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同為“無字天書” 冰芯凝氣候歷史湖芯藏環(huán)境檔案

本報記者陸成寬

冰芯被稱為“無字的環(huán)境密碼檔案庫”。近日，我國科研人員利用自主設(shè)計的冰芯熱鉆系統(tǒng)和湖芯重力鉆系統(tǒng)，首次獲得喀喇昆侖山脈境外的深冰芯和湖芯樣本。這些冰芯和湖芯樣本可用于重建泛第三極地區(qū)的氣候環(huán)境變化歷史。

那么，冰芯和湖芯到底如何生成的？它們有哪些記錄環(huán)境變化的指標(biāo)？冰芯和湖芯測定出的數(shù)據(jù)，有什么現(xiàn)實意義？就以上問題，科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

氣候環(huán)境的無字“檔案庫”

實際上，所謂的冰芯就是用鉆探設(shè)備在冰川內(nèi)部打出來的圓柱狀冰體。在高原高寒處，降雪一年年堆積，而這些雪在一定的海拔高度或極地地區(qū)基本不會消融，會逐漸形成冰川。在長達(dá)幾千年甚至百萬年的日積月累中，降雪層層累積，年復(fù)一年，從底部往上就會逐漸形成不同的冰層，這些冰層從底部向上年代越來越新。

研究人員告訴記者，一般而言，冬季氣溫較低，形成的雪粒特點是細(xì)而緊密；而夏季氣溫偏高，形成的雪粒呈現(xiàn)粗而疏松的狀態(tài)。因此，冬夏季積雪形成的冰層之間會出現(xiàn)明顯的層理結(jié)構(gòu)差異。

由此，研究人員從冰川中取出的這根“冰棍”，承載著幾千甚至百萬年氣候環(huán)境變化留下的“史料”。它不僅記錄著過去氣候環(huán)境自然變化的信息，還記錄著過去人類活動對于氣候環(huán)境的影響。“冰芯里的冰形成于哪一年的降雪，就記錄了哪一年的環(huán)境信息，因此研究冰芯就像讀歷史書一樣，從底部到頂部，從老到新，我們可以把整個氣候環(huán)境變化的歷史恢復(fù)出來。”中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員徐柏青告訴科技日報記者。

與冰芯類似的是，湖芯也是研究人員鉆取而出的圓柱體，不同的是，湖芯來自湖泊沉積物，是從氣體或水體中自然沉降到湖底并堆積起來的物質(zhì)，各個年代的沉積物一層層累積，其中的一些化學(xué)或生物指標(biāo)可以反映當(dāng)時的沉積環(huán)境和氣候條件。“與大尺度的環(huán)境變化記錄者冰芯相比，湖芯是區(qū)域氣候環(huán)境變遷以及人類活動歷史等的忠實記錄者。”徐柏青說。

鉆取和保存方式各不相同

鉆取冰芯并不是一件容易的事情。在冰川中獲取冰芯，需要用一套特殊的鉆探系統(tǒng)，比如機(jī)械鉆或熱鉆。在鉆取之前，科考隊一般會對目標(biāo)冰川進(jìn)行考察，包括地質(zhì)地貌、冰層厚度、冰下地形等。在冰川的中部或下部鉆取冰芯可能會碰到消融區(qū)或流動的冰川，受到的干擾因素較多。“一般都在冰川的頂部、地勢比較平坦的地方進(jìn)行鉆探，這樣可以保證冰層信息的完整性以及連續(xù)性。”徐柏青說。

此外，研究人員還介紹，為了保證打上來的冰芯不會融化，所以冰芯都要在夜里打。根據(jù)實際的地形條件，科研人員還要選擇不同的鉆，例如熱鉆靠熱環(huán)往下融，便于打深，但要通電，陡峭的冰川沒法帶發(fā)電機(jī)上去；而冷鉆又分為機(jī)械鉆和重錘鉆等，使用的時候要根據(jù)冰層的硬度和厚度等因素進(jìn)行選取。

鉆取湖芯的過程則更加考驗經(jīng)驗和耐心。科考隊員們將取樣管觸到湖底后，通過重力作用使沉積物樣本進(jìn)入管中，再將取樣管提起。如果取樣器觸到沉積物表面時角度出現(xiàn)偏差，那取得的沉積物就不能真實反映年代氣候。同時，取樣量也要恰到好處，如果取樣管下沉過淺，就可能取不到樣本，如果下沉過深，取樣管中的樣本就可能被嚴(yán)重擠壓導(dǎo)致變形。

冰芯和湖芯被鉆探出來后，為保證順序和層次不亂，需要進(jìn)行編號，標(biāo)示出每一段冰芯和湖芯的上下順序；為防止污染，還要進(jìn)行嚴(yán)格的封裝。

對于冰芯和湖芯保存，兩者也存在較大差別。“冰芯必須在冷凍環(huán)境下進(jìn)行保存，冷庫的溫度一般為零下25℃；但是湖芯是不能冷凍的，湖芯一旦冷凍，它的結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，一般會把鉆取的湖芯放在4℃—7℃的環(huán)境下保存。”徐柏青說。

記錄環(huán)境變化的指標(biāo)有所區(qū)別

在徐柏青看來，可以把冰芯記錄環(huán)境變化的指標(biāo)分成三大類。

“第一類就是冰本身攜帶的信息，也就是在‘水分子’上做文章。”徐柏青說，水分子由氫和氧兩種元素組成，測量冰芯中的氫、氧同位素的比率可以推算過去的環(huán)境溫度高低，冰芯的積累速率可以顯示出降水量大小的變化。

高原上的冰來源于降水，在降水的過程中，會發(fā)生同位素分流的現(xiàn)象，相對重的同位素容易隨降水落下，而相對輕的同位素則更容易形成氣體。“這個分流過程與溫度有很大的關(guān)系，我們通過同位素的測定，就可以分析出當(dāng)時大氣的溫度。”徐柏青說。

此外，冰本身的結(jié)構(gòu)、晶體大小及其排列都與它形成時的環(huán)境有很大關(guān)系，能夠反映出冰川形成的動力特征與過程。

第二類指標(biāo)則是冰芯中含有的各類物質(zhì)。通過分析冰芯的組成物質(zhì)，如水和所含礦物，可以恢復(fù)歷史時期的一些重要的環(huán)境事件。比如，通過冰里粉塵含量的多少，就可以推斷出當(dāng)時沙塵暴活動的強(qiáng)度。中科院青藏高原研究所游超博士就曾發(fā)現(xiàn)，根據(jù)冰芯里檢測到的左旋葡聚糖含量變化，可以推斷自1990年以來，亞熱帶亞洲地區(qū)生物質(zhì)燃燒呈增強(qiáng)趨勢。

此外，由于高原上的冰是由雪逐漸積壓而成，雪降落的時候，顆粒之間有間隙，在雪壓實成冰的過程中，也就把間隙中的氣泡封存起來了。這些氣泡是冰初形成時的地球大氣，蘊含了關(guān)于過去的無窮訊息。通過研究冰芯氣泡中的氣體成分和含量，可以揭示大氣成分的演化歷史，如二氧化碳、甲烷等溫室氣體的歷史變化過程等。

“與冰芯相比，湖芯記錄環(huán)境變化的指標(biāo)則相對單一。”徐柏青說，湖芯的主要檢測對象是其含有的各類物質(zhì)，沉積物的成分不同，反映的環(huán)境變化信息也不一樣。例如，曾有科研人員通過珠穆朗瑪峰南部地區(qū)湖芯中硫含量的增加，揭示出硫同位素的變化主要是由粉塵來源的氣溶膠增加和氣候變暖相關(guān)的地表風(fēng)化剝蝕加強(qiáng)所致，對認(rèn)識喜馬拉雅高山脈高海拔氣候和生態(tài)敏感區(qū)的環(huán)境變化特征發(fā)揮了很大作用。