阿拉斯加朱諾冰原地區(qū)的藍(lán)冰 效存德攝

南極冰中包裹的氣泡 史貴濤攝

2017年7月效存德在北極朱諾峽灣冰川考察，身后為崩解入海的藍(lán)色冰山。

據(jù)近期刊登在《科學(xué)》雜志的一篇文章描述，由普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊最近在巴黎舉行的哥德斯密特大會上首次宣布，在南極鉆取了一塊來自270萬年前的“百萬年冰芯”。

消息一經(jīng)傳出，有網(wǎng)友調(diào)侃，“真是一塊老冰棍。”

目前最長時間序列的冰芯來自約80萬年前，包括我國在內(nèi)的多國科學(xué)家，近年來苦苦尋找超過100萬年的冰芯，但遲遲不見結(jié)果，這塊來自270萬年前的“老冰棍”自然讓人新鮮。大家同時感興趣的是，來自美國的這個科研團(tuán)隊，用什么方法找到了這塊“老冰棍”，這種方法是否可靠?

冰芯氣泡里“藏著”氣候演變史

8月28日，北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室主任、中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室副主任效存德告訴科技日報記者，大約從1400萬年前起，南極形成連續(xù)(不間斷)的冰蓋。

有人也許要問，是否應(yīng)該去找1400萬年前的古老的冰?答案是否定的。

效存德解釋說，冰蓋是連續(xù)流體，雪花年復(fù)一年沉降到冰面，經(jīng)長期壓密和流變，最終在南極冰蓋邊緣以冰架崩解方式“下海”——融入海洋或在夏季融化流失，所以科研人員找不到最早期的冰，留下來的冰體相對“年輕”。

留下來的哪兒的冰最老?有多老?這是一個事關(guān)將地球氣候演變故事能講多古老的重要科學(xué)命題。

“此前，許多遠(yuǎn)古氣候預(yù)測模型都已經(jīng)揭示出，遠(yuǎn)古時期低水平的二氧化碳濃度是推動當(dāng)時的地球進(jìn)入一系列‘冰河期’所必備的條件。”中國極地研究中心史貴濤博士在接受科技日報記者采訪時表示，在冰芯氣泡孔里，儲藏著數(shù)萬年前地球大氣層的溫室氣體。此次研究的最大亮點是科研人員首次通過南極冰芯，找到了超過兩百萬年的氣候信息的直接證據(jù)。

對這塊冰芯的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時的二氧化碳水平還不到300ppm(百萬分之一)——比今天的405ppm要低不少——這或許能為人們尋找“是什么觸發(fā)了冰河期”這個問題的答案，提供線索。

藍(lán)冰層只能講述“模糊的故事”

報道稱，這塊“百萬年冰芯”是科研團(tuán)隊在位于南極西南極的艾倫山附近鉆出的。艾倫山位于南極洲東部的多風(fēng)帶地區(qū)。

效存德告訴記者，研究冰芯記錄有兩種思路：一種是常見的從垂直方向鉆取冰芯，一種是在冰蓋邊緣地帶尋找出露的水平冰層，這也被人俗稱“水平冰芯”，這種冰芯不積累現(xiàn)代降雪，從內(nèi)陸流變而來的冰層就露在表面上，方便樣品采集。冰中有微小的氣泡，藍(lán)光由于波長較短，都被散射出去，這種冰呈現(xiàn)出藍(lán)色，因此也叫藍(lán)冰。

理論上講，越古老的冰出露在冰蓋邊緣(或障礙物如山脈)的最前端，越往冰蓋內(nèi)陸越年輕。

有一陣子同行們和效存德半開玩笑說，以后不需要費勁鉆冰芯了，只需到冰蓋邊緣表面找個理想的斷面取表面樣品就夠了，同樣可以重建歷史序列。本世紀(jì)初，這樣的嘗試在格陵蘭成功過。

但兩種辦法各有優(yōu)缺點。

效存德拿博物館的工作打比方。

“垂直冰芯”的工作如同“翻閱新宗卷”，將歷史不斷往前延伸，優(yōu)點是記錄相對連續(xù)，容易解釋氣候演變，缺點在于年代不會太久遠(yuǎn)。在流變、地?zé)岷蛪毫θ邳c三重因素作用下，底部老冰不斷損失，這也是科學(xué)家僅僅把期望值放在100萬年左右的原因。

冰蓋邊緣的“水平冰芯”工作如同“修補(bǔ)舊缺文”，優(yōu)點是年代比冰蓋底部(也就是垂直冰芯的最下端)久遠(yuǎn)，缺點是經(jīng)過從冰蓋內(nèi)陸到邊緣的長距離流變，加上復(fù)雜地形對冰體產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動，

年層及其包含的信息到了冰蓋邊緣變得支離破碎、殘缺不全。這種情況下，科學(xué)家可能需要經(jīng)過長期積累，才可能拼出一個“模糊的故事”來。

效存德解釋，之所以說是個模糊的故事，除了年層難以連續(xù)外，還因為現(xiàn)在使用的惰性氣體放射性同位素半衰期定年方法，每個樣品需求量非常大，而且定年誤差也非常大。

在發(fā)現(xiàn)“百萬年冰芯”過程中，一種通過測量冰塊里的氬氣含量來判斷冰層年齡的方法備受關(guān)注。報道稱，這種方法不像其他定年法那樣精準(zhǔn)，但它所測定的冰層年齡的誤差幅度還是在10萬年以內(nèi)，屬于可以接受的范疇。

“‘水平冰芯’即使能將歷史序列大大向前延伸，但講出來的氣候演變故事很可能類似于博物館甲骨文里‘半事實、半傳說’那一截，很模糊、誤差很大。”效存德說。

“翻新卷”和“補(bǔ)缺文”兩手都得用

普林斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊說，他們下一次“鉆冰遠(yuǎn)征隊”或?qū)l(fā)現(xiàn)年齡超過500萬年的冰芯。

時至今日，冰芯研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，效存德認(rèn)為，今后面臨兩大任務(wù)：一是需要不斷挖掘新的代用指標(biāo)，二是要盡可能延伸記錄長度。

談及盡可能延伸記錄長度，在效存德看來，恐怕“翻新卷”和“補(bǔ)缺文”兩手都得用，而且兩手都要巧，冰芯記錄的年代才會向前有效延伸。

具體來說，“翻新卷”需要將無線電冰川學(xué)和冰蓋動力學(xué)相結(jié)合，努力尋找到超過100萬年冰芯的確切位置，因為這個時段對于解釋“中更新世氣候轉(zhuǎn)型”機(jī)制很重要。目前我國南極昆侖站附近就是大家期待的可能地點之一。

“補(bǔ)缺文”需要尋找理想的水平冰層“露頭”，進(jìn)一步研發(fā)誤差小的斷代方法，并且要盡可能將不同地點斷續(xù)的信息接續(xù)起來，努力繪制出相對清晰的第四紀(jì)早期地球氣候參數(shù)圖譜，尤其是溫室氣體含量變化歷史。

史貴濤告訴記者，目前由他承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃課題“南極冰蓋冰芯絕對年代定年方法研究”，將用另一種惰性氣體氪對百萬年時間尺度的冰芯進(jìn)行定年。這種方法需要獲取多達(dá)20—40公斤的藍(lán)冰樣品，此外還需要搭建專門的測量儀器。(記者 陳 瑜)