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在過去的冰期，大量的冰層堆積壓在陸地上，而冰期後厚重的冰層消融，會使得原本凹下去的陸地產生緩慢的反彈 (Post-glacial rebound)。在地球悠長歷史中，躲在地殼下方的地函也會不斷地改變地殼的樣貌跟高度。
哥倫比亞大學Lamont-Doherty地球觀測中心（Lamont-Doherty Earth Observatory, LDEO）的海洋地質學家Maureen Raymo是研究地質作用與海平面變化的先驅。Raymo曾描繪古海岸線，並採集橫跨澳洲南部Cape Range到阿根廷的古海岸線樣本。Raymo的團隊並與Robin Bell教授所領導的一個專門研究冰原的地球物理團隊合作，針對冰原跟海岸線變化，提出了初步研究結果，試圖回答兩個困惑全世界的關鍵問題：
目前海平面已經上升多少？
上升速度又有多快呢？
（這兩個問題，國家地理頻道十一月推出的《洪水來臨前》也詳細討論了一番）
從海灘地形回到實驗室
科學家可以使用無人駕駛飛機和配備光學雷達（LiDAR，Light Detection And Ranging）的飛機去偵測平行於海岸線的化石變化，以定位古海岸線位置。但要知道它是哪個年代的古海岸線，首先要帶著地質鎚跟GPS到山上採樣，拜訪當地的古老珊瑚礁、了解其年齡。
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| 澳洲南部Cape Range的衛星照片。彩色的線標示了古海岸線的位置，分別紀錄了過去四個海平面比現在高的年代。 來源：Michael Sandstrom |
LDEO的研究生Michael Sandstrom跟來自哥倫比亞大學、西澳大學的同伴在夏天花了數個星期，沿著西澳海岸線紀錄這些古海岸線精確的海拔高度跟位置，並採集古老珊瑚礁樣本帶回實驗室分析，嘗試解讀古海岸線的故事。
「在現代的海灘，我們可以藉由很多指標來判斷海平面在哪裡，比方說常用的有海蝕凹壁、具有層理的潮下帶、雙殼貝的出現（未打開的貝殼可作為潮間帶的指標）。一旦我們了解現代海平面的特徵後，我們就能向內陸尋找同樣的指標特徵，來判斷當某一條古海岸線形成時，當時的海平面的高度為何。」Sandstrom解釋。
回到LDEO的地球化學實驗室，Sandstrom使用熱游離質譜儀 (thermal ionization mass spectrometer) 進一步了解古海岸線樣本精確的年代。定年方法是利用貝殼形成時所記錄下的海水中元素鍶的同位素鍶86及鍶87。這兩個同位素在海水中的相對比例在過去數百萬年間曾隨著時間變化，所以只要取得貝殼中的同位素比，就可以回推這些貝殼活在哪個年代的海床。
此外，Sandstrom也使用同位素定年法中元素鈹的同位素鈹10，來研究在海平面下降的過程中，古珊瑚礁離開海水後接收宇宙射線照射多久時間，推測古珊瑚礁最小年齡，並與鍶同位素的結果互相做對照。最後，Sandstrom用鈾釷定年法決定比較年輕珊瑚礁樣本的年紀，其中他比較鈾234跟釷230的比例，算出多少的鈾234經過時間衰變，回推得到珊瑚礁樣本的年齡。
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| 澳洲南部Cape Range的岩石露頭紀錄了過去古海岸線受到海浪侵蝕的歷史。照片中可以看到三個古海岸線的露頭。 來源: Michael Sandstrom |
「這些海岸線在形成的時候，基本上都是水平沈積的。任何局部的變形都是因為構造或動態地形變化的結果。如果我們能夠精確的定年，我們就可以知道相對的地殼上升速度，並能因此粗估海平面的相對位置。接著，我們就可以看看氣候變化（例如大氣中二氧化碳濃度增加）到底對海平面上升造成什麼影響。」Sandstrom說。
大地及地函反彈運動
最初，Raymo教授是被海平面研究的矛盾之處吸引，進而投身古海岸線研究。大約三百萬年前，中上新世暖期的化石證據告訴我們：當時氣溫比現今高攝氏1到2度。然而，科學家對當時的古海平面高度預估相當分歧，從高於現今海平面10公尺到40公尺都有。這個分歧代表的意義是，極區冰原可能因為很小尺度的暖化（攝氏1到2度），造成極大的消融回饋差異。
但是，為什麼不同的研究會得到差距如此大的古海平面高度呢？30公尺可是十多層樓高呢！
「原來，真正的原因是過去沒有人針對地殼均衡學說，或針對地殼在冰原或海水的增減過程中相對應造成的變形去校正野外觀察的結果。而我們發現怎麼去彌補這個缺憾，過去研究未判斷出真正影響動態地形（dynamic topography）的這些機制，其實也使得古海岸線同時變形。」Raymo教授說。
過去Raymo和Alessio Rovere在美國東岸當博士後研究員時，發現科學家們對於中上新世古海平面的高度預估過度歧異，即使使用地殼均衡學說校正後依然如此。他們發現動態地形，亦即百年到千年時間尺度中，地函運動造成地殼抬升及下沉的模式，可能扮演了很重要的角色。Raymo的團隊現在正著手分析世界上古海岸線受到的動態地形機制為何。綜合以上才更廣泛解釋了海平面上升的速率跟可能的機制。
現今，每年全球海平面上升速度約3毫米，主要來自上升的溫度讓海水膨脹及冰原融化流入海洋中的貢獻。而在上一次冰期結束時，大約是15000年前，每年海平面上升速度則是飛快的40毫米。
了解過去發生過的地球歷史故事，科學家們才能對未來暖化的海平面上升危機有更精準的預測！
「原來，真正的原因是過去沒有人針對地殼均衡學說，或針對地殼在冰原或海水的增減過程中相對應造成的變形去校正野外觀察的結果。而我們發現怎麼去彌補這個缺憾，過去研究未判斷出真正影響動態地形（dynamic topography）的這些機制，其實也使得古海岸線同時變形。」Raymo教授說。
過去Raymo和Alessio Rovere在美國東岸當博士後研究員時，發現科學家們對於中上新世古海平面的高度預估過度歧異，即使使用地殼均衡學說校正後依然如此。他們發現動態地形，亦即百年到千年時間尺度中，地函運動造成地殼抬升及下沉的模式，可能扮演了很重要的角色。Raymo的團隊現在正著手分析世界上古海岸線受到的動態地形機制為何。綜合以上才更廣泛解釋了海平面上升的速率跟可能的機制。
現今，每年全球海平面上升速度約3毫米，主要來自上升的溫度讓海水膨脹及冰原融化流入海洋中的貢獻。而在上一次冰期結束時，大約是15000年前，每年海平面上升速度則是飛快的40毫米。
了解過去發生過的地球歷史故事，科學家們才能對未來暖化的海平面上升危機有更精準的預測！
原文：Columbia University
http://climateandlife.columbia.edu/2016/11/01/how-far-did-sea-level-rise-in-the-past/
關於Raymo教授的研究，可進一步參考 Maureen E. Raymo et al. Departures from eustasy in Pliocene sea-level records, Nature Geoscience (2011). DOI: 10.1038/ngeo1118
關於Raymo教授的研究，可進一步參考 Maureen E. Raymo et al. Departures from eustasy in Pliocene sea-level records, Nature Geoscience (2011). DOI: 10.1038/ngeo1118
翻譯：陳俐陵（台大海洋所碩士生）；編輯：cot
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