解碼時間膠囊

蕭楚

冰芯與其他可以提取氣候信息變化的介質(zhì)相比，“性價比”更高。它在低溫下保存，不容易“失真”；分辨率也高，記錄的序列長達幾十萬年，信息量大，因此受到科學(xué)家的青睞。

我們常常感嘆時光匆匆，一去不復(fù)返。實際上，時間并非揮一揮衣袖，不帶走一片云彩。它帶走了歲月，卻也留下了痕跡。在自然界，氣候環(huán)境的歷史痕跡留下來了，它們印刻在冰芯、樹木年輪、石筍、湖泊沉積物、珊瑚沉積物、黃土、深海巖芯等上面。

研究冰芯就可以揭秘氣候變化的歷史嗎？答案是肯定的。在南極、北極和青藏高原等地，分布著厚厚的冰層，那里藏著冷凍的時間膠囊，時間膠囊中還存有很多重大的歷史事件?？茖W(xué)家們?yōu)榱俗屵@些冰封的檔案重見天日，就去鉆取冰芯，來了解全球環(huán)境的變化。不久前，中國科學(xué)院青藏高原研究所所長姚檀棟院士通過冰芯的鉆取和分析、冰川變化的觀測、遙感圖像分析等手段，證實如今是近2000生來氣候最暖時期，同時全球變暖是青藏高原冰川退縮和區(qū)域變化的重要原因，為政府間氣候變化合作組織對全球變暖的評估提供了重要證據(jù)。姚檀棟院士也因此獲得了2017年維加獎。維加獎又被何方神圣？姚檀棟院士研究的冰芯和氣候之間又有什么關(guān)系呢？讓我們一起來了解一下。

知識小鏈接

什么是維加獎？

維加獎創(chuàng)立于1881年，為紀(jì)念地理學(xué)家阿道夫·艾瑞克·諾登舍爾德在1878-1880年間首次完成環(huán)繞歐亞大陸的歷史性航行而設(shè)立。維加獎含金量十足，由瑞典人類學(xué)與地理學(xué)會每三年在世界范圍內(nèi)的地學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家中選出一名獲獎?wù)?。姚檀棟院士是首位獲得該獎的中國科學(xué)家，也是獲此殊榮的首位亞洲科學(xué)家。

吹盡風(fēng)雪始到“芯”

冰芯在我們的生活中并不常見，要找到它們，就得去到遙遠的南北極或青藏高原，在那里分布著許多冰川和冰蓋。冰芯就藏在冰川和冰蓋里面，在冰川或冰蓋中心（積累時間長）鉆取的柱狀樣本，就是冰芯了，它們是時間冷凍的膠囊，可以幫助科學(xué)家重現(xiàn)過去的氣候。

冰芯的采集并不容易。淺層的冰芯用鉆探就能鉆取，但是深層的冰芯，就要用大型鉆冰設(shè)備來獲取了，鉆取之后，要格外注意，冰芯如果被潤滑油、灰塵等污染，就白費功夫了。

深層冰芯鉆取、取樣過程

1.鉆取冰芯前要先找到合適的地點挖雪坑，搭棚架鉆

2.冰川表層的雪不夠密，要將雪坑挖到一定的深度，再用冰芯鉆鉆取冰芯

3.冰芯鉆探成功

4.小心地將冰芯取出，注意不要被污染

5.按照一定長度截取并記錄信息，仔細包裝，將冰芯裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的冰樣袋中封存

6.冰芯的記錄一定要非常仔細，要按照樣品編號，準(zhǔn)確記錄長度、頭部和尾部，防止頭尾顛倒

冰芯和樹輪一樣，也是層次分明，一層一層的。它的冰層始于雪層堆積，每一層雪的化學(xué)成分和質(zhì)地都不一樣，夏季雪和冬季雪也不相同。隨著時間的推移，上層的雪重力壓縮下層的雪，形成了冰。每一層冰對應(yīng)1年和當(dāng)年季節(jié)，頂部的冰層年代最新，而底層的冰層年代最老。

打開古氣候變化的“新鑰匙”

通過冰芯的記錄，科學(xué)家們能夠確定過去的大氣成分和變化，下雪時的氣候是什么樣子，以及冰川、冰蓋大小的變化和過去氣候條件的改變。冰芯提供了氣候和冰川運動的信息，記錄時間長、精度高，能精確到以年為單位。冰川學(xué)家通過了解氣候是如何變遷以及氣候為什么會變遷，便能提高對未來氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性。

冰芯研究之所以成為氣候研究的熱點和突破點，就不得不提到冰芯所蘊含的豐富的氣候歷史信息。冰雪是由大氣中的液態(tài)水形成的，水作為自然界最常見溶質(zhì)，包含各種化學(xué)元素。各年份的降雪形成連續(xù)冰川冰層，構(gòu)成了地球環(huán)境的化學(xué)元素歷史記錄，這些記錄能夠分析出當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臍v史溫度、火山活動、太陽活動和環(huán)境突變事件等信息。那么，冰芯是怎么成為歷史氣候的“見證者”的呢？

冰芯氣泡：古氣候的“見證者”

當(dāng)?shù)氐臍v史溫度可以用冰芯氣泡中氣體的成分及含量來測定。那么，冰芯中的氣泡是怎么形成的呢？原來，降雪在下落到地面的過程中會裹挾大氣中的微粒、花粉以及生物殘體等。這些在冰川中最后保留下來的物質(zhì)能夠反映出歷史時期火山活動、生物種類和數(shù)量變化等環(huán)境信息。此外，冰川冰由泡沫狀雪粒形成，在形成過程中，雪粒中的空氣被擠壓形成了一個個小氣泡保存下來。這些氣泡如同一顆顆珍貴的時間膠囊，儲存了形成年份的大氣信息，包括大氣各氣體比例、二氧化碳和甲烷等溫室氣體含量等。冰芯中氣泡的發(fā)現(xiàn)，打開了全球氣候變化研究的大門。通過對冰芯中這些精準(zhǔn)信息的分析和匯總，我們能夠更清晰地了解氣候環(huán)境演變的歷史，以及溫室氣體變化對全球氣溫的影響。

冰芯中氣泡的發(fā)現(xiàn)還有一段有趣的故事，頗具傳奇色彩。19世紀(jì)末，人類開始了對極地的探索，在20世紀(jì)中期格陵蘭島上冰蓋的科研營地，科研人員鉆取了冰蓋內(nèi)的冰芯，最初是用于對于極地氣溫和環(huán)境的研究。當(dāng)時一些鉆取的冰芯在測量溫度后沒什么用，被他們切成一小段，挖開做成杯狀來裝酒喝。晶瑩剔透的冰杯裝上美酒，賞心悅目。一位科學(xué)家在品酒時由于“冰芯酒杯”透鏡效應(yīng)發(fā)現(xiàn)冰芯之中有許多小氣泡，當(dāng)時腦中靈光閃現(xiàn)，發(fā)覺氣泡是儲存古氣候的時間膠囊。冰芯中氣泡的發(fā)現(xiàn)，打開了古氣候研究的一扇大門。

知識擴展

除了冰芯，還有什么能夠還原歷史氣候真面目？

除了冰芯，樹木年輪、石筍、湖泊沉積物、珊瑚沉積物、黃土、深海巖芯等都是歷史氣候的“見證者”。其中，樹木年輪最為常見，也是我們較為熟悉的“見證者”。

樹木的年輪告訴我們的遠遠不止樹木的年齡。春天，樹木生長，緊挨著樹皮里的細胞開始分裂，分裂后的細胞大而壁薄，顏色淺，就是早期木；秋天，樹木就進入緩慢生長期，樹木細胞生長緩慢，細胞壁增厚，體積縮小，顏色變深，就是晚期木。上一個生長季的深色晚期木和下一個季節(jié)淺色的晚期木之間存在著明顯的明暗界線。從橫斷面來看，這些界線形成了一個同心圓圓環(huán)，這就是樹木一年所形成的年輪。

年輪的變化與氣溫、氣壓、降水量有一定的關(guān)系。如果一年中陽光充足、風(fēng)調(diào)雨順，年輪較寬；如果情況正好相反，一年中溫度低、雨量少、氣候惡劣，則年輪較窄。

旅行的時候，樹樁上的年輪還能夠幫助我們辨別方向呢。樹干朝南的一側(cè)因為陽光充足，所以年輪較寬；朝北的一側(cè)剛好相反，年輪較窄。

在之前發(fā)生過什么地質(zhì)災(zāi)害，樹輪也會記載下來。地震造成地面移動傾斜后，年輪上會留下樹干為了筆直生長所作出努力的痕跡。根系橫越斷層或者位于斷層面附近，由于樹木生長受到阻礙，該年形成的年輪就比較小。

古代動物留下的骨骼、碳化的植物等，都是古代氣候的記錄者。比如說竹鼠，這本是一種亞熱帶動物，但考古學(xué)家在西安發(fā)現(xiàn)了它們的遺跡，說明那時西安的氣候比現(xiàn)在溫暖潮濕。時光匆匆，卻也給我們留下無數(shù)痕跡，剩下的還有待同學(xué)們?nèi)グl(fā)掘！