南极、北极、第三极山地冰芯记录的气候环境变化

中国网/中国发展门户网讯   冰芯是从冰川上钻取的圆柱状雪冰样品。取自冰川积累区的冰芯，包含着过去逐年积累的降雪和干、湿沉降物质，这些物质保存着其沉积时的气候环境信息。在 20 世纪 50—60 年代，丹麦 Dansgaard通过对降水稳定同位素的研究，发现极地地区降水中氧、氢同位素比率（δ¹⁸O 和 δD）变化与温度之间存在密切关系；进而，他提出分析冰芯中氧、氢同位素比率变化便可重建过去气候变化的思想，从此拉开了冰芯气候环境记录研究的序幕。

冰川是由固态降水（雪）长期积累、演变而成的，在粒雪通过密实化转变为冰川冰的过程中，粒雪层中原先与大气相通的空隙被封闭成为气泡。因此，冰芯中包裹的气泡是古大气的“活化石”。冰芯不但记录着过去气候环境各种要素（如气温、降水、大气化学和环境微生物等）的变化，也记录着影响气候环境变化各种因子（如太阳活动、火山活动和大气温室气体含量等）的变化，同时还记录着人类活动对环境的影响。因此，冰芯是研究过去气候环境变化的极佳介质。

冰芯研究从极地冰盖开始，后来扩展到中低纬度山地冰川地区，对全球变化研究作出了重要贡献，极大地推动了冰冻圈科学和全球变化科学的发展；同时，冰芯研究可从历史角度评价人类活动对环境的影响，为相关环境政策的制定提供了重要科学基础。

南极和北极冰芯记录的过去气候环境变化

自1966 年和 1968 年冰芯科学家分别在格陵兰冰盖世纪营地（Camp Century）和南极冰盖伯德站（Bryd）首次钻取透底冰芯以来，已在南极冰盖上钻取了沃斯托克（Vostok）、冰穹 C（EPICA Dome C）、西南极分冰岭（WAIS Divide）等冰芯，在格陵兰冰盖上钻取了戴伊-3（Dye3）、格陵兰冰盖冰芯计划（GRIP 和 GISP 2）、格陵兰北部冰芯计划（NGRIP 和 NEEM）等冰芯。通过对这些冰芯的研究，已揭示出过去 80 万年来地球气候与大气中温室气体含量的变化，发现了在末次冰期时气候变化存在明显的突变特征，且南极和北极气候变化之间存在“跷跷板”现象，同时重建了历史时期的太阳活动变化和火山喷发事件信息等。

轨道时间尺度的气候环境变化

依据南极沃斯托克冰芯中 δ¹⁸O 和 δD 的记录，重建了 4 个完整冰期-间冰期旋回的气候变化，并发现该冰芯记录的冰期-间冰期旋回的气温变化幅度达 12℃ 左右。南极冰穹 C 冰芯将气候环境记录追溯到 80 万年前。该冰芯记录的近 80 万年以来的气温、粉尘含量和大气温室气体含量（CO₂、CH₄ 和 N₂O）变化，均存在 10 万年、4 万年和 2.3 万—1.9 万年的变化周期，其中 10 万年周期为主导周期；同时，在轨道时间尺度（冰期-间冰期时间尺度）上大气气溶胶含量、温室气体含量与气候变化之间密切相关。深海氧稳定同位素记录表明，在距今 120 万—80 万年时，更新世气候变化由之前的以 4 万年周期为主，转变为之后的以 10 万年周期为主，此即中更新世气候转型。有关假说认为，这一气候转型可能是由大气中 CO₂ 含量降低所造成的。对东南极艾伦（Allan）山蓝冰区域冰龄约 200 万年的冰芯进行了研究，结果表明距今 80 万年之前的气温变化和大气 CO₂ 浓度变化没有超出距今 80 万年以来的变化范围，但是距今 80 万年之前的冰期时气温和大气 CO₂ 浓度较距今 80 万年以来冰期时的高。这一研究结果不支持中更新世气候转型的 CO₂ 降低假说，但却说明中更新世气候转型之后的冰盛期时冰盖范围较大且大气 CO₂ 浓度较低。

千年尺度的气候变化

20 世纪 80 年代之前，人们普遍认为末次冰期时气候是相对稳定的。然而，通过对格陵兰戴伊-3 冰芯中 δ¹⁸O 高分辨率记录的分析发现，末次冰期时气候存在多次突变事件，即气候在几十年甚至更短的时间内迅速变暖 5℃—10℃ 并进入间冰阶，而在随后的几百年至几千年的时间里气候逐渐变冷并进入冰阶。这一发现引起了古气候学界的巨大震动。Dansgaard 等通过对格陵兰冰芯记录的深入研究，发现距今 11.5 万—1.4 万年存在 24 次气候突变事件，即 D-O 事件（Dansgaard-Oeschger Events）。基于不同地区高分辨率的石笋、湖泊和海洋等沉积记录，表明 D-O 事件在北半球大的空间范围内是广泛存在的。相关研究表明，D-O 事件的发生与北大西洋深层水形成速率的变化有关。对比南极和北极冰芯气候记录，发现当格陵兰冰芯中 D-O 事件处于暖位相时，南极冰芯记录的气候状况处于冷期，反之亦然，即末次冰期时南极和北极气候变化在千年时间尺度上存在“跷跷板”现象。最近，利用全球大气 CH₄ 浓度变化的同步性，对南极冰芯和格陵兰冰芯记录的气候变化过程进行精确比较，发现格陵兰地区 D-O 事件时的突然变暖早于南极气候开始变冷 218±92 年，格陵兰气候变冷早于南极气候开始变暖 208±96 年。这表明北极地区的气候突变信息，可通过海洋环流向南半球高纬地区传递。 

太阳活动变化

大气中宇宙成因同位素（如 ¹⁴C、¹⁰Be、³⁶Cl 等）含量的变化与太阳活动密切相关，分析沉积在冰芯中这些同位素含量的变化就可以揭示过去太阳活动的变化信息。基于格陵兰冰芯中 ¹⁰Be 浓度记录，发现大约在公元前 5600 年、5100 年、4200 年、3500 年、2800 年、1900 年、700 年、300 年和公元 800 年、1100 年、1700 年左右的太阳活动相对较弱。最近，依据南极和北极冰芯中的 ¹⁰Be 浓度记录，计算了全新世时期太阳总辐射量的变化。这为分析过去气候变化的原因提供了重要资料积累。

火山喷发事件 

一般来说，低纬度火山喷发物质可以通过大气环流波及全球范围，而中高纬度火山喷发物质的影响范围仅限于其所在的半球范围内。但如果中高纬度的火山喷发极为强烈，其喷发物质也可以通过平流层影响到全球范围。格陵兰冰芯记录表明，过去 11 万年来火山喷发主要集中在 3 个时期，即距今 8.5 万—7.9 万年、距今 3.6万—2.7 万年和距今 1.3 万—0.7 万年。其中，最后一个时期的火山活动较强，并与北半球冰盖消退、海平面上升期相一致。这一发现有力地支持了陆地冰量变化及洋盆水量变化会导致火山活动增强的理论。对南北两极冰芯中近 2 000 年来火山事件记录的研究表明，南极冰芯记录了 133 次火山喷发事件，格陵兰冰芯记录了 138 次火山喷发事件；其中，50 次火山喷发事件在两极冰芯中均有记录，这些与热带地区的火山喷发有关。最近，基于南北两极冰芯记录，冰芯研究者建立了火山喷发事件数据库，并据此重建了近 2 000 多年来大气气溶胶光学厚度的变化。这为认识火山喷发所引起的辐射强迫效应，以及评估历史时期火山喷发对气候变化的影响提供了科学基础。

极地冰芯微生物

冰芯中微生物研究可获得古老微生物及微生物演化的信息。目前，在冰芯中发现的微生物主要包括细菌、病毒、藻类和真菌，其中细菌的数量最多。相关研究表明，不论是在南极冰芯中还是在北极冰芯中，冷期时冰芯中微生物数量较多，这与冷期时大气中粉尘含量较高有关。目前，在格陵兰不同年代（距今 14 万—500 年前）的冰芯样品中均发现了多种番茄花叶病毒的 RNA，在南极冰芯样品中也发现了类似病毒颗粒。冰川内部的古老病毒是否会随冰川的消融而释放并造成世界卫生和疾病防控问题，是值得深入研究的重要课题。