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同为“无字天书” 冰芯凝气候历史 湖芯藏环境档案

2020-06-30 科技日报 陆成宽
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科考队钻取的冰芯样品 受访单位供图

  冰芯被称为“无字的环境密码档案库”。近日,我国科研人员利用自主设计的冰芯热钻系统和湖芯重力钻系统,首次获得喀喇昆仑山脉境外的深冰芯和湖芯样本。这些冰芯和湖芯样本可用于重建泛第三极地区的气候环境变化历史。

  那么,冰芯和湖芯到底如何生成的?它们有哪些记录环境变化的指标?冰芯和湖芯测定出的数据,有什么现实意义?就以上问题,科技日报记者采访了相关专家。

  气候环境的无字“档案库”

  实际上,所谓的冰芯就是用钻探设备在冰川内部打出来的圆柱状冰体。在高原高寒处,降雪一年年堆积,而这些雪在一定的海拔高度或极地地区基本不会消融,会逐渐形成冰川。在长达几千年甚至百万年的日积月累中,降雪层层累积,年复一年,从底部往上就会逐渐形成不同的冰层,这些冰层从底部向上年代越来越新。

  研究人员告诉记者,一般而言,冬季气温较低,形成的雪粒特点是细而紧密;而夏季气温偏高,形成的雪粒呈现粗而疏松的状态。因此,冬夏季积雪形成的冰层之间会出现明显的层理结构差异。

  由此,研究人员从冰川中取出的这根“冰棍”,承载着几千甚至百万年气候环境变化留下的“史料”。它不仅记录着过去气候环境自然变化的信息,还记录着过去人类活动对于气候环境的影响。“冰芯里的冰形成于哪一年的降雪,就记录了哪一年的环境信息,因此研究冰芯就像读历史书一样,从底部到顶部,从老到新,我们可以把整个气候环境变化的历史恢复出来。”中国科学院青藏高原研究所研究员徐柏青告诉科技日报记者。

  与冰芯类似的是,湖芯也是研究人员钻取而出的圆柱体,不同的是,湖芯来自湖泊沉积物,是从气体或水体中自然沉降到湖底并堆积起来的物质,各个年代的沉积物一层层累积,其中的一些化学或生物指标可以反映当时的沉积环境和气候条件。“与大尺度的环境变化记录者冰芯相比,湖芯是区域气候环境变迁以及人类活动历史等的忠实记录者。”徐柏青说。

  钻取和保存方式各不相同

  钻取冰芯并不是一件容易的事情。在冰川中获取冰芯,需要用一套特殊的钻探系统,比如机械钻或热钻。在钻取之前,科考队一般会对目标冰川进行考察,包括地质地貌、冰层厚度、冰下地形等。在冰川的中部或下部钻取冰芯可能会碰到消融区或流动的冰川,受到的干扰因素较多。“一般都在冰川的顶部、地势比较平坦的地方进行钻探,这样可以保证冰层信息的完整性以及连续性。”徐柏青说。

  此外,研究人员还介绍,为了保证打上来的冰芯不会融化,所以冰芯都要在夜里打。根据实际的地形条件,科研人员还要选择不同的钻,例如热钻靠热环往下融,便于打深,但要通电,陡峭的冰川没法带发电机上去;而冷钻又分为机械钻和重锤钻等,使用的时候要根据冰层的硬度和厚度等因素进行选取。

  钻取湖芯的过程则更加考验经验和耐心。科考队员们将取样管触到湖底后,通过重力作用使沉积物样本进入管中,再将取样管提起。如果取样器触到沉积物表面时角度出现偏差,那取得的沉积物就不能真实反映年代气候。同时,取样量也要恰到好处,如果取样管下沉过浅,就可能取不到样本,如果下沉过深,取样管中的样本就可能被严重挤压导致变形。

  冰芯和湖芯被钻探出来后,为保证顺序和层次不乱,需要进行编号,标示出每一段冰芯和湖芯的上下顺序;为防止污染,还要进行严格的封装。

  对于冰芯和湖芯保存,两者也存在较大差别。“冰芯必须在冷冻环境下进行保存,冷库的温度一般为零下25℃;但是湖芯是不能冷冻的,湖芯一旦冷冻,它的结构就会发生变化,一般会把钻取的湖芯放在4℃—7℃的环境下保存。”徐柏青说。

  记录环境变化的指标有所区别

  在徐柏青看来,可以把冰芯记录环境变化的指标分成三大类。

  “第一类就是冰本身携带的信息,也就是在‘水分子’上做文章。”徐柏青说,水分子由氢和氧两种元素组成,测量冰芯中的氢、氧同位素的比率可以推算过去的环境温度高低,冰芯的积累速率可以显示出降水量大小的变化。

  高原上的冰来源于降水,在降水的过程中,会发生同位素分流的现象,相对重的同位素容易随降水落下,而相对轻的同位素则更容易形成气体。“这个分流过程与温度有很大的关系,我们通过同位素的测定,就可以分析出当时大气的温度。”徐柏青说。

  此外,冰本身的结构、晶体大小及其排列都与它形成时的环境有很大关系,能够反映出冰川形成的动力特征与过程。

  第二类指标则是冰芯中含有的各类物质。通过分析冰芯的组成物质,如水和所含矿物,可以恢复历史时期的一些重要的环境事件。比如,通过冰里粉尘含量的多少,就可以推断出当时沙尘暴活动的强度。中科院青藏高原研究所游超博士就曾发现,根据冰芯里检测到的左旋葡聚糖含量变化,可以推断自1990年以来,亚热带亚洲地区生物质燃烧呈增强趋势。

  此外,由于高原上的冰是由雪逐渐积压而成,雪降落的时候,颗粒之间有间隙,在雪压实成冰的过程中,也就把间隙中的气泡封存起来了。这些气泡是冰初形成时的地球大气,蕴含了关于过去的无穷讯息。通过研究冰芯气泡中的气体成分和含量,可以揭示大气成分的演化历史,如二氧化碳、甲烷等温室气体的历史变化过程等。

  “与冰芯相比,湖芯记录环境变化的指标则相对单一。”徐柏青说,湖芯的主要检测对象是其含有的各类物质,沉积物的成分不同,反映的环境变化信息也不一样。例如,曾有科研人员通过珠穆朗玛峰南部地区湖芯中硫含量的增加,揭示出硫同位素的变化主要是由粉尘来源的气溶胶增加和气候变暖相关的地表风化剥蚀加强所致,对认识喜马拉雅高山脉高海拔气候和生态敏感区的环境变化特征发挥了很大作用。

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  用“芯”揭开第三极气候异常之谜

  作为世界第三极,青藏高原的环境系统非常复杂。徐柏青表示,从境外喀喇昆仑山脉获得的深冰芯和湖芯样本,将有助于揭示该地区环境形成与变化的过程。第三极的北部和南部受到的影响因素不同,北部主要受西风系统影响,而南部喜马拉雅一带受印度季风、东亚季风等季风系统影响比较明显。在不同的区域开展冰芯和湖芯研究,反映出西风系统和季风系统不同的强弱特征。

  “境外喀喇昆仑区域这个地方既不同于青藏高原北部,也不同于南部喜马拉雅一带,上世纪90年代中期以来,该区域气候发生了重大变化,最突出的表现是降水量大幅增加。在第三极冰川总体加速退缩背景下,该区冰川相对稳定,甚至部分冰川前进。我们把这一现象称为喀喇昆仑异常。”徐柏青强调。

  至于该区域气候异常的原因,目前有多种解释。“我们在境外喀喇昆仑地区钻取的冰芯、湖芯样品,就是想搞清楚西风系统和季风系统相互作用的影响以及当地的局部气候系统有着什么样的特征。”徐柏青说。

  已有的研究表明,当前以青藏高原为主体的第三极升温速率是全球平均增温率的两倍。“这么快速的变暖,可能会引起一系列连锁反应,这对人类的生存环境是一大考验。”徐柏青说,此时对第三极开展冰芯和湖芯研究,具有很强的现实意义。

打印 责任编辑:侯茜

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