冰芯被稱(chēng)為“無(wú)字的環(huán)境密碼檔案庫(kù)”。近日，我國(guó)科研人員利用自主設(shè)計(jì)的冰芯熱鉆系統(tǒng)和湖芯重力鉆系統(tǒng)，首次獲得喀喇昆侖山脈境外的深冰芯和湖芯樣本。這些冰芯和湖芯樣本可用于重建泛第三極地區(qū)的氣候環(huán)境變化歷史。

那么，冰芯和湖芯到底如何生成的?它們有哪些記錄環(huán)境變化的指標(biāo)?冰芯和湖芯測(cè)定出的數(shù)據(jù)，有什么現(xiàn)實(shí)意義?就以上問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。

氣候環(huán)境的無(wú)字“檔案庫(kù)”

實(shí)際上，所謂的冰芯就是用鉆探設(shè)備在冰川內(nèi)部打出來(lái)的圓柱狀冰體。在高原高寒處，降雪一年年堆積，而這些雪在一定的海拔高度或極地地區(qū)基本不會(huì)消融，會(huì)逐漸形成冰川。在長(zhǎng)達(dá)幾千年甚至百萬(wàn)年的日積月累中，降雪層層累積，年復(fù)一年，從底部往上就會(huì)逐漸形成不同的冰層，這些冰層從底部向上年代越來(lái)越新。

研究人員告訴記者，一般而言，冬季氣溫較低，形成的雪粒特點(diǎn)是細(xì)而緊密;而夏季氣溫偏高，形成的雪粒呈現(xiàn)粗而疏松的狀態(tài)。因此，冬夏季積雪形成的冰層之間會(huì)出現(xiàn)明顯的層理結(jié)構(gòu)差異。

由此，研究人員從冰川中取出的這根“冰棍”，承載著幾千甚至百萬(wàn)年氣候環(huán)境變化留下的“史料”。它不僅記錄著過(guò)去氣候環(huán)境自然變化的信息，還記錄著過(guò)去人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于氣候環(huán)境的影響。“冰芯里的冰形成于哪一年的降雪，就記錄了哪一年的環(huán)境信息，因此研究冰芯就像讀歷史書(shū)一樣，從底部到頂部，從老到新，我們可以把整個(gè)氣候環(huán)境變化的歷史恢復(fù)出來(lái)。”中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所研究員徐柏青告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

與冰芯類(lèi)似的是，湖芯也是研究人員鉆取而出的圓柱體，不同的是，湖芯來(lái)自湖泊沉積物，是從氣體或水體中自然沉降到湖底并堆積起來(lái)的物質(zhì)，各個(gè)年代的沉積物一層層累積，其中的一些化學(xué)或生物指標(biāo)可以反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境和氣候條件。“與大尺度的環(huán)境變化記錄者冰芯相比，湖芯是區(qū)域氣候環(huán)境變遷以及人類(lèi)活動(dòng)歷史等的忠實(shí)記錄者。”徐柏青說(shuō)。

鉆取和保存方式各不相同

鉆取冰芯并不是一件容易的事情。在冰川中獲取冰芯，需要用一套特殊的鉆探系統(tǒng)，比如機(jī)械鉆或熱鉆。在鉆取之前，科考隊(duì)一般會(huì)對(duì)目標(biāo)冰川進(jìn)行考察，包括地質(zhì)地貌、冰層厚度、冰下地形等。在冰川的中部或下部鉆取冰芯可能會(huì)碰到消融區(qū)或流動(dòng)的冰川，受到的干擾因素較多。“一般都在冰川的頂部、地勢(shì)比較平坦的地方進(jìn)行鉆探，這樣可以保證冰層信息的完整性以及連續(xù)性。”徐柏青說(shuō)。

此外，研究人員還介紹，為了保證打上來(lái)的冰芯不會(huì)融化，所以冰芯都要在夜里打。根據(jù)實(shí)際的地形條件，科研人員還要選擇不同的鉆，例如熱鉆靠熱環(huán)往下融，便于打深，但要通電，陡峭的冰川沒(méi)法帶發(fā)電機(jī)上去;而冷鉆又分為機(jī)械鉆和重錘鉆等，使用的時(shí)候要根據(jù)冰層的硬度和厚度等因素進(jìn)行選取。

鉆取湖芯的過(guò)程則更加考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和耐心。科考隊(duì)員們將取樣管觸到湖底后，通過(guò)重力作用使沉積物樣本進(jìn)入管中，再將取樣管提起。如果取樣器觸到沉積物表面時(shí)角度出現(xiàn)偏差，那取得的沉積物就不能真實(shí)反映年代氣候。同時(shí)，取樣量也要恰到好處，如果取樣管下沉過(guò)淺，就可能取不到樣本，如果下沉過(guò)深，取樣管中的樣本就可能被嚴(yán)重?cái)D壓導(dǎo)致變形。

冰芯和湖芯被鉆探出來(lái)后，為保證順序和層次不亂，需要進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)示出每一段冰芯和湖芯的上下順序;為防止污染，還要進(jìn)行嚴(yán)格的封裝。

對(duì)于冰芯和湖芯保存，兩者也存在較大差別。“冰芯必須在冷凍環(huán)境下進(jìn)行保存，冷庫(kù)的溫度一般為零下25℃;但是湖芯是不能冷凍的，湖芯一旦冷凍，它的結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化，一般會(huì)把鉆取的湖芯放在4℃—7℃的環(huán)境下保存。”徐柏青說(shuō)。

記錄環(huán)境變化的指標(biāo)有所區(qū)別

在徐柏青看來(lái)，可以把冰芯記錄環(huán)境變化的指標(biāo)分成三大類(lèi)。

“第一類(lèi)就是冰本身攜帶的信息，也就是在‘水分子’上做文章。”徐柏青說(shuō)，水分子由氫和氧兩種元素組成，測(cè)量冰芯中的氫、氧同位素的比率可以推算過(guò)去的環(huán)境溫度高低，冰芯的積累速率可以顯示出降水量大小的變化。

高原上的冰來(lái)源于降水，在降水的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生同位素分流的現(xiàn)象，相對(duì)重的同位素容易隨降水落下，而相對(duì)輕的同位素則更容易形成氣體。“這個(gè)分流過(guò)程與溫度有很大的關(guān)系，我們通過(guò)同位素的測(cè)定，就可以分析出當(dāng)時(shí)大氣的溫度。”徐柏青說(shuō)。

此外，冰本身的結(jié)構(gòu)、晶體大小及其排列都與它形成時(shí)的環(huán)境有很大關(guān)系，能夠反映出冰川形成的動(dòng)力特征與過(guò)程。

第二類(lèi)指標(biāo)則是冰芯中含有的各類(lèi)物質(zhì)。通過(guò)分析冰芯的組成物質(zhì)，如水和所含礦物，可以恢復(fù)歷史時(shí)期的一些重要的環(huán)境事件。比如，通過(guò)冰里粉塵含量的多少，就可以推斷出當(dāng)時(shí)沙塵暴活動(dòng)的強(qiáng)度。中科院青藏高原研究所游超博士就曾發(fā)現(xiàn)，根據(jù)冰芯里檢測(cè)到的左旋葡聚糖含量變化，可以推斷自1990年以來(lái)，亞熱帶亞洲地區(qū)生物質(zhì)燃燒呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

此外，由于高原上的冰是由雪逐漸積壓而成，雪降落的時(shí)候，顆粒之間有間隙，在雪壓實(shí)成冰的過(guò)程中，也就把間隙中的氣泡封存起來(lái)了。這些氣泡是冰初形成時(shí)的地球大氣，蘊(yùn)含了關(guān)于過(guò)去的無(wú)窮訊息。通過(guò)研究冰芯氣泡中的氣體成分和含量，可以揭示大氣成分的演化歷史，如二氧化碳、甲烷等溫室氣體的歷史變化過(guò)程等。

“與冰芯相比，湖芯記錄環(huán)境變化的指標(biāo)則相對(duì)單一。”徐柏青說(shuō)，湖芯的主要檢測(cè)對(duì)象是其含有的各類(lèi)物質(zhì)，沉積物的成分不同，反映的環(huán)境變化信息也不一樣。例如，曾有科研人員通過(guò)珠穆朗瑪峰南部地區(qū)湖芯中硫含量的增加，揭示出硫同位素的變化主要是由粉塵來(lái)源的氣溶膠增加和氣候變暖相關(guān)的地表風(fēng)化剝蝕加強(qiáng)所致，對(duì)認(rèn)識(shí)喜馬拉雅高山脈高海拔氣候和生態(tài)敏感區(qū)的環(huán)境變化特征發(fā)揮了很大作用。(記者 陸成寬)

關(guān)鍵詞： 冰芯 湖芯