冰芯

冰芯

冰芯是人类在冰盖上钻孔获得的连续冰层。冰芯具有信息量大、高保真、高分辨率等特点。从冰芯中，科学家可以提取物理、化学、生物信息，而这些信息可以真实再现成冰时的环境特征。例如，冰芯中记录的冰雪累计量，可以反映降水程度。冰芯中的尘埃含量、同位素、化学元素等，都可以反映当时的大气环境。冰芯中雪粒的粒径可以反映温度的高低。冰芯的这些特性使之当之无愧地成为地球的“自然档案”，并对全球环境变化的研究产生重大贡献。

1997年，科学家在喜马拉雅山钻取了14m的冰芯一支，叫达索普冰芯。

在1991年的冰层中，SO42-浓度出现极高值。科学家预测，这是海湾战争引发的1991年春季科威特油井燃烧，烟尘在西风作用下带到喜马拉雅山地区。还是这个达索普冰芯，在1993-1995年的冰层中，尘埃来源粒子（Ca2+、Mg2+和SO42-）的浓度季节变化在春季出现高值，科学家认为，这反映了亚洲干旱半干旱区春季的沙尘暴天气。

科学家在格陵兰冰层钻取的、一根长3030米的“冰芯”显示：l986年苏联切尔诺贝利核电站发生泄露时，放射性尘埃飘过了太平洋，影响到靠近北冰洋的格陵兰岛。

中国科学家还利用氧同位素比率δ18O得出结论，青藏高原气候变化有一定差异，特别是南北差异和东西差异十分明显，并且反映出近100年来青藏高原在不断变暖。

2005年中国南极科考队在南极大陆钻取的冰芯

2005年，中国南极内陆科考队到达南极冰盖最高点的冰穹A地区，并发现在该地区冰厚超过3000米。经论证，2008年在这里建立了中国第三个南极考察站——昆仑站。

2008年，科学家从封存在南极冰芯中的气泡证实，在之前长达65万年的时间内，地球大气中三大温室气体：二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的浓度，从未像最近几百年这么高，与人类活动有关。

截止2011年，在南极冰盖钻取到的最老的冰芯为欧洲科学家在冰穹C钻取的包含80万年气候变化记录的冰芯，以及日本科学家在冰穹F钻取的包含72万年气候记录的冰芯。科学家认为，南极冰盖应该有超过100万年的更古老的冰。

2011年11月，中国南极科考队开始在南极冰盖最高点冰厚超过3000米的冰穹A地区进行深冰芯钻探工作，希望获得100万年以上的古老冰芯。主要是重建超过100万年的气候变化记录，通过冰芯气泡分析，研究温室气体在气候变化中的作用。

钻取深冰芯可以得到古气候的记录，也可获得古大气的样品，可以分析古大气中温室气体在气候变化中的作用，研究温室气体增加、气候变暖与人类活动的关系。

冰盖的形成是雪经过堆积、压实成冰的结果，又是数十万年以上演变的结果。在这个过程中，微小的空气气泡封存于连续的冰层中。而这些气泡就是当时大气的样品。提取深冰芯中的气泡可以获取当时的大气成分记录，研究温室气体与气候变化的关系。

冰芯还可以记录地球沙漠化、火山活动、大气温度变化、地震、海啸、降水、地磁场变化、宇宙射线强度、太阳活动、生物地球化学循环等等。

氧同位素比率δ18O对冰芯研究有重要意义。从冰芯中获得的主要记录之一就是δ18O。δ18O的高低反映了成冰时的温度状况，这是因为氧存在三种同位素：16O、17O、18O、17O在自然界中含量极少，故忽略不计。大气中的水汽从根本上来说是来自海洋，含18O的水分子不易蒸发，而16O容易蒸发。只有在温度较高时，18O才能蒸发增多，蒸发的水分子遇冷凝结在冰层中。温度越高，18O含量越高，δ18O值越大。根据这种关系，可以推断成冰时的温度状况。

冰芯的钻取

1、冰芯的研究证实Milankovich循环，为继续深入研究气候变化提供思路。

Milankovich理论即米氏理论，它是塞尔维亚天文学家卢廷-米兰科维奇在20世纪40年代提出的关于气候变化的经典理论，该理论认为，地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期-间冰期旋回的根本原因。

对于格陵兰冰芯的研究发现了气温、大气化学、大气环流以及陆地生物的N排放等的变化，亦存在轨道效应。末次间冰期以来青藏高原古里雅冰芯中的δ18O记录，也表现出20ka和4Oka左右的明显周期。

天文气候学研究表明，地球中低纬度气候变化主要受岁差效应的影响，而地轴倾斜效应对于气候变化的影响主要表现在极区。天文理论的这一预测结果，得到了青藏高原古里雅冰芯记录(显著的2Oka左右周期)和南极Vostok冰芯记录(其δ18O变化，偏心率的贡献为37%，地轴倾斜的贡献为23%，岁差贡献仅为ll%)的有力支持。而格陵兰冰芯记录中强烈的岁差周期，很可能说明北半球高纬度大气环流与季风环流之间存在强烈的耦合效应。青藏高原冰芯与格陵兰冰芯记录的气候变化相对于轨道效应引起的太阳辐射变化的滞后时间(约5ka)，与亚洲季风23ka的周期变化滞后于岁差变化的时间(约5ka)之间的一致性很可能说明了这一点。

2、冰芯的研究也否定了Milankovich循环。

米氏理论的核心是强调了一个敏感区，即北半球高纬区。敏感区的气候变冷后，其信号被进一步放大、传输、进而影响其它地区。根据深海洋氧同位素的记载，北半球大陆冰盖在0.8MaB.P.前后（晚第四纪）冰盖波动的主导周期以100ka为主。当检验米氏理论适用到何种程度时，即考察产生于北半球的气候变化信号是否被大范围的传输，并进而影响全球。如果北半球的气候变化信号被大范围的传输，那么两半球晚第四纪气候变化周期应以100ka为主。然而，一些低纬地区并没有明显的100ka冰量周期，而是以20ka岁差周期为主，表明北半球冰盖的扩张、收缩变化并没有完全控制低纬区的气候变化。此外，南极冰芯中的甲烷纪录亦有强烈的20ka岁差周期。另外，把南极冰芯和格陵兰冰芯的甲烷记录进行对比发现，在第1冰消期时，气温增高北极要大大滞后于南极。从这个结果看，尽管北半球夏季太阳辐射在冰期旋回中有重要作用，但是不能否定南半球夏季太阳辐射的局地驱动作用，更不能说明冰期旋回的全球同时性。

3、冰芯的研究对地球气候变化还有其他贡献。

冰芯的研究使得学术界认识到温室气体和气溶胶有可能成为轨道日射量的两个“放大因子”。1983年，Shackleton等分析了极地冰芯中大气CO2的40ka记录，发现：在末次冰期的最冷时期(约20ka前)，大气CO2体积浓度比工业革命前的典型浓度值低；大约16ka前，随着大的冰原开始融化，CO2浓度开始快速增加，直到大约10ka前达到工业革命前的浓度水平后才停止增加。因此，如果地球轨道变化是地球气候变化的最初起因，则大气CO2浓度的变化必定有助于放大气候对轨道变化的响应。

学术界已经认识到，CO2等温室气体可能在轨道尺度的地球气候变化中扮演重要角色。南极和格陵兰的冰芯记录均表明，显著的气候变冷后，大气气溶胶浓度是增加的。Petit等1999年的研究表明，在冰期—间冰期旋回期间，南极地区以钠盐为代表的海盐气溶胶浓度可以从间冰期的不足15ng/g变化到冰期的120ng/g，相差近1个数量级；而以沙尘为代表的大陆起源的气溶胶则可从50ng/g上升到1000～2000ng/g，即增加20～40倍。由于大气气溶胶的气候效应已经在科学界得到公认，所以在冰期—间冰期旋回的研究中，必须把它作为一种强迫包括进去。学术界已经认识到，大气气溶胶浓度的变化是作为一种反馈机制出现在冰期—间冰期旋回中的，它并不是产生旋回的驱动机制。所有这些认识是与冰芯的研究分不开的。