摘要 冰芯是過去氣候環境變化信息的重要載體。文章著重闡述了三極(南極、北極和第三極)冰芯研究在 揭示過去氣候變化、大氣溫室氣體含量變化、太陽活動、火山活動及人類活動等方面所取得的成就，并說明 冰芯研究對相關環境政策制定(如含鉛汽油禁用政策、溫室氣體減排政策)的推動作用。建議國家盡快建立 冰芯檔案儲藏庫，以拯救冰芯資源，為后世科學研究與國家發展服務。

　　關鍵詞 冰芯記錄，三極環境，氣候變化，環境政策，人類活動，全球變暖

　　冰芯是從冰川上鉆取的圓柱狀雪冰樣品。取自冰 川積累區的冰芯，包含著過去逐年積累的降雪和干、 濕沉降物質，這些物質保存著其沉積時的氣候環境信 息。在 20 世紀 50—60 年代，丹麥 Dansgaard[1]通過對 降水穩定同位素的研究，發現極地地區降水中氧、氫 同位素比率(δ18O 和 δD)變化與溫度之間存在密切關 系;進而，他提出分析冰芯中氧、氫同位素比率變化 便可重建過去氣候變化的思想，從此拉開了冰芯氣候環境記錄研究的序幕[2]。

　　冰川是由固態降水(雪)長期積累、演變而成 的，在粒雪通過密實化轉變為冰川冰的過程中，粒雪 層中原先與大氣相通的空隙被封閉成為氣泡。因此， 冰芯中包裹的氣泡是古大氣的“活化石”。冰芯不但 記錄著過去氣候環境各種要素(如氣溫、降水、大氣 化學和環境微生物等)的變化，也記錄著影響氣候環 境變化各種因子(如太陽活動、火山活動和大氣溫室氣體含量等)的變化，同時還記錄著人類活動對環境 的影響。

　　因此，冰芯是研究過去氣候環境變化的極佳 介質。 冰芯研究從極地冰蓋開始，后來擴展到中低緯度 山地冰川地區，對全球變化研究作出了重要貢獻，極 大地推動了冰凍圈科學和全球變化科學的發展;同 時，冰芯研究可從歷史角度評價人類活動對環境的影 響，為相關環境政策的制定提供了重要科學基礎。

　　1 南極和北極冰芯記錄的過去氣候環境變化

　　自1966 年和 1968 年冰芯科學家分別在格陵蘭 冰蓋世紀營地(Camp Century)和南極冰蓋伯德站 (Bryd)首次鉆取透底冰芯以來，已在南極冰蓋上 鉆取了沃斯托克(Vostok)、冰穹 C(EPICA Dome C)、西南極分冰嶺(WAIS Divide)等冰芯，在格 陵蘭冰蓋上鉆取了戴伊-3(Dye 3)、格陵蘭冰蓋冰 芯計劃(GRIP 和 GISP 2)、格陵蘭北部冰芯計劃 (NGRIP 和 NEEM)等冰芯。通過對這些冰芯的研 究，已揭示出過去 80 萬年來地球氣候與大氣中溫室氣 體含量的變化，發現了在末次冰期時氣候變化存在明 顯的突變特征，且南極和北極氣候變化之間存在“蹺 蹺板”現象，同時重建了歷史時期的太陽活動變化和 火山噴發事件信息等。

　　1.1 軌道時間尺度的氣候環境變化

　　依據南極沃斯托克冰芯中 δ18O 和 δD 的記錄，重建 了 4 個完整冰期-間冰期旋回的氣候變化，并發現該冰 芯記錄的冰期-間冰期旋回的氣溫變化幅度達 12℃ 左 右[3]。南極冰穹 C 冰芯將氣候環境記錄追溯到 80 萬年 前。該冰芯記錄的近 80 萬年以來的氣溫、粉塵含量和 大氣溫室氣體含量(CO2、CH4 和 N2O)變化[4-8]，均 存在 10 萬年、4 萬年和 2.3 萬—1.9 萬年的變化周期， 其中 10 萬年周期為主導周期;同時，在軌道時間尺 度(冰期-間冰期時間尺度)上大氣氣溶膠含量、溫 室氣體含量與氣候變化之間密切相關[9]。

　　深海氧穩定同位素記錄表明，在距今 120 萬—80 萬年時，更新世 氣候變化由之前的以 4 萬年周期為主，轉變為之后的 以 10 萬年周期為主，此即中更新世氣候轉型。有關假 說認為，這一氣候轉型可能是由大氣中 CO2 含量降低 所造成的[10,11]。

　　對東南極艾倫(Allan)山藍冰區域冰 齡約 200 萬年的冰芯進行了研究，結果表明距今 80 萬 年之前的氣溫變化和大氣 CO2 濃度變化沒有超出距 今 80 萬年以來的變化范圍，但是距今 80 萬年之前的 冰期時氣溫和大氣 CO2 濃度較距今 80 萬年以來冰期 時的高[12]。這一研究結果不支持中更新世氣候轉型 的 CO2 降低假說，但卻說明中更新世氣候轉型之后的 冰盛期時冰蓋范圍較大且大氣 CO2濃度較低。

　　1.2 千年尺度的氣候變化

　　20 世紀 80 年代之前，人們普遍認為末次冰期時 氣候是相對穩定的。然而，通過對格陵蘭戴伊-3 冰 芯中 δ18O 高分辨率記錄的分析發現，末次冰期時氣 候存在多次突變事件[13]，即氣候在幾十年甚至更短 的時間內迅速變暖 5℃—10℃ 并進入間冰階，而在 隨后的幾百年至幾千年的時間里氣候逐漸變冷并進 入冰階。這一發現引起了古氣候學界的巨大震動。 Dansgaard 等[14]通過對格陵蘭冰芯記錄的深入研究， 發現距今 11.5 萬—1.4 萬年存在 24 次氣候突變事件， 即 D-O 事件(Dansgaard-Oeschger Events)。

　　基于不 同地區高分辨率的石筍、湖泊和海洋等沉積記錄， 表明 D-O 事件在北半球大的空間范圍內是廣泛存在 的。相關研究表明，D-O 事件的發生與北大西洋深層 水形成速率的變化有關[15]。對比南極和北極冰芯氣候 記錄，發現當格陵蘭冰芯中 D-O 事件處于暖位相時， 南極冰芯記錄的氣候狀況處于冷期，反之亦然，即末 次冰期時南極和北極氣候變化在千年時間尺度上存在 “蹺蹺板”現象[16]。

　　最近，利用全球大氣 CH4 濃度變 化的同步性，對南極冰芯和格陵蘭冰芯記錄的氣候變 化過程進行精確比較，發現格陵蘭地區 D-O 事件時的 突然變暖早于南極氣候開始變冷 218±92 年，格陵蘭氣候變冷早于南極氣候開始變暖 208±96 年[17]。這表明北 極地區的氣候突變信息，可通過海洋環流向南半球高 緯地區傳遞。

　　1.3 太陽活動變化

　　大氣中宇宙成因同位素(如 14C、10Be、36Cl 等) 含量的變化與太陽活動密切相關，分析沉積在冰芯 中這些同位素含量的變化就可以揭示過去太陽活動 的變化信息。基于格陵蘭冰芯中 10Be 濃度記錄，發現 大約在公元前 5600 年、5100 年、4200 年、3500 年、 2800 年、1900 年、700 年、300 年和公元 800 年、 1100 年、1700 年左右的太陽活動相對較弱[18]。最近， 依據南極和北極冰芯中的 10Be 濃度記錄，計算了全新 世時期太陽總輻射量的變化[19]。這為分析過去氣候變 化的原因提供了重要資料積累。

　　1.4 火山噴發事件

　　一般來說，低緯度火山噴發物質可以通過大氣環 流波及全球范圍，而中高緯度火山噴發物質的影響范 圍僅限于其所在的半球范圍內。但如果中高緯度的火 山噴發極為強烈，其噴發物質也可以通過平流層影響 到全球范圍。格陵蘭冰芯記錄表明[20]，過去 11 萬年來 火山噴發主要集中在 3 個時期，即距今 8.5 萬—7.9 萬 年、距今 3.6萬—2.7 萬年和距今 1.3 萬—0.7 萬年。

　　其 中，最后一個時期的火山活動較強，并與北半球冰蓋 消退、海平面上升期相一致。這一發現有力地支持了 陸地冰量變化及洋盆水量變化會導致火山活動增強的 理論。對南北兩極冰芯中近 2 000 年來火山事件記錄的 研究表明[21]，南極冰芯記錄了 133 次火山噴發事件， 格陵蘭冰芯記錄了 138 次火山噴發事件;其中，50 次 火山噴發事件在兩極冰芯中均有記錄，這些與熱帶地 區的火山噴發有關。最近，基于南北兩極冰芯記錄， 冰芯研究者建立了火山噴發事件數據庫，并據此重建 了近 2 000 多年來大氣氣溶膠光學厚度的變化 [22]。這 為認識火山噴發所引起的輻射強迫效應，以及評估歷 史時期火山噴發對氣候變化的影響提供了科學基礎。

　　1.5 極地冰芯微生物

　　冰芯中微生物研究可獲得古老微生物及微生物演 化的信息。目前，在冰芯中發現的微生物主要包括細 菌、病毒、藻類和真菌，其中細菌的數量最多。相關 研究表明[23,24]，不論是在南極冰芯中還是在北極冰芯 中，冷期時冰芯中微生物數量較多，這與冷期時大氣 中粉塵含量較高有關。

　　目前，在格陵蘭不同年代(距 今 14 萬—500 年前)的冰芯樣品中均發現了多種番茄 花葉病毒的 RNA[25]，在南極冰芯樣品中也發現了類似 病毒顆粒[26]。冰川內部的古老病毒是否會隨冰川的消 融而釋放并造成世界衛生和疾病防控問題，是值得深 入研究的重要課題。 2 第三極山地冰芯記錄的氣候環境變化 在冰芯科學研究之初，大家普遍認為中低緯度山地 冰川上較強烈的消融會使其粒雪層中各種氣候環境指標 的季節性變化信號受到嚴重影響，不適合于開展冰芯研 究。

　　20 世紀 70 年代中后期，美國 Thompson 等[27,28]對秘 魯熱帶奎爾卡亞(Quelccaya)冰帽開展了考察與冰芯 鉆取工作，結果發現其粒雪層中 δ18O 等參數具有顯著 的季節性變化信號，并以此建立了近 1 500 年的氣候變 化記錄。從此，在全球范圍內掀起了山地冰芯研究的 熱潮。

　　第三極地區是中低緯度山地冰川的主要分布區 域，該區域山地冰芯研究備受關注[29]。 我國冰芯研究開始于 20 世紀 80 年代中后期，并 已在第三極地區鉆取了敦德、古里雅、達索普、東絨 布、馬蘭、普若崗日、崇測、慕士塔格等大量冰芯; 同時，開展了第三極地區降水中 δ18O 氣候指示意義的 系統研究[30]，據此重建了第三極地區末次間冰期以來 的氣候環境變化過程。

　　3 冰芯中人類活動信息記錄對環境政策制定 的推動作用

　　從農業時代開始，人類從事冶煉、種植等活動時 的產物，以及工業化以來在化石燃料消耗、冶金生 產、各種化學化工生產、核試驗等活動后的產物，通 過大氣環流傳輸后，其中一部分會沉降到冰川表面， 并在冰芯中記錄在案。通過對冰芯中人類活動各種產 物含量與其自然環境背景含量的對比分析，可評估人 類活動對環境的影響程度，從而使冰芯研究成果服務 于相關環境政策的制定。

　　4 結語

　　冰芯科學的產生與發展源于學科交叉與分析技術的提高。認識冰芯科學研究與其他學科研究之間的交 叉點，是冰芯科學發展的突破口。提出影響人類健康 與發展的重大環境問題的冰芯解決方案，是冰芯科學 研究服務人類社會的價值所在。建立冰芯中痕量、超 痕量物質連續的、高分辨率的分析方法與技術，是提 取我們目前還沒有認識到的、更多的地球氣候環境變 化甚至宇宙環境變化信息與過程的關鍵。發展冰芯精 確的測年方法與技術，是我們準確理解氣候環境變化 過程、機制與原因的重要支撐。

　　這些是冰芯科學發展 的必由之路，也是冰芯科學研究為提高氣候環境變化 預測能力和促進人地關系協調發展服務的科學基礎。 冰芯是地球氣候環境變化的天然檔案庫。然而， 隨著全球氣候的進一步變暖，山地冰川會逐漸消亡， 極地冰蓋的消融也將呈增加趨勢。這意味著冰芯這 一天然檔案庫存在“融化消失”的極大風險。為了更好地認識我們所居住的地球環境的變化，拯救冰 芯是當務之急，而這一點西方國家走在了前面。早在1993 年，美國在科羅拉多州首府丹佛建立了美國 國家冰芯實驗室(National Ice Core Laboratory); 2018 年，該實驗室更名為美國國家科學基金會冰芯機 構(National Science Foundation Ice Core Facility)。

　　氣候論文范例：東北地區氣候變化對河流徑流量的影響

　　該機構是對取自全世界不同地區的冰芯進行保存與管理，鼓勵不同學科的科學家利用該機構的冰芯樣品開 展科學研究。2015 年，歐洲科學家發起了“冰存儲計 劃”(Ice Memory)，其目的是建立一個國際冰芯儲 存庫，將取自全球關鍵山地、亞極地和極地冰川的冰 芯儲存在溫度極低的南極地區，為未來的科學家提供 高質量的冰芯樣品以從事相關科學研究。 以青藏高原為主體的第三極是中低緯度冰川發育 最多的地區，加強南北兩極研究是我國現在和未來發 展的需要。在全球變暖加劇、冰川加速消亡的今天， 應盡快拯救冰芯資源，建立我國的冰芯檔案儲藏庫， 為國家發展及后世科學研究服務。

　　作者：姚檀棟1,2* 秦大河3 王寧練2,4,5 劉勇勤1,2 徐柏青1,2