中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊   冰芯是從冰川上鉆取的圓柱狀雪冰樣品。取自冰川積累區(qū)的冰芯，包含著過去逐年積累的降雪和干、濕沉降物質(zhì)，這些物質(zhì)保存著其沉積時的氣候環(huán)境信息。在?20?世紀(jì)?50—60?年代，丹麥?Dansgaard通過對降水穩(wěn)定同位素的研究，發(fā)現(xiàn)極地地區(qū)降水中氧、氫同位素比率（δ¹⁸O?和?δD）變化與溫度之間存在密切關(guān)系；進(jìn)而，他提出分析冰芯中氧、氫同位素比率變化便可重建過去氣候變化的思想，從此拉開了冰芯氣候環(huán)境記錄研究的序幕。

冰川是由固態(tài)降水（雪）長期積累、演變而成的，在粒雪通過密實化轉(zhuǎn)變?yōu)楸ū倪^程中，粒雪層中原先與大氣相通的空隙被封閉成為氣泡。因此，冰芯中包裹的氣泡是古大氣的“活化石”。冰芯不但記錄著過去氣候環(huán)境各種要素（如氣溫、降水、大氣化學(xué)和環(huán)境微生物等）的變化，也記錄著影響氣候環(huán)境變化各種因子（如太陽活動、火山活動和大氣溫室氣體含量等）的變化，同時還記錄著人類活動對環(huán)境的影響。因此，冰芯是研究過去氣候環(huán)境變化的極佳介質(zhì)。

冰芯研究從極地冰蓋開始，后來擴(kuò)展到中低緯度山地冰川地區(qū)，對全球變化研究作出了重要貢獻(xiàn)，極大地推動了冰凍圈科學(xué)和全球變化科學(xué)的發(fā)展；同時，冰芯研究可從歷史角度評價人類活動對環(huán)境的影響，為相關(guān)環(huán)境政策的制定提供了重要科學(xué)基礎(chǔ)。

南極和北極冰芯記錄的過去氣候環(huán)境變化

自1966?年和?1968?年冰芯科學(xué)家分別在格陵蘭冰蓋世紀(jì)營地（Camp Century）和南極冰蓋伯德站（Bryd）首次鉆取透底冰芯以來，已在南極冰蓋上鉆取了沃斯托克（Vostok）、冰穹?C（EPICA Dome C）、西南極分冰嶺（WAIS Divide）等冰芯，在格陵蘭冰蓋上鉆取了戴伊-3（Dye3）、格陵蘭冰蓋冰芯計劃（GRIP?和?GISP 2）、格陵蘭北部冰芯計劃（NGRIP?和?NEEM）等冰芯。通過對這些冰芯的研究，已揭示出過去?80?萬年來地球氣候與大氣中溫室氣體含量的變化，發(fā)現(xiàn)了在末次冰期時氣候變化存在明顯的突變特征，且南極和北極氣候變化之間存在“蹺蹺板”現(xiàn)象，同時重建了歷史時期的太陽活動變化和火山噴發(fā)事件信息等。

軌道時間尺度的氣候環(huán)境變化

依據(jù)南極沃斯托克冰芯中?δ¹⁸O?和?δD?的記錄，重建了?4?個完整冰期-間冰期旋回的氣候變化，并發(fā)現(xiàn)該冰芯記錄的冰期-間冰期旋回的氣溫變化幅度達(dá)?12℃?左右。南極冰穹?C?冰芯將氣候環(huán)境記錄追溯到?80?萬年前。該冰芯記錄的近?80?萬年以來的氣溫、粉塵含量和大氣溫室氣體含量（CO₂、CH₄?和?N₂O）變化，均存在?10?萬年、4?萬年和?2.3?萬—1.9?萬年的變化周期，其中?10?萬年周期為主導(dǎo)周期；同時，在軌道時間尺度（冰期-間冰期時間尺度）上大氣氣溶膠含量、溫室氣體含量與氣候變化之間密切相關(guān)。深海氧穩(wěn)定同位素記錄表明，在距今?120?萬—80?萬年時，更新世氣候變化由之前的以?4?萬年周期為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橹蟮囊?10?萬年周期為主，此即中更新世氣候轉(zhuǎn)型。有關(guān)假說認(rèn)為，這一氣候轉(zhuǎn)型可能是由大氣中?CO₂?含量降低所造成的。對東南極艾倫（Allan）山藍(lán)冰區(qū)域冰齡約?200?萬年的冰芯進(jìn)行了研究，結(jié)果表明距今?80?萬年之前的氣溫變化和大氣?CO₂?濃度變化沒有超出距今?80?萬年以來的變化范圍，但是距今?80?萬年之前的冰期時氣溫和大氣?CO₂?濃度較距今?80?萬年以來冰期時的高。這一研究結(jié)果不支持中更新世氣候轉(zhuǎn)型的?CO₂?降低假說，但卻說明中更新世氣候轉(zhuǎn)型之后的冰盛期時冰蓋范圍較大且大氣?CO₂?濃度較低。

千年尺度的氣候變化

20?世紀(jì)?80?年代之前，人們普遍認(rèn)為末次冰期時氣候是相對穩(wěn)定的。然而，通過對格陵蘭戴伊-3?冰芯中?δ¹⁸O?高分辨率記錄的分析發(fā)現(xiàn)，末次冰期時氣候存在多次突變事件，即氣候在幾十年甚至更短的時間內(nèi)迅速變暖?5℃—10℃?并進(jìn)入間冰階，而在隨后的幾百年至幾千年的時間里氣候逐漸變冷并進(jìn)入冰階。這一發(fā)現(xiàn)引起了古氣候?qū)W界的巨大震動。Dansgaard?等通過對格陵蘭冰芯記錄的深入研究，發(fā)現(xiàn)距今?11.5?萬—1.4?萬年存在?24?次氣候突變事件，即?D-O?事件（Dansgaard-Oeschger Events）?；诓煌貐^(qū)高分辨率的石筍、湖泊和海洋等沉積記錄，表明?D-O?事件在北半球大的空間范圍內(nèi)是廣泛存在的。相關(guān)研究表明，D-O?事件的發(fā)生與北大西洋深層水形成速率的變化有關(guān)。對比南極和北極冰芯氣候記錄，發(fā)現(xiàn)當(dāng)格陵蘭冰芯中?D-O?事件處于暖位相時，南極冰芯記錄的氣候狀況處于冷期，反之亦然，即末次冰期時南極和北極氣候變化在千年時間尺度上存在“蹺蹺板”現(xiàn)象。最近，利用全球大氣?CH₄?濃度變化的同步性，對南極冰芯和格陵蘭冰芯記錄的氣候變化過程進(jìn)行精確比較，發(fā)現(xiàn)格陵蘭地區(qū)?D-O?事件時的突然變暖早于南極氣候開始變冷?218±92?年，格陵蘭氣候變冷早于南極氣候開始變暖?208±96?年。這表明北極地區(qū)的氣候突變信息，可通過海洋環(huán)流向南半球高緯地區(qū)傳遞。 

太陽活動變化

大氣中宇宙成因同位素（如?¹⁴C、¹⁰Be、³⁶Cl?等）含量的變化與太陽活動密切相關(guān)，分析沉積在冰芯中這些同位素含量的變化就可以揭示過去太陽活動的變化信息。基于格陵蘭冰芯中?¹⁰Be?濃度記錄，發(fā)現(xiàn)大約在公元前?5600?年、5100?年、4200?年、3500?年、2800?年、1900?年、700?年、300?年和公元?800?年、1100?年、1700?年左右的太陽活動相對較弱。最近，依據(jù)南極和北極冰芯中的?¹⁰Be?濃度記錄，計算了全新世時期太陽總輻射量的變化。這為分析過去氣候變化的原因提供了重要資料積累。

火山噴發(fā)事件 

一般來說，低緯度火山噴發(fā)物質(zhì)可以通過大氣環(huán)流波及全球范圍，而中高緯度火山噴發(fā)物質(zhì)的影響范圍僅限于其所在的半球范圍內(nèi)。但如果中高緯度的火山噴發(fā)極為強(qiáng)烈，其噴發(fā)物質(zhì)也可以通過平流層影響到全球范圍。格陵蘭冰芯記錄表明，過去?11?萬年來火山噴發(fā)主要集中在?3?個時期，即距今?8.5?萬—7.9?萬年、距今?3.6萬—2.7?萬年和距今?1.3?萬—0.7?萬年。其中，最后一個時期的火山活動較強(qiáng)，并與北半球冰蓋消退、海平面上升期相一致。這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了陸地冰量變化及洋盆水量變化會導(dǎo)致火山活動增強(qiáng)的理論。對南北兩極冰芯中近?2?000?年來火山事件記錄的研究表明，南極冰芯記錄了?133?次火山噴發(fā)事件，格陵蘭冰芯記錄了?138?次火山噴發(fā)事件；其中，50?次火山噴發(fā)事件在兩極冰芯中均有記錄，這些與熱帶地區(qū)的火山噴發(fā)有關(guān)。最近，基于南北兩極冰芯記錄，冰芯研究者建立了火山噴發(fā)事件數(shù)據(jù)庫，并據(jù)此重建了近?2?000?多年來大氣氣溶膠光學(xué)厚度的變化。這為認(rèn)識火山噴發(fā)所引起的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)，以及評估歷史時期火山噴發(fā)對氣候變化的影響提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

極地冰芯微生物

冰芯中微生物研究可獲得古老微生物及微生物演化的信息。目前，在冰芯中發(fā)現(xiàn)的微生物主要包括細(xì)菌、病毒、藻類和真菌，其中細(xì)菌的數(shù)量最多。相關(guān)研究表明，不論是在南極冰芯中還是在北極冰芯中，冷期時冰芯中微生物數(shù)量較多，這與冷期時大氣中粉塵含量較高有關(guān)。目前，在格陵蘭不同年代（距今?14?萬—500?年前）的冰芯樣品中均發(fā)現(xiàn)了多種番茄花葉病毒的?RNA，在南極冰芯樣品中也發(fā)現(xiàn)了類似病毒顆粒。冰川內(nèi)部的古老病毒是否會隨冰川的消融而釋放并造成世界衛(wèi)生和疾病防控問題，是值得深入研究的重要課題。