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近地面黑碳、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水汽……南極中山站天鵝嶺上，大氣化學(xué)成分的觀測(cè)內(nèi)容已足夠與中國(guó)氣象局在國(guó)內(nèi)設(shè)立的一個(gè)區(qū)域大氣本底觀測(cè)站規(guī)模相比。
“極地科考對(duì)于中國(guó)，乃至其他國(guó)家都是至關(guān)重要的科學(xué)‘處女地’，也具有一定的戰(zhàn)略意義。”中國(guó)氣象科學(xué)院研究員鄭向東以自己的本行為例說，“極地氣象和大氣化學(xué)成分的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)將為研究全球氣候變化提供可靠的科學(xué)依據(jù)?！?/p>
南極的冷熱變化、南極臭氧層的破壞程度……在我國(guó)第27次南極科學(xué)考察中，科考隊(duì)員希望通過“蛛絲馬跡”，為全球氣候變化尋找注腳。
為尋找世界上最古老溫室氣體做鋪墊
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)第四次評(píng)估報(bào)告(2007)指出，20世紀(jì)期間全球變暖和海平面上升已是不爭(zhēng)的事實(shí)，并很可能在21世紀(jì)內(nèi)以更快的速率繼續(xù)增暖和上升。
據(jù)研究，1993年至2003年間，山地冰川、冰帽和冰蓋由于崩解、融化等過程對(duì)海平面上升的貢獻(xiàn)為每年1.2±0.4毫米，其中格陵蘭冰蓋、西南極冰蓋以及南極半島的貢獻(xiàn)尤為重要。作為南極大陸主體的東南極，對(duì)全球氣候變暖究竟是正反饋還是負(fù)反饋，學(xué)界一直存在著很大爭(zhēng)議。
位于東南極冰蓋中心的冰穹A距離南極各個(gè)海岸的距離都很遠(yuǎn)且大致相等，來自各個(gè)方向的水汽都有可能到達(dá)冰穹A，因此該地區(qū)的冰芯是周邊所有海洋水汽共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，在這里能夠觀測(cè)到在地球其他地區(qū)無法觀測(cè)到的代表全球特征的氣候環(huán)境變化信息；通過研究萬年“冰芯”內(nèi)的顆粒物質(zhì)，科學(xué)家們可還原當(dāng)年冰芯形成時(shí)的氣候條件。冰穹A又是內(nèi)陸制高點(diǎn)，累積的冰雪估計(jì)達(dá)到100萬至150萬年。而目前人類在南極地區(qū)獲得的世界最古老的氣候記錄是80萬年，因此，冰穹A的深冰芯研究對(duì)全球氣候變化有著特殊意義。
此次南極昆侖站考察隊(duì)的任務(wù)之一，是在距離冰面約5米深的冰芯房?jī)?nèi)再向下挖一個(gè)長(zhǎng)10米、深10米、寬0.6米的冰槽，為將來深冰芯鉆取做準(zhǔn)備。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士丁明虎說，通過對(duì)在這里取得的深冰芯的研究，可以獲得過去特定時(shí)段的氣候環(huán)境信息。目前，全世界對(duì)全球變暖問題存在很多爭(zhēng)議，一個(gè)重要原因是很多科學(xué)家苦于找不到足夠年份的氣候證據(jù)來證明他們的主張。如果能得到超過百萬的氣候記錄，那么其中所包含的“化石大氣”，可能會(huì)對(duì)中更新世氣候轉(zhuǎn)型的“溫室效應(yīng)”假說加以驗(yàn)證，也能為當(dāng)今的全球變化研究提供重要依據(jù)。
地面雪冰采樣推測(cè)高空大氣活動(dòng)
這次內(nèi)陸考察中，丁明虎還對(duì)自埃默里冰架至冰穹A的整個(gè)斷面進(jìn)行了雪冰采樣，并計(jì)劃回國(guó)后用化學(xué)手段做進(jìn)一步分析。
“南極擁有最潔凈的大氣，它代表最基礎(chǔ)的大氣本底?！倍∶骰ⅰ氨镜住北扔鳛橐粋€(gè)人最原本的面貌，先天優(yōu)勢(shì)和通過化妝彌補(bǔ)先天不足，是兩種完全不同的效果。
他需要在最純凈的冰樣里測(cè)出某一種離子如硝酸根的濃度變化。硝酸根的形成原因很多，最重要的是大氣中液相硝酸的沉積，通過對(duì)南極各個(gè)地區(qū)硝酸根濃度變化的研究，可以判斷哪些地方是極光卵投影區(qū)，進(jìn)而推斷該區(qū)域的高空大氣活動(dòng)。
在地球自轉(zhuǎn)的過程中，南北極點(diǎn)相對(duì)太陽不旋轉(zhuǎn)，太陽粒子在地球磁場(chǎng)的作用下，與極點(diǎn)高空大氣摩擦，使大氣中的氣體分子或原子電離而發(fā)光，形成繽紛絢爛的極光，而最容易形成極光的這個(gè)橢圓形區(qū)域，叫極光卵。在極光卵投影區(qū)，由于高空大氣活動(dòng)較強(qiáng)，硝酸根濃度也最高。也就是說，硝酸根濃度的空間變化，可以反映不同地區(qū)極光現(xiàn)象的強(qiáng)弱。目前冰川學(xué)家們對(duì)南極冰蓋雪冰內(nèi)硝酸根的來源頗有爭(zhēng)論，其年際變化與太陽活動(dòng)也可能存在一定關(guān)系，季節(jié)變化則能反映臭氧層空洞的大小。
丁明虎告訴記者，硝酸根只是雪冰中各種大氣環(huán)境指標(biāo)的一種，不同的指標(biāo)能反映不同的環(huán)境信息?；貒?guó)后將用化學(xué)手段，通過高精度分析，對(duì)地球環(huán)境的本底及其變化狀況做出進(jìn)一步判斷。
觀測(cè)南極“臭氧洞”為氣候變化提供基礎(chǔ)性資料
對(duì)于南極臭氧洞，大家并不陌生。
每年9—10月，南極大陸上空出現(xiàn)數(shù)百萬平方公里的平流層臭氧層損耗接近零，而積分的臭氧總量?jī)H為正常值的一半以下的現(xiàn)象。在這種情況下，平流層的臭氧層仿佛被穿空了，形成了一個(gè)空洞。1985年，英國(guó)劍橋大學(xué)的法爾曼等人通過對(duì)英國(guó)Halley灣站從1957年和1958年的國(guó)際地球物理年開始持續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)重新檢驗(yàn)分析，得出“臭氧洞”這個(gè)形象的名稱。
如今有關(guān)南極“臭氧洞”形成的科學(xué)機(jī)理已經(jīng)基本厘清。它與人類工業(yè)化過程大量排放的氟利昂、溴化物直接相關(guān)。氟里昂等鹵代烴化合物從地表隨著大氣環(huán)流進(jìn)入平流層在強(qiáng)烈的紫外輻射作用下，釋放出氯原子，釋放出的氯原子用數(shù)個(gè)月的時(shí)間通過催化反應(yīng)，可以使10萬個(gè)臭氧分子消失。在南極這種特殊的地理環(huán)境下，氟利昂對(duì)平流層的臭氧損耗表現(xiàn)得更為強(qiáng)烈。當(dāng)然還有其它因素的輔助作用。
1993年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院在南極中山站的觀景臺(tái)上架起了臭氧總量觀測(cè)儀，開始了我國(guó)在南極觀測(cè)大氣中臭氧總量歷史。18年后，該院研究員鄭向東重返南極，用測(cè)量精度更高的光譜儀代替了早期的儀器。
“這種觀測(cè)對(duì)‘臭氧洞’科學(xué)機(jī)理研究本身的意義已不大?！钡嵪驏|強(qiáng)調(diào)，長(zhǎng)期積累的準(zhǔn)確觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)檢驗(yàn)未來臭氧總量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，對(duì)評(píng)估旨在保護(hù)全球臭氧層、限制氟里昂排放的《蒙特利爾協(xié)議》，對(duì)溫室氣體如二氧化碳增加導(dǎo)致氣候變化對(duì)平流層臭氧層的影響，甚至衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)仍是不可缺少的基礎(chǔ)性觀測(cè)。
海氣結(jié)合觀測(cè)內(nèi)容不斷豐富
沿雪龍船航線開展二氧化碳分壓走航觀測(cè)，合計(jì)采集約11兆數(shù)據(jù)；在4—8℃的表層水溫范圍內(nèi)每個(gè)緯度采集一個(gè)氧化亞氮海水樣品；在南大洋走航中合計(jì)采集26個(gè)氣溶膠樣品……自上海出發(fā)以來，國(guó)家海洋局第三海洋研究所全球變化及大氣化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生徐國(guó)杰與張介霞一直忙碌。
因人類活動(dòng)造成大氣中二氧化碳含量遠(yuǎn)超正常自然波動(dòng)范圍，由此引起的溫室效應(yīng)及全球變暖等一系列嚴(yán)重后果已被大家熟知，但人們對(duì)大氣中微量的溫室氣體氧化亞氮的了解相對(duì)要少。事實(shí)上，與同等濃度的二氧化碳相比，氧化亞氮的溫室效應(yīng)是后者的200—300倍左右，許多國(guó)際氣候變化研究項(xiàng)目都把其列入重要研究?jī)?nèi)容。大氣氣溶膠也會(huì)通過直接及間接輻射效應(yīng)影響氣候變化。
占地球海洋面積20%的南大洋在全球氣候變化中起重要作用。它是海、冰、氣和生物的相互作用區(qū)，具有復(fù)雜的生物地球化學(xué)循環(huán)，已有研究表明該區(qū)域是全球最重要的二氧化碳匯區(qū)之一，也是全球大洋中一個(gè)重要的氧化亞氮源。但由于南大洋橫跨三大洋、鄰接海冰區(qū)、上覆西風(fēng)帶，終年繞極流，幅員十分遼闊且氣候極其惡劣，獲取現(xiàn)場(chǎng)資料因難。
作為國(guó)家科技部國(guó)際合作項(xiàng)目“中美海洋碳循環(huán)研究和海水加鐵試驗(yàn)技術(shù)”的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行人，徐國(guó)杰、張介霞和美國(guó)Rutgers大學(xué)教授高原一道，開展了相關(guān)工作，獲取了第一手有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)。
“收集的數(shù)據(jù)及樣品將對(duì)研究南大洋碳、氮循環(huán)在全球變化中的作用具有重要意義?！毙靽?guó)杰希望這項(xiàng)研究能為南大洋生物地球化學(xué)循環(huán)及氣候變化的研究提供有用的科學(xué)數(shù)據(jù)?！?/p>
近年來，隨著全球氣候變化問題討論的深入，相關(guān)研究也逐漸豐富和深入。
國(guó)家海洋局第二海洋研究所助理研究員韓正兵在本航次中布放了沉積物捕獲器，意在獲取海洋上層水體向下層水體輸送的顆粒物樣品，并以此來估算海洋中深層的碳通量。“這將有效地量化有機(jī)碳的生產(chǎn)、輸出以及再循環(huán)效率，同時(shí)將對(duì)全球二氧化碳收支平衡的影響提供有意義的證據(jù)。”韓正兵表示。
(本報(bào)“雪龍”號(hào)3月21日電)