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冰芯气候环境记录研究:从科学到政策

 2020-09-27 15:59  来源:杂志社网 

关键词:文史论文


  【摘要 】冰芯是过去气候环境变化信息的重要载体。文章着重阐述了三极(南极、北极和第三极)冰芯研究在 揭示过去气候变化、大气温室气体含量变化、太阳活动、火山活动及人类活动等方面所取得的成就,并说明 冰芯研究对相关环境政策制定(如含铅汽油禁用政策、温室气体减排政策)的推动作用。建议国家尽快建立 冰芯档案储藏库,以拯救冰芯资源,为后世科学研究与国家发展服务。



  冰芯是从冰川上钻取的圆柱状雪冰样品。取自冰 川积累区的冰芯,包含着过去逐年积累的降雪和干、 湿沉降物质,这些物质保存着其沉积时的气候环境信 息。在 20 世纪 50—60 年代,丹麦 Dansgaard[1]通过对 降水稳定同位素的研究,发现极地地区降水中氧、氢 同位素比率(δ18O 和 δD)变化与温度之间存在密切关 系;进而,他提出分析冰芯中氧、氢同位素比率变化 便可重建过去气候变化的思想,从此拉开了冰芯气候环境记录研究的序幕[2]。


  冰川是由固态降水(雪)长期积累、演变而成 的,在粒雪通过密实化转变为冰川冰的过程中,粒雪 层中原先与大气相通的空隙被封闭成为气泡。因此, 冰芯中包裹的气泡是古大气的“活化石”。冰芯不但 记录着过去气候环境各种要素(如气温、降水、大气 化学和环境微生物等)的变化,也记录着影响气候环 境变化各种因子(如太阳活动、火山活动和大气温室气体含量等)的变化,同时还记录着人类活动对环境 的影响。


  因此,冰芯是研究过去气候环境变化的极佳 介质。 冰芯研究从极地冰盖开始,后来扩展到中低纬度 山地冰川地区,对全球变化研究作出了重要贡献,极 大地推动了冰冻圈科学和全球变化科学的发展;同 时,冰芯研究可从历史角度评价人类活动对环境的影 响,为相关环境政策的制定提供了重要科学基础。


  1、 南极和北极冰芯记录的过去气候环境变化


  自1966 年和 1968 年冰芯科学家分别在格陵兰 冰盖世纪营地(Camp Century)和南极冰盖伯德站 (Bryd)首次钻取透底冰芯以来,已在南极冰盖上 钻取了沃斯托克(Vostok)、冰穹 C(EPICA Dome C)、西南极分冰岭(WAIS Divide)等冰芯,在格 陵兰冰盖上钻取了戴伊-3(Dye 3)、格陵兰冰盖冰 芯计划(GRIP 和 GISP 2)、格陵兰北部冰芯计划 (NGRIP 和 NEEM)等冰芯。通过对这些冰芯的研 究,已揭示出过去 80 万年来地球气候与大气中温室气 体含量的变化,发现了在末次冰期时气候变化存在明 显的突变特征,且南极和北极气候变化之间存在“跷 跷板”现象,同时重建了历史时期的太阳活动变化和 火山喷发事件信息等。


  1.1 轨道时间尺度的气候环境变化


  依据南极沃斯托克冰芯中 δ18O 和 δD 的记录,重建 了 4 个完整冰期-间冰期旋回的气候变化,并发现该冰 芯记录的冰期-间冰期旋回的气温变化幅度达 12℃ 左 右[3]。南极冰穹 C 冰芯将气候环境记录追溯到 80 万年 前。该冰芯记录的近 80 万年以来的气温、粉尘含量和 大气温室气体含量(CO2、CH4 和 N2O)变化[4-8],均 存在 10 万年、4 万年和 2.3 万—1.9 万年的变化周期, 其中 10 万年周期为主导周期;同时,在轨道时间尺 度(冰期-间冰期时间尺度)上大气气溶胶含量、温 室气体含量与气候变化之间密切相关[9]。


  深海氧稳定同位素记录表明,在距今 120 万—80 万年时,更新世 气候变化由之前的以 4 万年周期为主,转变为之后的 以 10 万年周期为主,此即中更新世气候转型。有关假 说认为,这一气候转型可能是由大气中 CO2 含量降低 所造成的[10,11]。


  对东南极艾伦(Allan)山蓝冰区域冰 龄约 200 万年的冰芯进行了研究,结果表明距今 80 万 年之前的气温变化和大气 CO2 浓度变化没有超出距 今 80 万年以来的变化范围,但是距今 80 万年之前的 冰期时气温和大气 CO2 浓度较距今 80 万年以来冰期 时的高[12]。这一研究结果不支持中更新世气候转型 的 CO2 降低假说,但却说明中更新世气候转型之后的 冰盛期时冰盖范围较大且大气 CO2浓度较低。


  1.2 千年尺度的气候变化


  20 世纪 80 年代之前,人们普遍认为末次冰期时 气候是相对稳定的。然而,通过对格陵兰戴伊-3 冰 芯中 δ18O 高分辨率记录的分析发现,末次冰期时气 候存在多次突变事件[13],即气候在几十年甚至更短 的时间内迅速变暖 5℃—10℃ 并进入间冰阶,而在 随后的几百年至几千年的时间里气候逐渐变冷并进 入冰阶。这一发现引起了古气候学界的巨大震动。 Dansgaard 等[14]通过对格陵兰冰芯记录的深入研究, 发现距今 11.5 万—1.4 万年存在 24 次气候突变事件, 即 D-O 事件(Dansgaard-Oeschger Events)。


  基于不 同地区高分辨率的石笋、湖泊和海洋等沉积记录, 表明 D-O 事件在北半球大的空间范围内是广泛存在 的。相关研究表明,D-O 事件的发生与北大西洋深层 水形成速率的变化有关[15]。对比南极和北极冰芯气候 记录,发现当格陵兰冰芯中 D-O 事件处于暖位相时, 南极冰芯记录的气候状况处于冷期,反之亦然,即末 次冰期时南极和北极气候变化在千年时间尺度上存在 “跷跷板”现象[16]。


  最近,利用全球大气 CH4 浓度变 化的同步性,对南极冰芯和格陵兰冰芯记录的气候变 化过程进行精确比较,发现格陵兰地区 D-O 事件时的 突然变暖早于南极气候开始变冷 218±92 年,格陵兰气候变冷早于南极气候开始变暖 208±96 年[17]。这表明北 极地区的气候突变信息,可通过海洋环流向南半球高 纬地区传递。


  1.3 太阳活动变化


  大气中宇宙成因同位素(如 14C、10Be、36Cl 等) 含量的变化与太阳活动密切相关,分析沉积在冰芯 中这些同位素含量的变化就可以揭示过去太阳活动 的变化信息。基于格陵兰冰芯中 10Be 浓度记录,发现 大约在公元前 5600 年、5100 年、4200 年、3500 年、 2800 年、1900 年、700 年、300 年和公元 800 年、 1100 年、1700 年左右的太阳活动相对较弱[18]。最近, 依据南极和北极冰芯中的 10Be 浓度记录,计算了全新 世时期太阳总辐射量的变化[19]。这为分析过去气候变 化的原因提供了重要资料积累。


  1.4 火山喷发事件


  一般来说,低纬度火山喷发物质可以通过大气环 流波及全球范围,而中高纬度火山喷发物质的影响范 围仅限于其所在的半球范围内。但如果中高纬度的火 山喷发极为强烈,其喷发物质也可以通过平流层影响 到全球范围。格陵兰冰芯记录表明[20],过去 11 万年来 火山喷发主要集中在 3 个时期,即距今 8.5 万—7.9 万 年、距今 3.6万—2.7 万年和距今 1.3 万—0.7 万年。


  其 中,最后一个时期的火山活动较强,并与北半球冰盖 消退、海平面上升期相一致。这一发现有力地支持了 陆地冰量变化及洋盆水量变化会导致火山活动增强的 理论。对南北两极冰芯中近 2 000 年来火山事件记录的 研究表明[21],南极冰芯记录了 133 次火山喷发事件, 格陵兰冰芯记录了 138 次火山喷发事件;其中,50 次 火山喷发事件在两极冰芯中均有记录,这些与热带地 区的火山喷发有关。最近,基于南北两极冰芯记录, 冰芯研究者建立了火山喷发事件数据库,并据此重建 了近 2 000 多年来大气气溶胶光学厚度的变化 [22]。这 为认识火山喷发所引起的辐射强迫效应,以及评估历 史时期火山喷发对气候变化的影响提供了科学基础。


  1.5 极地冰芯微生物


  冰芯中微生物研究可获得古老微生物及微生物演 化的信息。目前,在冰芯中发现的微生物主要包括细 菌、病毒、藻类和真菌,其中细菌的数量最多。相关 研究表明[23,24],不论是在南极冰芯中还是在北极冰芯 中,冷期时冰芯中微生物数量较多,这与冷期时大气 中粉尘含量较高有关。


  目前,在格陵兰不同年代(距 今 14 万—500 年前)的冰芯样品中均发现了多种番茄 花叶病毒的 RNA[25],在南极冰芯样品中也发现了类似 病毒颗粒[26]。冰川内部的古老病毒是否会随冰川的消 融而释放并造成世界卫生和疾病防控问题,是值得深 入研究的重要课题。


   2 、第三极山地冰芯记录的气候环境变化


   在冰芯科学研究之初,大家普遍认为中低纬度山地 冰川上较强烈的消融会使其粒雪层中各种气候环境指标 的季节性变化信号受到严重影响,不适合于开展冰芯研 究。


  20 世纪 70 年代中后期,美国 Thompson 等[27,28]对秘 鲁热带奎尔卡亚(Quelccaya)冰帽开展了考察与冰芯 钻取工作,结果发现其粒雪层中 δ18O 等参数具有显著 的季节性变化信号,并以此建立了近 1 500 年的气候变 化记录。从此,在全球范围内掀起了山地冰芯研究的 热潮。


  第三极地区是中低纬度山地冰川的主要分布区 域,该区域山地冰芯研究备受关注[29]。 我国冰芯研究开始于 20 世纪 80 年代中后期,并 已在第三极地区钻取了敦德、古里雅、达索普、东绒 布、马兰、普若岗日、崇测、慕士塔格等大量冰芯; 同时,开展了第三极地区降水中 δ18O 气候指示意义的 系统研究[30],据此重建了第三极地区末次间冰期以来 的气候环境变化过程。


  3 、冰芯中人类活动信息记录对环境政策制定 的推动作用


  从农业时代开始,人类从事冶炼、种植等活动时 的产物,以及工业化以来在化石燃料消耗、冶金生 产、各种化学化工生产、核试验等活动后的产物,通 过大气环流传输后,其中一部分会沉降到冰川表面, 并在冰芯中记录在案。通过对冰芯中人类活动各种产 物含量与其自然环境背景含量的对比分析,可评估人 类活动对环境的影响程度,从而使冰芯研究成果服务 于相关环境政策的制定。


  4 、结语


  冰芯科学的产生与发展源于学科交叉与分析技术的提高。认识冰芯科学研究与其他学科研究之间的交 叉点,是冰芯科学发展的突破口。提出影响人类健康 与发展的重大环境问题的冰芯解决方案,是冰芯科学 研究服务人类社会的价值所在。建立冰芯中痕量、超 痕量物质连续的、高分辨率的分析方法与技术,是提 取我们目前还没有认识到的、更多的地球气候环境变 化甚至宇宙环境变化信息与过程的关键。发展冰芯精 确的测年方法与技术,是我们准确理解气候环境变化 过程、机制与原因的重要支撑。


  这些是冰芯科学发展 的必由之路,也是冰芯科学研究为提高气候环境变化 预测能力和促进人地关系协调发展服务的科学基础。 冰芯是地球气候环境变化的天然档案库。然而, 随着全球气候的进一步变暖,山地冰川会逐渐消亡, 极地冰盖的消融也将呈增加趋势。这意味着冰芯这 一天然档案库存在“融化消失”的极大风险。为了更好地认识我们所居住的地球环境的变化,拯救冰 芯是当务之急,而这一点西方国家走在了前面。早在1993 年,美国在科罗拉多州首府丹佛建立了美国 国家冰芯实验室(National Ice Core Laboratory); 2018 年,该实验室更名为美国国家科学基金会冰芯机 构(National Science Foundation Ice Core Facility)。


  气候论文范例:东北地区气候变化对河流径流量的影响


  该机构是对取自全世界不同地区的冰芯进行保存与管理,鼓励不同学科的科学家利用该机构的冰芯样品开 展科学研究。2015 年,欧洲科学家发起了“冰存储计 划”(Ice Memory),其目的是建立一个国际冰芯储 存库,将取自全球关键山地、亚极地和极地冰川的冰 芯储存在温度极低的南极地区,为未来的科学家提供 高质量的冰芯样品以从事相关科学研究。 以青藏高原为主体的第三极是中低纬度冰川发育 最多的地区,加强南北两极研究是我国现在和未来发 展的需要。在全球变暖加剧、冰川加速消亡的今天, 应尽快拯救冰芯资源,建立我国的冰芯档案储藏库, 为国家发展及后世科学研究服务。


  作者:姚檀栋1,2* 秦大河3 王宁练2,4,5 刘勇勤1,2 徐柏青1,2


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