南極冰芯:地球過去的縮影

吳碩

冰雪的大陸

南極洲在地球的最南端，是一片冰天雪地的世界，有1400多萬平方千米，比歐洲或大洋洲的面積都大。南極洲四周是浩瀚的太平洋、大西洋和印度洋，遠離地球上任何大陸，即使其西部的南極半島，離南美洲較近，但仍然相隔960千米。另外，無論從歷史上哪個時代看，這里都是地球上唯一無人居住的地方，是名副其實的與外部隔絕的世界。

造成南極大陸非常特殊的地理的原因是緣于其過于嚴酷的自然環(huán)境和條件。首先，這塊大陸的氣溫比北極還要低，是地球上最寒冷的地方。在內陸部分，平均氣溫在-50℃以上，就是溫暖時也不超過-10℃。1983年在前蘇聯(lián)的沃斯托克基地記錄到堪稱世界最低的氣溫-89.2℃。

其次，這里是地球上風暴最多、風力最大的區(qū)域，尤其在阿德爾地，幾乎終年刮著凜冽的風暴，一般風力都在10級以上，最大風速可達每秒百米，故有“世界風極”之稱。怒吼的風暴常常卷起漫天的冰屑、雪粒，磨蝕這冰原上的山峰，形成許多有趣的風磨地形。如果在這里放上根生銹的鐵鏈，那么用不了兩天就會被風磨得閃閃發(fā)亮。

這樣嚴酷的自然條件決定了南極大陸的地貌與其他大陸相差懸殊。例如這個大陸的平均海拔約2300米，為地球上其他大陸之冠。即使與名列第二的亞洲大陸（平均海拔900米）相比，也要高出1400米。而且南極的高原幾乎不是巖盤，而是由冰被造成的。有的地方冰被厚達4000米，整個大陸冰被平均厚度也達2450米。

冰被厚度超過了海拔高度，這到底是怎么回事呢？

原來，南極大陸厚厚冰層所造成的無法估量的冰的重量，將南極大陸原先的地表，即冰下的巖盤表面壓沉，且遠比周圍的海平面低。地表面最深的地方在海平面下440米，平均深度也在海平面下160米。

南極大陸集中了地球上90%左右的冰塊，成為名不虛傳的“大冰庫”。據推算，如果將這些冰塊全部融化流入大海，則會使海平面上升70米，這樣，全世界許多肥沃的沿海平原和著名大都市都會被淹沒。

現在，最新的科學正在向這個大陸的冰原發(fā)出挑戰(zhàn)，人類企圖從過去幾十萬年時間堆積起來的冰原中尋找地球的過去。

冰原形成的過程

在迄今大約1.5億年前，由于地殼運動，大陸開始分裂成若干塊，最終形成了現在的歐亞大陸、印度大陸、澳洲大陸以及南極大陸。

但是，當時的南極大陸并不像現在那樣完全被冰覆蓋。最新研究得知，在距今大約5000萬年前，這個大陸才開始進入冰期，到3000萬年前地表的大部分才被厚厚的冰覆蓋。這種被幾千米厚的冰層覆蓋的廣大地域稱為冰原，在地球上唯獨南極大陸與格陵蘭島才有。

另一方面，從剖面圖來看，南極大陸被南極橫斷山脈分為東側（東南極）與西側（西南極），而且東南極與西南極的地形或冰的狀態(tài)也不同。占整個大陸80%以上面積的東南極不但遼闊，而且冰原的平均厚度也在2600米以上，而西南極的冰層厚度平均約1800米。兩地的總冰量達3000萬立方千米。如果將這些冰全部堆積在日本列島，其高度將近達1020米。那么，這些冰到底是如何制成的呢？

現已明了，南極冰原的冰是在長達幾萬年、幾十萬年的歲月中堆積起來的雪的變態(tài)。原來每次降的雪均沒有融化而被堆積起來，下面的陳雪又被上面新的積雪壓碎，并壓縮成冰。所以，南極的冰不是由其大陸表面的水凍結而成，而是由雪壓成的。

但是，現在覆蓋在南極大陸的99%以上的冰，也并非是一成不變的。據從該大陸周邊挖出的海底堆積物來看，南極的冰在過去曾幾度反復擴大或縮小。據推測大約在2700萬年至2400萬年前之間冰量減少，廣闊的陸地露出，植物生長，其后冰原又擴大。如此反復幾次。特別是在300萬至250萬年前，冰原明顯地變小、分裂，海水深入到大陸的內部。這個情況顯示了地球上的冰期與問年期（間冰期）是以幾十萬至幾百萬年的周期交替出現的。此后，南極大陸又被冰原覆蓋，一直延續(xù)至今。

那么，南極的冰現在是正在融化還是在進一步增大呢？

科學家們調查了南極和格陵蘭的冰原后獲知，格陵蘭的冰原仍維持在同一水平，而南極大陸的冰原則稍有點生長。那么這是否說明地球正在逐漸寒冷化呢？顯然我們還不能輕易作出這樣的結論。因為如果大氣的溫度升高，海水的蒸發(fā)也會增大，與此同時，隨著大氣中水蒸汽增加，下雪量亦會增加，結果冰原反倒生長，即冰原的暫時增加也有可能是地球變暖造成的。

挖掘南極冰芯的熱潮

二十世紀中期以來，科學家熱衷于鉆探南極或格陵蘭島冰原來獲取其中所含的地球遠古時代的物質或大氣信息，以了解遠古時代地球的環(huán)境。當時英國、瑞典、挪威的聯(lián)合調查小組，在南極被稱為莫德哈姆陸棚冰的地方挖出約百米深的冰芯。

其后，美國科考隊在格陵蘭島的坎普森丘里進行鉆孔，1966年鉆到冰原底部的巖盤。這時，挖掘出的冰芯長約1400米，最下部的冰是距今12.5萬年前形成的。由此分析，可以準確了解距今最近的冰期及此前的溫暖期的地球氣候。這一成果是科學家意識到冰原鉆孔對了解地球過去的重要性。

不久，美國又將這項技術帶入南極大陸，并創(chuàng)造了冰原鉆孔深度的記錄。當時，在沃斯托克基地取出了深達2000米以上的冰芯，這個冰芯包含了地球過去16萬年的記錄。1990年前蘇聯(lián)又挖出長達2500米以上，包含了地球過去20萬年信息的冰芯。

順便指出，并不是在冰原任何地方都可以挖取含有準確信息的冰芯。因為冰原內部像一條非常緩慢流動的河，每年以大約68米的速度在流動。南極的冰原不是平坦的，而是像倒扣過來的湯盤，中心有山巔，周邊高度降低。離開中心的冰，在上面巨大的壓力下流向外側，所以唯有在中心的拱頂鉆孔所取出的冰芯，才能正確反映當時地球所處的年代。

20萬年地球史給人的啟示

現在，地球正在走向溫暖化還是再次回到冰川時代？地球大氣中的二氧化碳或其他成分正在減少還是在增加？總之人類對地球環(huán)境的現在與未來抱有很大的不安。

如果全球氣溫上升到一定程度，南極大陸的冰將全部融化，那么聚集了世界人口一半以上的城市幾乎都要被水淹沒。反之，如果寒冷化，那么像西伯利亞或阿拉斯加那樣的氣候就會擴大，自然農作物產量銳減，人類將被置身于凍死或饑餓的恐怖中。另一方面，動物或植物的分布也將發(fā)生巨大的變化。所以說地球環(huán)境變化對于人類生存將產生的后果不堪設想。

但是，眼下的議論究竟正確到何等程度亦尚未知曉。因為地球環(huán)境的變化是非常緩慢的，僅僅從其部分的變化來推測整個地球是不足取也是非常危險的。

自然界已將自身的記錄保存下來了，冰芯就是了解地球過去環(huán)境變化的最好記錄，所以冰原真可謂是“凍結的時代資料儲存器”。雪堆積起來時其內部包含著大量的大氣。這個大氣隨著雪逐漸被壓縮成冰時又被囚禁在其中，與外部的大氣完全隔離。每年下的雪又在此冰上堆積起來，最終冰進一步被壓縮構成冰層。而囚錮在冰中的大氣變成微小的氣泡，再也不能漏泄到外面。經過漫長的歲月，氣泡可稱為“大氣的化石”。因此，通過鉆孔將含有這種氣泡的冰取出研究，就可以知道有關當時地球環(huán)境的許多情況。

對我們而言，最感興趣的是地球過去的溫度變化。普通的氧（氧16）對其稀有同位素（例如氧18）在化合物中的比率會隨著溫度的變化而變化。因此，我們只要把氣泡中的氧16和氧18的比率測定出來，就能知道地球當時的溫度。據迄今研究所得，在距今1萬多年前的最后冰期，整個地球的氣溫比現在低5℃，在極地低10℃以上。

另外，從冰芯中也能推斷人類活動的情況。產業(yè)革命以后，地球大氣中二氧化碳與甲烷分別增加了25%和150%，直到20世紀五六十年代進行核試驗為止，南極的冰都正確地將人類活動的痕跡記錄了下來。

沉睡在南極大陸下的冰芯，為我們提供了地球過去的環(huán)境狀況，同時也蘊含著對地球未來的警示和啟迪。