几千年前，人们通过看云、辨风、识天象来预测天气，总结出众多广为人知的天气谚语。如今，人们通过气象监测、数值计算等方式精准监测，预报未来天气变化。无论是以前还是现在，天气预报对于我们来说都至关重要。那我们又该如何探知拥有数值天气预报以前的地球气候呢？其实大自然这位不朽的艺术家，早以山川草木为画布，描绘了包罗万象的气候律动图，为我们记录了全球气候演化的各种信息。同位素正是古气候演化的“记录员”。
　　一、“解密”同位素追踪的原理
　　同位素能够记录过去的气温信息，主要是利用了同位素质量分馏的相关原理。例如通过氢氧同位素分析可以对古气候进行反演，通俗地说，就是在同等温度下，轻同位素更容易散发到空中，重同位素更容易富集在水中，而天然水体蒸发的强度主要受气候的影响，这样不同水体中的氢氧同位素组成便能反应气候状况。当受气候变化影响的水体封存在一些地球深部空间的时候，就可以用来研究古气候。

图1 大气中氧同位素分馏原理

　　二、解开古气候秘密的载体
　　各种天然气候记录就是解开古气候秘密的载体，包括树木年轮、地层中的生物化石、植物孢粉、各类沉积物以及各种自然地理因子变迁的痕迹等。
　　树木年轮由于具备分辨率高、分布广泛、易采集、定年精确等特点，往往成为最常用的载体之一，而年轮同位素分析也逐渐成为年轮学研究的重要途径。它通过研究树木年轮的木质部碳、氢、氧稳定可测的同位素比值，探索气温、降水、湿度等气候和环境因子的变化，提供过去气候和环境变化的丰富信息。
　　古生物化石是地球历史的见证，“携带”的同位素蕴含着丰富的信息。研究地层中生物化石的特性，可以揭示地质时期气候在时间和空间上的分布和变化规律，例如：存在煤层，可以推断为湿润气候；出现珊瑚礁，可推断为温暖气候。通过地层中植物孢粉判别母体植物的种属，也可推测过去的植被及其相应的气候。
　　洞穴次生碳酸盐沉积物的形成过程与大气圈、生物圈、岩石圈及水圈存在密切的关系，而同位素就在记录这一过程。石笋作为洞穴次生碳酸盐沉积物的一种，是从岩溶系统的二氧化碳-水-有机碳-碳酸盐体系中沉积产生，具体而言是大气降水经过洞穴上覆土壤和植被形成岩溶渗流水，当渗流水通过石灰岩时，会形成可溶性碳酸氢钙，最后进入洞穴形成滴水，滴水沉积过程中析出的碳酸钙最终形成了次生化学沉积物（石笋、石钟乳、鹅管、石柱、石帘等）。其中氧同位素的变化反映了洞内温度的变化、降水中氧的变化、洞内通风的变化以及降水的季度分配等信息；而碳同位素的变化可以反映碳三（C₃）和碳四（C₄）型植物的比值变化，进而推演植物生长的气候环境。

图2 溶洞景观

　　研究树木年轮、生物化石以及洞穴沉积物等地质载体，获取同位素信息，为全面深入研究古气候变化规律提供了重要基础。随着同位素质谱仪的不断升级、研究能力的不断提高，未来我们一定会进一步揭开气候律动图的神秘面纱，为评估未来气候变化提供更多参考依据。