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青藏高原冰芯:无字的环境密码
添加时间:2015-2-5  作者:中国科学院青藏高原研究所 文 田立德 摄影  来源:中国科普博览  点击:2134  
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  导语:人类用文字记录历史,地球则将历史写进大自然——树木的年轮、黄土的沉积、岩石的圈层……其中,冰芯是地球历史最重要、最客观的书写者之一。早在人类出现之前,它们就将地球环境变迁的信息,封存于剔透的内心。2015年1月9日,2014年度国家科技奖励大会在北京举行。中国科学院青藏高原研究所等科研单位开展的“青藏高原冰芯高分辨率气候环境记录研究”荣获2014年度国家自然科学奖二等奖。

  揭开全球变化之谜的“新钥匙”
  南极地区和北极地区是冰芯研究最早的地区,在气候变化研究中起领先作用。但是,仅仅依靠南北极冰芯来解释全球气候环境变化是不够的,只有对不同纬度、不同区域过去气候环境变化进行详细研究,才能揭示过去全球变化的总貌。
   青藏高原的冰芯研究虽然起步较晚,始于80年代中期,但在短短的几十年间已取得了长足的进展,引起了国内外地学界的极大反响。到目前为止,已从祁连山敦德冰帽、西昆仑山古里雅冰帽、希夏邦马峰抗物热冰川和唐古拉山冬克玛底冰川、慕士塔格冰川、普若岗日冰原等钻取了多支深孔和浅孔冰芯,通过对冰芯的分析与研究获得了一些重要成果。

唐古拉山冰川 田立德(摄)

  通过研究青藏高原冰芯中多种代用指标与气候环境变化的关系,重建并分析了过去10多万年以来不同时间尺度的高分辨率气候环境记录,发现在全球变化影响下,青藏高原比其它地区更敏感、温度变化幅度更大、更具有地区差异性。

  冰芯,顾名思义,就是钻取自冰川内部的芯。冰芯形成由于气温低,积雪不融化,每年的积雪形成一层层沉积物,年复一年,从底部往上逐渐形成一层层的冰层,越向上年代越新。冬季气温低,雪粒细而紧密;夏季气温高,雪粒粗而疏松;因而,冬夏季积雪形成的冰层之间具有显著的层理结构差异,宛如树木的年轮一样。
  
  与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等可提取过去气候环境变化信息的介质相比,冰芯具有保真性强(低温环境)、包含的信息量大,而且分辨率高、时间尺度长的特点,堪称“无字的环境密码档案库”。冰芯研究通过从冰川(包括冰盖和冰帽及其他类型的冰川)中钻取冰样,破解冰芯环境密码,检测过去气候与环境变化、监测现代气候与环境变化、预测未来气候与环境变化。

  冰芯中的环境密码

  冰芯不仅记录着过去气候环境自然变化的信息,而且记录着过去人类活动对于气候环境的影响,因而在过去全球变化研究中具有重要的地位。

   具体地说,冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标;冰芯净积累量是降水量的指标;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;宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据;冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的变化,可以提供不同时期的大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息;冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息,等等。

  不仅如此,通过冰芯的研究,科学家们可以对不同时期的生物地球化学循环、火山活动、宇宙事件、超新星爆炸、生物活动与植被演化等展开更为精确具体的研究。这些重大成果不但极大地丰富了气候与环境变化的研究内容,更革新了人类关于地球系统演化及其重要机制的一些观点。

  一片“冰心”在高原

  冰川研究离不开野外工作,高原反应让人心慌气短、头痛欲裂,野外考察走得四肢发软、满脚水泡,荒郊露营处处鼠鸟虫蚁、土石沙砾。特别是在海拔超过6000米的青藏高原冰川上,热水是烧不开的,米饭是蒸不透的,鸡蛋是煮不熟的,最低气温低于零下40摄氏度,氧气只有海平面的40%左右......甚至一点简单的思考,都会有沉重的头疼和巨大的压力让你难以承受。寒风刺骨,冰天雪地,每一步都似乎要用尽全身力气,每一秒都似乎难以为继,每一刻却又丝毫不敢懈怠随意,一个滑倒,就有可能摔下陡峭的冰崖,一个趔趄,就有可能掉进几十米深的冰缝。施雅风院士曾经有言,冰川事业是豪迈的事业,是勇敢者的事业。在青藏高原高海拔地区开展野外科学研究不仅是对科学高峰的攀登,也是对一个人体力、智慧、胆识、意志的全面考验,是对人类生命极限的挑战。

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