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冰芯钻探：破解气候变化密码

当地时间1月21日上午，我国深冰芯钻机在南极昆仑站安装完成后，进行了第一钻的试钻探，成功钻取了一支长达3.83米的冰芯，达到了该钻设计的最大钻取冰芯长度，标志着中国深冰芯钻探实现零的突破。此次钻取冰芯的位置将是未来获取更深冰芯的钻口。我国计划用4年时间在此钻取超过3000米的深冰芯，以获得100万年以上时间尺度的地球气候与环境变化的信息。

深冰芯钻探是地球科学研究的前沿问题之一。经过20多年的科考努力，我国在南极冰盖最高点——冰穹A上建立了考察站，要进行一系列的考察工作，其中最重要的就是深冰芯钻探。我国著名极地科学家李院生指出，“要与百年前的气候进行跨时空的对话，中国极地科考工作者们任重而道远。”

冰芯是怎样形成的？

南极大陆集中了地球上90%左右的冰。据推算，如果这些冰全部融化流入大海，会使海平面上升70米。

在长达几万年、几十万年的岁月中，南极的每次降雪并没有融化，而是不断被堆积起来，下面的陈雪又被上面新的积雪压碎，并压缩成冰。所以，南极的冰不是由其大陆表面的水冻结而成，而是由雪压成的。

目前，人类正试图从过去几十万年时间堆积起来的冰原中寻找地球的过去，而南极冰芯正是通向过去甚或开启未来的那把钥匙。

冰芯深藏在大冰块内部。“冰芯的形成过程，就是它记录气候变化的过程。”中国极地研究中心副主任、中国南极昆仑站首任站长曾在接受采访时表示，所有在大气中循环的物质都会随大气循环流动抵达冰川上空，然后沉降在冰雪表面，最终形成冰芯。

为何通过冰芯研究气候变化？

目前，人们了解气候的媒介主要有深海沉积物、黄土、树轮和冰芯。前三者在记录气候上均有时间分辨度不够这一缺点：深海沉淀物记录的气候时间仅为一两百年；黄土并非年年都会保存下来；树轮由于每年都生长故而精确，但其记录气候的时间上限仅为几千年。

由于地球两极以及青藏高原每年会降雪，且不会融化，降雪每年都会沉积下来，因此，相比较而言，冰芯在记录气候方面最完整、分辨率最高。

从深冰芯中，可以测试出过去百万年以来的同位素、温室气体等气候信息载体，从而获得历史上某个时期的气候特征。如果我们可以找到这样一个时期，其温度较高，温室气体的含量也较高，那么我们就很有可能证明，在自然界的演化过程中也可能产生很多的温室气体，那么现在全球气候变暖、温室气体的增加就不仅仅是人类的“贡献”。

南极冰芯记录着几十万年间气候冷暖交替的众多信息，通过研究不同年代的冰芯，可以为寻找当前气候变迁规律提供线索。

李院生指出，获得古老冰芯是为了了解气候变化的规律及温室效应对地球变暖的影响，并研究分析冰芯里面的生物碎片对气候变化有何预兆，了解冰盖底部到底是什么性状。

他解释说，冰芯分析的每一个参数，至少包含着地球气候系统某一个参数变化过程的信息。例如，冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标，而净积累速率是降水量大小的指标。再看冰芯中的气泡，气泡中的气体成分及其含量，是揭示大气成分的演化历史的钥匙。而冰芯的另一个指标——宇宙成因的同位素，则为科学家们的论证提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的最有力的证据。

“气象密码”是如何被记录的？

在极地科学家的眼中，冰芯就像一本无字天书，蕴藏着地球气候变化的秘密。专家解释，降雪层里的化学成分可反映当时的大气环境，例如湿润的气候海缘性离子比较多——通过海洋蒸发，降水量大；如果是非常干燥的情况下，则陆缘性离子比较多。如此，通过研究冰芯可分析出气候的干燥、寒冷、温暖状况。

此外，雪堆积起来时其内部包含着大量的大气。这个大气随着雪逐渐被压缩成冰时又被“囚禁”在其中，与外部的大气完全隔离。每年下的雪又在此冰上堆积起来，最终冰进一步被压缩构成冰层。而囚锢在冰中的大气变成微小的气泡，再也不能泄漏到外面。经过漫长的岁月，气泡可称为“大气的化石”。因此，通过钻孔将含有这种气泡的冰取出研究，就可以知道有关当时地球环境的许多情况。

冰芯研究还能够推测过去一定时间内，地球温度的变化。据了解，普通的氧（氧16）对其稀有同位素（例如氧18）在化合物中的比率会随着温度的变化而变化。因此，只要把气泡中的氧16和氧18的比率测定出来，就能知道地球当时的温度。

另外，从冰芯中也能推断人类活动的情况。产业革命以后，地球大气中二氧化碳与甲烷分别增加了25%和150%，直到二十世纪五六十年代进行核试验为止，南极的冰都正确地将人类活动的痕迹记录了下来。

“由于南极常年处于极低气温环境，少有人类活动的干扰。因此，这里的冰芯保真性非常良好，分辨率高，记录时间可长达几十万年，同时，它所蕴含的信息量也比其他自然物质要大，因此受到地球科学家们的青睐。”英国《新科学家》杂志曾发布报道，日本科学家研究发现，南极的冰芯中甚至还包含了1000年前爆炸的超新星遗迹，这在天文界引起了轰动。

为什么在冰穹A地区钻取的冰芯最有研究价值？

我国昆仑站所在的南极内陆冰盖最高点冰穹A地区不仅是南极内陆冰盖的最高区域，也被国际社会公认为南极研究的制高点。

负责第27次南极考察南极内陆冰川学考察的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室丁明虎博士指出，冰穹A对于冰川学的研究具有特殊的意义。冰穹A不仅是南极冰盖的最高点，也是东南极冰盖的中心。它距离南极各个海岸的距离都很远且大致相等，来自各个方向的水汽都有可能到达冰穹A，因此冰穹A地区的冰芯是周边所有海洋水汽共同作用产生的结果。

同时专家指出，因为南极的冰原不是平坦的，而是像倒扣过来的汤盘，中心有山巅，周边高度降低。冰原内部像一条非常缓慢流动的河，每年以大约68米的速度在流动。离开中心的冰，在上面巨大的压力下流向外侧，而冰穹A地区处于冰原最高点，没有水平移动，所以钻取的冰芯样本具有年代可比性，对其分析研究可以了解冰芯在此地形成过程中的不同年代的气象和环境信息。

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