冰芯

目錄

[隱藏顯現(xiàn)]

1 簡介

2 研究歷史

3 研究目的

4 主要成分

5 研究意義

冰芯是人類在冰蓋上鉆孔獲得的連續(xù)冰層。冰芯具有信息量大、高保真、高分辨率等特點。從冰芯中，科學(xué)家可以提取物理、化學(xué)、生物信息，而這些信息可以真實再現(xiàn)成冰時的環(huán)境特征。例如，冰芯中記錄的冰雪累計量，可以反映降水程度。冰芯中的塵埃含量、同位素、化學(xué)元素等，都可以反映當(dāng)時的大氣環(huán)境。冰芯中雪粒的粒徑可以反映溫度的高低。冰芯的這些特性使之當(dāng)之無愧地成為地球的“自然檔案”，并對全球環(huán)境變化的研究產(chǎn)生重大貢獻(xiàn)。

1997年，科學(xué)家在喜馬拉雅山鉆取了14m的冰芯一支，叫達(dá)索普冰芯。

在1991年的冰層中，SO42-濃度出現(xiàn)極高值。科學(xué)家預(yù)測，這是海灣戰(zhàn)爭引發(fā)的1991年春季科威特油井燃燒，煙塵在西風(fēng)作用下帶到喜馬拉雅山地區(qū)。還是這個達(dá)索普冰芯，在1993-1995年的冰層中，塵埃來源粒子（Ca2+、Mg2+和SO42-）的濃度季節(jié)變化在春季出現(xiàn)高值，科學(xué)家認(rèn)為，這反映了亞洲干旱半干旱區(qū)春季的沙塵暴天氣。

科學(xué)家在格陵蘭冰層鉆取的、一根長3030米的“冰芯”顯示：l986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生泄露時，放射性塵埃飄過了太平洋，影響到靠近北冰洋的格陵蘭島。

中國科學(xué)家還利用氧同位素比率δ18O得出結(jié)論，青藏高原氣候變化有一定差異，特別是南北差異和東西差異十分明顯，并且反映出近100年來青藏高原在不斷變暖。

2005年，中國南極內(nèi)陸科考隊到達(dá)南極冰蓋最高點的冰穹A地區(qū)，并發(fā)現(xiàn)在該地區(qū)冰厚超過3000米。經(jīng)論證，2008年在這里建立了中國第三個南極考察站——昆侖站。

2008年，科學(xué)家從封存在南極冰芯中的氣泡證實，在之前長達(dá)65萬年的時間內(nèi)，地球大氣中三大溫室氣體：二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的濃度，從未像最近幾百年這么高，與人類活動有關(guān)。

截止2011年，在南極冰蓋鉆取到的最老的冰芯為歐洲科學(xué)家在冰穹C鉆取的包含80萬年氣候變化記錄的冰芯，以及日本科學(xué)家在冰穹F鉆取的包含72萬年氣候記錄的冰芯。科學(xué)家認(rèn)為，南極冰蓋應(yīng)該有超過100萬年的更古老的冰。

2011年11月，中國南極科考隊開始在南極冰蓋最高點冰厚超過3000米的冰穹A地區(qū)進(jìn)行深冰芯鉆探工作，希望獲得100萬年以上的古老冰芯。主要是重建超過100萬年的氣候變化記錄，通過冰芯氣泡分析，研究溫室氣體在氣候變化中的作用。

鉆取深冰芯可以得到古氣候的記錄，也可獲得古大氣的樣品，可以分析古大氣中溫室氣體在氣候變化中的作用，研究溫室氣體增加、氣候變暖與人類活動的關(guān)系。

冰蓋的形成是雪經(jīng)過堆積、壓實成冰的結(jié)果，又是數(shù)十萬年以上演變的結(jié)果。在這個過程中，微小的空氣氣泡封存于連續(xù)的冰層中。而這些氣泡就是當(dāng)時大氣的樣品。提取深冰芯中的氣泡可以獲取當(dāng)時的大氣成分記錄，研究溫室氣體與氣候變化的關(guān)系。

冰芯還可以記錄地球沙漠化、火山活動、大氣溫度變化、地震、海嘯、降水、地磁場變化、宇宙射線強(qiáng)度、太陽活動、生物地球化學(xué)循環(huán)等等。

氧同位素比率δ18O對冰芯研究有重要意義。從冰芯中獲得的主要記錄之一就是δ18O。δ18O的高低反映了成冰時的溫度狀況，這是因為氧存在三種同位素：16O、17O、18O、17O在自然界中含量極少，故忽略不計。大氣中的水汽從根本上來說是來自海洋，含18O的水分子不易蒸發(fā)，而16O容易蒸發(fā)。只有在溫度較高時，18O才能蒸發(fā)增多，蒸發(fā)的水分子遇冷凝結(jié)在冰層中。溫度越高，18O含量越高，δ18O值越大。根據(jù)這種關(guān)系，可以推斷成冰時的溫度狀況。

1、冰芯的研究證實Milankovich循環(huán)，為繼續(xù)深入研究氣候變化提供思路。

Milankovich理論即米氏理論，它是塞爾維亞天文學(xué)家盧廷-米蘭科維奇在20世紀(jì)40年代提出的關(guān)于氣候變化的經(jīng)典理論，該理論認(rèn)為，地球軌道偏心率、黃赤交角及歲差等三要素變化引起的到達(dá)北半球中高緯度夏季日射量變化是造成冰期-間冰期旋回的根本原因。

對于格陵蘭冰芯的研究發(fā)現(xiàn)了氣溫、大氣化學(xué)、大氣環(huán)流以及陸地生物的N排放等的變化，亦存在軌道效應(yīng)。末次間冰期以來青藏高原古里雅冰芯中的δ18O記錄，也表現(xiàn)出20ka和4Oka左右的明顯周期。

天文氣候?qū)W研究表明，地球中低緯度氣候變化主要受歲差效應(yīng)的影響，而地軸傾斜效應(yīng)對于氣候變化的影響主要表現(xiàn)在極區(qū)。天文理論的這一預(yù)測結(jié)果，得到了青藏高原古里雅冰芯記錄(顯著的2Oka左右周期)和南極Vostok冰芯記錄(其δ18O變化，偏心率的貢獻(xiàn)為37%，地軸傾斜的貢獻(xiàn)為23%，歲差貢獻(xiàn)僅為ll%)的有力支持。而格陵蘭冰芯記錄中強(qiáng)烈的歲差周期，很可能說明北半球高緯度大氣環(huán)流與季風(fēng)環(huán)流之間存在強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)。青藏高原冰芯與格陵蘭冰芯記錄的氣候變化相對于軌道效應(yīng)引起的太陽輻射變化的滯后時間(約5ka)，與亞洲季風(fēng)23ka的周期變化滯后于歲差變化的時間(約5ka)之間的一致性很可能說明了這一點。

2、冰芯的研究也否定了Milankovich循環(huán)。

米氏理論的核心是強(qiáng)調(diào)了一個敏感區(qū)，即北半球高緯區(qū)。敏感區(qū)的氣候變冷后，其信號被進(jìn)一步放大、傳輸、進(jìn)而影響其它地區(qū)。根據(jù)深海洋氧同位素的記載，北半球大陸冰蓋在0.8MaB.P.前后（晚第四紀(jì)）冰蓋波動的主導(dǎo)周期以100ka為主。當(dāng)檢驗米氏理論適用到何種程度時，即考察產(chǎn)生于北半球的氣候變化信號是否被大范圍的傳輸，并進(jìn)而影響全球。如果北半球的氣候變化信號被大范圍的傳輸，那么兩半球晚第四紀(jì)氣候變化周期應(yīng)以100ka為主。然而，一些低緯地區(qū)并沒有明顯的100ka冰量周期，而是以20ka歲差周期為主，表明北半球冰蓋的擴(kuò)張、收縮變化并沒有完全控制低緯區(qū)的氣候變化。此外，南極冰芯中的甲烷紀(jì)錄亦有強(qiáng)烈的20ka歲差周期。另外，把南極冰芯和格陵蘭冰芯的甲烷記錄進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在第1冰消期時，氣溫增高北極要大大滯后于南極。從這個結(jié)果看，盡管北半球夏季太陽輻射在冰期旋回中有重要作用，但是不能否定南半球夏季太陽輻射的局地驅(qū)動作用，更不能說明冰期旋回的全球同時性。

3、冰芯的研究對地球氣候變化還有其他貢獻(xiàn)。

冰芯的研究使得學(xué)術(shù)界認(rèn)識到溫室氣體和氣溶膠有可能成為軌道日射量的兩個“放大因子”。1983年，Shackleton等分析了極地冰芯中大氣CO2的40ka記錄，發(fā)現(xiàn)：在末次冰期的最冷時期(約20ka前)，大氣CO2體積濃度比工業(yè)革命前的典型濃度值低；大約16ka前，隨著大的冰原開始融化，CO₂濃度開始快速增加，直到大約10ka前達(dá)到工業(yè)革命前的濃度水平后才停止增加。因此，如果地球軌道變化是地球氣候變化的最初起因，則大氣CO₂濃度的變化必定有助于放大氣候?qū)壍雷兓捻憫?yīng)。

學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)識到，CO₂等溫室氣體可能在軌道尺度的地球氣候變化中扮演重要角色。南極和格陵蘭的冰芯記錄均表明，顯著的氣候變冷后，大氣氣溶膠濃度是增加的。Petit等1999年的研究表明，在冰期—間冰期旋回期間，南極地區(qū)以鈉鹽為代表的海鹽氣溶膠濃度可以從間冰期的不足15ng/g變化到冰期的120ng/g，相差近1個數(shù)量級；而以沙塵為代表的大陸起源的氣溶膠則可從50ng/g上升到1000～2000ng/g，即增加20～40倍。由于大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)已經(jīng)在科學(xué)界得到公認(rèn)，所以在冰期—間冰期旋回的研究中，必須把它作為一種強(qiáng)迫包括進(jìn)去。學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)識到，大氣氣溶膠濃度的變化是作為一種反饋機(jī)制出現(xiàn)在冰期—間冰期旋回中的，它并不是產(chǎn)生旋回的驅(qū)動機(jī)制。所有這些認(rèn)識是與冰芯的研究分不開的。