除了揭示树木自身的年龄,年轮还能告诉我们哪些信息?国际知名树木年轮科学家瓦莱丽特鲁埃通过16个有趣的故事带我们走进这一20世纪初才成立的学科。原来,树木的年轮同样默默记录着这个星球的气候变迁。那一圈圈的印迹,忠实地记录了光照、水分、温度等环境和气候等外界因素对树木生长的影响,甚至重大的灾变事件也能在年轮中体现出来,比如飓风、地震、火山爆发,等等。可以说,树木年轮是一部地球气候“年鉴”。本文摘自《年轮里的世界史》,许晨曦、安文玲译,商务印书馆2023年9月版。澎湃新闻经授权刊发。

我在学校学过拉丁文。六年无休止的拉丁文学习一共只教给我两件事:一件是尤利乌斯恺撒认为比利时人是高卢人中最勇敢的,另一件就是公元前49年他破釜沉舟,跨过了卢比孔河。我的老师可以证明,我从来不是一个痴迷于拉丁文的学生,我也不打算将关于罗马帝国的任何事情纳入未来的研究生涯中。作为树轮学家,我的事业看起来离恺撒相当遥远,然而我本应该知道:条条大路通罗马!

在瑞士联邦森林、雪和景观研究所时,有段时间我的工作是从考古的木材中提取可以追溯到罗马时代的气候信息,我对永恒之城的拜访也始于此。我们使用了8500多份样本,其中包括亚化石木材、来自历史建筑和罗马水井的木材以及活着的栎树和松树。

据此,我们团队建立了中欧地区过去2400多年来(前405—2008)降水和温度的变化序列。当我们将考古木材的采伐日期进行整理后,发现树木被砍伐的数量在一个时期内(前300—200)明显增多,表明该时期建筑活动的增加。这个时期正对应于罗马气候适宜期,此时罗马的农耕经济繁荣,人口迅速发展,在整个欧洲气候普遍比较适宜的背景下,罗马帝国达到了它的鼎盛时代。

然而,罗马气候适宜期的温暖湿润气候以及稳定的气候状态在公元250年结束了,紧接着就是一段长时间的气候多变期。

自公元250年左右开始,罗马帝国经历了持续的干湿交替变化,并伴随着寒冷的夏季。罗马过渡期的气候不稳定状态持续了300年,其间发生了改变欧洲的两个重要事件:西罗马帝国的瓦解和民族大迁徙。民族大迁徙期间,日耳曼部落和匈奴人入侵罗马帝国,最终导致了罗马帝国的覆灭。

寒冷的夏季伴随着干湿的交替变化持续发生,在公元550年迎来了夏季气温的最低值。气候异常不稳定的这300年和罗马帝国的重要过渡期恰好一致。由于帝国过度扩张,公元285年罗马帝国分裂为东西两个部分,帝国由此被分散,凝聚力也在很大程度上被瓦解。约200年后,日耳曼国王奥多亚克(Odoacer)入侵罗马,废黜了最后一位西罗马皇帝罗慕路斯奥古斯都(Romulus Augustus),西罗马帝国就此覆灭。

这300年间,罗马帝国从一个包含众多区域、具有多元文化、社会政治结构复杂、地区文化多元的国家转变成了一个仅剩残余势力的政权,最终在它的首都被攻陷后彻底覆灭。多亏了罗马人对写作的热情,罗马帝国衰落的时间线被记述并保存下来。但是对于罗马帝国解体的原因,历史学家和考古学家一直争论不休。对于内部因素(如腐败加剧和内战)与外部因素(如蛮族入侵和流行病)的相对作用,学者们没有达成共识。我们的气候重建显示,罗马过渡期欧洲气候极度不稳定,这增加了气候在罗马帝国的瓦解中起重要作用的可能性。

研究气候变化和人类历史之间的潜在联系时,需要谨记的最重要原则就是,存在相关关系并不意味着存在因果关系。为了解释气候不稳定在罗马帝国衰落中所发挥的作用,我们需要提出符合实际的联系。这个联系会让不稳定的气候与政治驱动力和社会脆弱性相互作用,扰乱罗马的社会秩序,同时创造一种协同效应,导致现有社会政治体系不可避免地发生崩溃。

三个潜在联系的第一个,可能也是最直观的一个,就是水文气候的年代际波动和罗马过渡期的寒冷气候对农业生产是不利的。罗马帝国横跨三大洲(欧洲、非洲北部、亚洲西南部),包含多个气候系统,因而具有一定的应对恶劣天气的能力。地理上的差异为偶尔出现的局部不稳定提供了缓冲,但是还不足以胜任减弱罗马帝国过渡期的大尺度气候波动的任务。当大范围的夏季降温导致生长季缩短,欧洲的庄稼收成减少时,干旱也减少了罗马在非洲北部的粮食产量。根据莎草纸上记录的数据,在罗马气候适宜期,尼罗河平均5年发生一次洪水泛滥,但在罗马帝国过渡期,对农业生产有利的尼罗河洪水发生的频率还不到10年一次。气候的这种年代际波动对农业社会的影响是灾难性的,因为它很难用社会或技术创新来应对,即使在罗马人建立的复杂社会中也是如此。更频繁的气候年际波动带来的影响可以通过积累和发放粮食储备来缓解。然而个人或社会能储存的粮食是有限的。一旦干旱期超过5年甚至10年,粮食生产和整个社会的情况就会变得很糟。

在促进和加剧气候扰动对农业(罗马经济的“引擎”)的影响方面,罗马社会结构所起的作用无论怎样强调都不为过。罗马这个拥有百万人口的大都市依赖的仅仅是规模相对较小的农业,众多城市居民和庞大的军队都要靠农业来养活。直到它衰落的时候,为罗马政府部门工作的有35000多人,军队人数则超过了50万。整个帝国由1000多个城市组成,所有人的粮食都依靠城市周围的农田来供给。荒年农业生产力低的时候,农村地区会遭受更多的食物短缺和饥饿之苦,这对农民造成严重影响,导致生产力进一步下降。更糟的是,晚期的罗马社会不仅头重脚轻,而且统治阶级自我放纵。罗马的统治阶级喜欢葡萄酒和橄榄,所以最肥沃和最高产的农田被用来种植这些有利可图的作物。主食作物,例如小麦和大麦,则被挤到贫瘠的土地上。贫瘠的农田生产力较低,对气候变化更敏感,带来了更大的风险。罗马帝国过渡期的动荡气候更多地影响到贫瘠农田上的主食作物,使其产量大幅下降,削弱了罗马农业经济的承载能力。

气候不稳定与罗马瓦解之间的第二个潜在联系是民族大迁徙。这一时期是从公元250年到410年,日耳曼部落(例如撒克逊人、法兰克人和西哥特人)就是在这时来到了罗马帝国。公元410年,他们入侵了罗马城。蛮族向西迁徙到罗马帝国,因为他们正在逃避匈奴人,而匈奴人正在从中亚向西迁徙。一个理论推测,游牧的匈奴人向西迁徙可能是由于他们原来生存的地方发生了旱灾,打乱了游牧经济的节奏。为了分析这个理论的可信度,我在亚利桑那大学树轮实验室的同事保罗谢泼德(Paul Sheppard)和他的合作者们使用中国青藏高原地区对干旱变化敏感的祁连圆柏(Sabina przewalskii),建立了一条2500多年的树轮年表。为了获得这样一条格外长的树轮序列,他们在有着800年树龄的现生圆柏和历史建筑的木材上进行取样。随后,通过在地下墓室中发现的木制棺材上取样,他们将树轮年表的时间延伸到了7至9世纪。取样自青藏高原的树轮年表揭示,4世纪中亚发生了严重的干旱,可能导致游牧的匈奴人非常迫切地向西和向南寻找更适宜生存的牧场。为此,匈奴人入侵蛮族的领地,接下来就是我们都知道的历史了。

2011年1月初,我踏上了自己的迁徙之路,从瑞士搬到了亚利桑那的图森。就在我离开之前,《科学》杂志已经接收并准备发表我们有关罗马过渡期动荡气候的研究进展。当时我正忙于搬家,并没有密切关注文章的发表过程,但是我在亚利桑那大学的新雇主和校方新闻办公室一直在追踪相关消息。抵达图森的第一周,我开车去镇上开设银行账户,同时购买手机等必需品。其间我不停地接到新闻办公室的电话。他们的专业水准和坚持不懈,让我们赶在1月12日文章发表的当天及时发布了一篇新闻稿。

就在那个月,加比吉福兹(Gabby Giffords)中枪了。在一个阳光灿烂的周六早上,也是我搬到亚利桑那的第6天、文章发表的4天前,亚利桑那州众议员加比吉福兹在图森西北部的一家杂货店与选民会面,一个男人冲进来向吉福兹开了枪。然后他调转枪头向人群射击,又射中了19个人。吉福兹幸运地活了下来,但是有6个人死了。在大庭广众之下对美国众议员的暗杀活动,是对社区法赤裸裸的挑衅。我意识到自己已经不在瑞士。接下来的一周,枪击案成了美国所有新闻媒体的头条,这让我明白,在更令人震惊或紧急的新闻事件面前,即使是最激动人心的科学故事有时也必须先放一放。

我在图森开始了新的工作。不久之后,亚利桑那著名的古典文学教授和考古学家戴维索伦(David Soren)找到了我。尽管缺乏广泛的宣传,他还是读到了我们的文章。他向我指出了罗马帝国瓦解和气候变化之间的第三个潜在联系:流行性疾病。索伦博士给了我一本他写的名为《疟疾、巫术、婴儿墓地和罗马帝国的衰落》的小册子。我们就双方研究结果之间的关联进行了愉快的讨论。此前我曾因为不喜欢蝎子乐队而拒绝用他们的歌名作为论文标题,不过从这次讨论之后,我也开始努力为自己的文章起一个引人注意的题目。

20世纪80年代末,索伦开始主持对卢尼亚诺(Lugnano)附近一栋罗马别墅的考古发掘工作。这栋别墅位于翁布里亚(Umbria)附近,在公元3世纪被毁。5世纪中期被重新当作婴儿墓地使用。DNA分析显示墓地中有47名未满3岁的婴幼儿,他们都是疟疾流行病的受害者。随后的发掘揭示了巫术的迹象:被砍下头的幼犬、乌鸦的爪子和蟾蜍。这些令人毛骨悚然的物品表明,5世纪卢尼亚诺的罗马人曾使用巫术来驱除疟疾恶魔,即使罗马帝国当时名义上是基督教国家。当一具可能是感染疟疾而亡的10岁孩童遗骸出土后,更多使用巫术的证据被发现了。作为葬礼仪式的一部分,一块石头被放在这个孩子的嘴里,来防止尸体复活,向活着的人传播疟疾,现在这样的做法被称为“吸血鬼葬礼”。

疟疾得名于意大利语“mala aria”,意思是“不好的空气”,这源自罗马人对该疾病的认知,即疟疾是由来自沼泽和湿地的刺鼻空气造成的。在罗马时代,这种致命的疾病在地中海地区很普遍。疟疾在庄稼收获的时候最为流行,在夏末和早秋,得了疟疾的农民不得不躺在床上,无法干农活。毫无疑问这会影响农业生产力和粮食产量。罗马过渡期的气候变化是否放大了疟疾对罗马衰落的影响呢?极有可能。3至6世纪多次年代际尺度的干湿交替变化,加上大规模的森林砍伐,为更多沼泽环境的形成创造了最佳的条件,从而为疟疾的传播媒介——蚊子——提供了更多的繁殖场所,更多农民被感染,城里人的粮食也就更少了。

罗马帝国过渡期时,欧洲各地的夏季普遍较冷。但是在公元476年西罗马帝国衰落的两个世纪后,温度又进一步呈现螺旋式下降。公元536到660年的晚古小冰期是一个显著的寒冷期,笼罩了整个欧洲大陆。我们在奥地利阿尔卑斯山2500年的温度重建曲线中捕捉到了晚古小冰期这100年的寒冷,向东7500千米以外、几乎同样长度(前359—2011)、俄罗斯中南部阿尔泰山的夏季温度重建也同样发现了这一寒冷期。晚古小冰期是在536年的一声巨响中开始的,这一年非常冷,以至于爱尔兰编年史中写着“缺乏面包”。以弗所的约翰(John of Ephesus)是当时美索不达米亚的一位作家,他发现“所有的葡萄酒尝起来都有一种坏葡萄的味道”。很长时间内,引发公元536年极端寒冷天气的原因都是科学界激烈讨论的话题。当年仅存的少量文字记录语意模糊,产生了很多可能的解释,包括火山、星际云、小行星或彗星撞击。比如以弗所的约翰写道:“太阳变黑,它的黑暗持续了18个月。每天太阳只发光4个小时,不过这些光也只是微弱的阴影,每个人都说太阳再也不会恢复原来的光芒了。”拜占庭历史学家普罗科皮乌斯(Procopius)曾记载:“太阳发出没有亮度的光芒……看起来非常像日食,因为光线并不清晰。”

当迈克尔西格和他的同事们使用775年的放射性碳峰值来对照冰芯记录中的火山事件和树轮记录中的寒冷年份时,536年急剧的降温之谜被解开了。去除了冰芯和树轮记录之间的7年差异后,很明显,536年的火山事件是短时间内发生的一系列火山爆发事件的开端。这一系列事件包含连续发生的两次大型火山爆发和一次小型火山爆发,触发了长达10年的寒冷夏季,由此引发了晚古小冰期。阿尔卑斯和阿尔泰的树轮记录显示,5世纪40年代这两地的夏季温度比整个欧亚大陆的平均值还要低3.4至5.8华氏度(约合1.9至3.2摄氏度)。

公元536年的火山喷发极有可能是一次发生在北半球高纬度地区的火山事件,但准确地理位置还不清楚。4年后的公元540年,热带地区发生了大规模的火山喷发——可能是位于今天萨尔瓦多的伊洛潘戈火山——规模甚至比导致1816年“无夏之年”的坦博拉火山喷发还要大。我们能知道这些是因为这次火山事件分别被记录在来自两个半球(格陵兰和南极)的冰芯中,同时也被记录在古老长寿松的霜冻年轮和多个国家地区(俄罗斯、阿根廷、爱尔兰和欧洲其他几个国家)树木的窄年轮里。公元536年和540年的火山喷发致使一层厚厚的火山灰悬浮在空中,遮挡了太阳,导致地球表面降温,阻碍了植物的光合作用,威胁了粮食安全。芬兰北部亚化石木材的稳定碳同位素测量支持了那个时代作家的记录。反映太阳辐射变化的树轮碳同位素显示,公元536年和540年太阳辐照度急剧下降。通过比较发现,公元547年的火山喷发规模虽然较小,但是影响很大,这三次火山爆发直接拉开了晚古小冰期降温的序幕。

火山爆发三重奏导致了晚古小冰期的寒冷,接下来的太阳活动极小期和北大西洋涛动(NAO)的负相位,又将寒冷进一步加剧,使其持续了100年。来自苏格兰咆哮洞穴3000年的石笋记录显示,NAO在公元550年从正相位向负相位转换。在晚古小冰期之前,驱动大西洋将温暖空气输送到欧洲的北大西洋风力机器失灵了,欧洲大陆直接暴露于来自东部西伯利亚的冷空气之下。

长达几个世纪的内战、民族大迁徙和气候不稳定对罗马农业经济和社会秩序造成的破坏已经削弱了罗马帝国,晚古小冰期开始之初的严寒又进一步加剧了帝国的衰败。公元536年火山喷发的时候,罗马帝国的凝聚力已经被破坏,西罗马帝国在作物歉收、流行病和蛮族入侵的综合压力下陷入了瘫痪。东罗马帝国在公元6世纪虽然也面临着晚古小冰期和灾难性瘟疫的双重打击,但还是支撑了很长一段时间,直到1453年被奥斯曼帝国打败。

公元536年和540年的火山事件发生不久后,来自亚洲高原的鼠疫传到了罗马帝国的东海岸,并通过帝国向西传播,演变成了前所未有的大流行病。仅在第二场火山爆发的一年后,即公元541年,鼠疫就通过老鼠和跳蚤出没的谷物船率先抵达了埃及。老鼠在埃及的粮仓中大量繁殖,这些老鼠很快就在整个罗马帝国扩散开来。公元542年,感染鼠疫的老鼠随谷物船从埃及被带到君士坦丁堡。西罗马帝国消亡后,君士坦丁堡成为帝国的新都城。从这里开始,鼠疫蔓延至整个地中海地区的港口城市,到公元544年,鼠疫已经传播到了罗马帝国西缘的不列颠群岛。啮齿动物横行的基础设施和全球贸易共同制造了这场发病速度快、持续时间长的大瘟疫,现在我们称其为查士丁尼瘟疫。

鼠疫在整个帝国越来越严重,并持续了200年。它最后一次暴发是在8世纪40年代,之后这场瘟疫就像它开始时那样,迅速结束了。晚古小冰期的第一次火山喷发后,仅仅过了几年瘟疫就开始了,而当晚古小冰期转换为中世纪暖期后,瘟疫便结束了,这个事实表明气候与瘟疫存在潜在的联系。鼠疫大流行是由生物和环境因素之间复杂的共同作用引起的。凯尔哈珀(Kyle Harper)在2017年所著的《罗马的命运:气候、疾病和帝国的终结》(The Fate of Rome: Climate, Disease, and the End of an Empire)中指出,罗马帝国晚期船只、城市和粮仓等基础设施网络的扩张造成了有助于鼠疫传播的环境。哈珀将鼠疫流行描述为一个生物学的“多米诺骨牌”事件,涉及至少6个不同的物种:鼠疫细菌(Yersinia pestis)本身,携带细菌的跳蚤、沙鼠、旱獭,被跳蚤叮咬并感染的屋顶鼠(俗名黑家鼠),最后是被跳蚤叮咬或与老鼠接触而染病的人类。温度和降水的变化会影响这个瘟疫循环中每一种生物的栖息地、行为和生理过程。因此气候变化对疫情的放大或抑制,依赖于连锁反应发生的地点和时间。气候变化(例如晚古小冰期的变冷)与鼠疫之间的潜在联系是复杂的、非线性的。最有可能的情形是,公元6世纪NAO向负相位转变,使得鼠疫细菌的故乡——半干旱的亚洲地区降水增加,导致沙鼠和旱獭快速繁殖。野生寄主种群的膨胀增加了鼠疫细菌与其他寄主的接触,例如屋顶鼠,之后这些屋顶鼠又乘上开往罗马帝国的贸易船向西去了。

晚古小冰期的寒冷和查士丁尼瘟疫的接连发生,给罗马过渡期过后本已脆弱不堪的人口带来了沉重的打击。整个帝国的鼠疫致死率估计为50%到60%。如此巨大的人口损失将罗马社会拖入了深渊。农民数量的急剧减少导致庄稼腐烂在田地里,造成食物短缺,而士兵的减少则大大削弱了军事力量。然而这些都没有将东罗马帝国压垮。它不仅实现了自身社会经济体系的颠覆性变革,也熬过了帝国在晚古小冰期的崛起。东罗马帝国从长达200年的鼠疫大流行和7世纪中期的入侵当中恢复过来,在10世纪重新崛起,成为繁荣的拜占庭帝国,并于接下来的几个世纪在地中海东部地区的政治和文化领域占据统治地位。

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