将历史写进自然 冰芯研究解读地球环境的演变
2014-09-19 10:09:00   来源:光明网
内容摘要
在冰川研究领域中,有一个非常重要的分支叫冰芯研究。长期以来,冰川学家们一直用冰川物质平衡、冰川雪线和冰川末端变化等数据来揭示全球气候环境的演化。随着冰芯研究的发展,科学家们可以走向更广的时间和空间,进行穿越数十万年时光的环境变化实证研究。

 

人类用文字记录历史,地球则将自己的历史写进大自然——树木的年轮、黄土的沉积、岩石的圈层……其中,冰芯是地球历史最重要、最客观的书写者之一。早在人类出现之前,它们就将地球环境变迁的信息,封存于剔透的内心。鉴往,才能知来。今天,人们在研究全球气候变化这个大课题时,迫切需要知道过去曾发生过什么,冰芯研究就成为主要手段之一。在南北极的冰芯研究之外,越来越多的科学家将目光聚焦在世界第三极青藏高原的冰芯。

 

无字的环境密码

在冰川研究领域中,有一个非常重要的分支叫冰芯研究。长期以来,冰川学家们一直用冰川物质平衡、冰川雪线和冰川末端变化等数据来揭示全球气候环境的演化。随着冰芯研究的发展,科学家们可以走向更广的时间和空间,进行穿越数十万年时光的环境变化实证研究。

冰芯,顾名思义,就是取自冰川内部的芯。所有在大气中循环的物质都会随大气环流而抵达冰川上空,并沉降在冰雪表面,最终形成冰芯记录。冰芯分析的每一个参数都至少载有一个地球系统变化过程的信息。具体地说,冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标;冰芯净积累速率是降水量大小的指标;冰芯气泡中的气体成分和含量可以揭示大气成分的演化历史;宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据;冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的变化,可以提供不同时期的大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息;冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息,等等。

与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等可提取过去气候环境变化信息的介质相比,冰芯不仅保真性强(低温环境)、包含的信息量大,而且分辨率高、时间尺度长,堪称“无字的环境密码档案库”。冰芯研究通过从冰川(包括冰盖和冰帽及其他类型的冰川)中钻取冰样,破解冰芯环境密码,检测过去气候与环境变化、监测现代气候与环境变化、预测未来气候与环境变化。

不仅如此,通过冰芯的研究,科学家们可以对不同时期的生物地球化学循环、火山活动、宇宙事件、超新星爆炸、生物活动与植被演化等展开更为精确具体的研究。这些重大成果不但极大地丰富了气候与环境变化的研究内容,更革新了人类关于地球系统演化及其重要机制的一些观点。

 

南北极的冰芯研究

人们对南北极的冰芯研究开展得比较早。目前冰芯长度最长的是南极vostok冰芯,长3623米,时间可回推至42万年前;时间尺度最长的是Dome C冰芯,长3190米,时间可回推至80万年前。今天,包括中国在内的各国科学家,仍然在南北极进行着相关工作。

其实早在19世纪中叶,人类就已经开始利用机械钻在瑞士冰川上提取冰芯,但其目的仅仅只是为了测量冰川的厚度。20世纪50年代初期,爱泼斯坦和当塞嘉德等研究了自然界各种水体中稳定氧同位素比率的变化,发现氧同位素比率大小的主要因素受控于降水时气温、水汽来源和降水云系的发展历史,并在20世纪50年代中期首次将氧同位素比率引入到冰川学研究的领域,冰芯的气候环境研究也正式提上日程。

可以说,正是同位素地球化学研究和钻探技术这两者发展的结合,为冰川学中产生冰芯研究这门富有生命力的学科奠定了基础。在极地地区,冰芯研究的思想最初由H.Bader于1954年提出,C.C.Langway等人又进一步发展和实践了这一思想。第一根穿透整个冰盖的冰芯计划是1966年在格陵兰Camp Century实施的。其后相继完成的有1968年实施的南极Byrd Station冰芯计划,1979年实施的南极Dome C冰芯计划以及80年代初在南极实施的Vostok冰芯计划和在格陵兰实施的Dye 3冰芯计划等。90年代初,欧洲共同体八国完成的GRIP计划和美国完成的GISP II计划将末次间冰期以来的气候变化进行了高分辨率的研究,标志着冰芯研究进入新阶段。其中,欧洲共同体8国联合实施的GRIP冰芯钻探顺利穿透冰盖,到达基岩表面,获取了长达2980米的冰芯。20世纪末,Vostok冰芯使得南极冰芯记录的气候变化延伸到42万年以前。21世纪初,EPICA计划又使得南极冰芯记录延伸到80万年以前。

目前,冰芯研究已经成为一个多学科交叉性前沿研究领域。随着更多高、精、尖分析仪器运用到冰芯研究领域,例如气体稳定同位素质谱仪、等离子体质谱仪、离子色谱仪、气相色谱仪、毛细管电泳仪、电导仪、纵列加速器、旋转式结构分析仪、扫描电子显微镜以及各种独特的野外测量仪器的应用,科学家们可以不断开拓新的研究领域。许多地球系统中的复杂过程很可能通过冰芯研究而被彻底认识。

 

青藏高原冰芯研究日益成为热点

气候环境变化不仅具有全球性,也具有区域性,只有对不同纬度、不同区域过去的气候环境变化进行详细研究,才能更为精确地揭示过去全球变化的总貌。科学家们已经通过对南北极冰芯的研究,阐明了南北极过去几十万年以来气候环境变化的特征。但是,假如没有中纬度地区的冰芯研究数据作为桥梁和过渡,便很难将两极地区的冰芯研究在全球尺度上联系统合起来。这使得青藏高原的冰芯研究工作显得尤为重要,也正因为如此,被称为“地球第三极”青藏高原的冰芯研究,成为国际冰芯研究的角逐场。

中国对青藏高原冰芯的研究可以追溯到20世纪80年代。1984年,中国科学家和美国科学家合作,于天山乌鲁木齐河源1号冰川上钻出了中国第一根冰芯,但强烈的冰川融化破坏了冰芯中的环境信息。科学家们不得不转向敦德冰帽,钻取并研究了敦德冰芯。1992年,在西昆仑山钻取了309米长的古里雅冰芯。时至今日,古里雅冰芯依然是世界冰芯研究界钻取的中低纬度上最深的、时间尺度最长的山地冰芯。

应用冰体流动模型和36C1两种测年方法,均表明该冰芯底部冰体形成于70万年以前,与青藏高原进入冰冻圈的时代一致。通过对该冰芯的数据研究,恢复了该冰芯末次间冰期以来的气候环境记录,从中鉴别出了米兰柯维奇循环。另外,从该冰芯中的氧同位素比率记录与极地冰芯中的氧同位素比率记录及太阳辐射率的对比,发现了高原地区气候变化在万年时间尺度上对太阳辐射率变化的响应要比极地地区强烈得多,找到了青藏高原地区是全球气候变化的敏感地区的有力实证。古里雅冰芯记录还表明,不论在冰期,还是在间冰期,高原地区气候都存在强烈的震荡,并且存在不同时间尺度的气候突变。将古里雅冰芯与1984年钻取的敦德冰芯中的微粒含量比对研究表明,目前在青藏高原面上,正经历着强烈的气候变暖过程。将古里雅冰芯和格陵兰冰芯进行比对显示,二者微粒含量长期变化过程呈现高度相关的特征,这又证明了环境变化具有空间耦合的特征。

1997年,科学家们又在希夏邦马峰钻取了达索普冰芯,创造了世界冰芯研究界采样点海拔最高(7200米)的世界纪录。可以说,通过几次冰芯钻取及其研究,使中国青藏高原冰芯研究在国际冰芯研究领域成功地树立起了第三极。

目前,在“第三极环境(TPE)”国际计划的大框架下,在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“青藏高原多圈层相互作用及其资源环境效应”的支持下,新的冰芯研究计划正在实施。新的冰芯计划在印度季风主导区藏东南左丘普冰川、在印度季风和西风影响都比较弱的青藏高原中部藏色岗日冰川、在西风主导区帕米尔高原扩扩色勒冰川各钻取一根冰芯,以研究印度季风和西风相互作用下青藏高原过去环境变化的区域特征与异同,并与青藏高原现代环境变化研究和模拟研究相结合,为预测青藏高原未来不同情景的环境变化服务。