当时的温度。于是，人们从地球化学的氧同位素分析着手，终于找到了另一种测量古温度的可靠方法。氧元素是个大家族，包括氧16、氧17、氧18。其中，氧18的核反应能力大大超过了氧16和氧17，可它的数量特别稀少。据统计，在自然界中，每形成500个氧16，才会产生一个氧18。因为在自然界中，氧同位素的比值，会随着温度的变化而变化。当生物体活着的时候，它们体内氧同位素的比值，同生存的环境温度有一定的关系。当这些生物体死去，它们体内的这种同位素比值就不再变化了。亿万年后，这些生物体遗骸成了化石，人们只要用化学方法从化石中提取氧，再测出氧16和氧18的比值，就能知道当时这些生物生活的环境温度了。你看，氧同位素的比值，真可称得上是一支灵敏的温度计。

另外，在观察海洋岩芯时，科学家们发现有一种对冷暖变化特别敏感的敏圆辐虫，计算它的数量与有孔虫总数的比率，就可以推算出当时的海洋温度。计算结果表明，高的比率与冰期的暖水有关，低的比率与冰期的冷水有关。更有趣的是，螺壳的旋卷方向也与温度有关。凡是右旋的截锥圆辐虫的介壳，与温暖的环境有关，左旋的介壳则与较冷的环境有关。因此，从螺壳左右旋卷的比率，可推断盘古时期的温度。

探测古时候温度所得到的古气候和古环境资料，可以为未来气候和环境变化提供预测依据，也可以为解释当今气候环境变化的原因提供有效的科学思路。