冰芯凝结气候历史湖芯环境档案 也是“无字天书”

照片由科学研究小组钻探的冰芯样本提供

冰芯被称为“无文字环境密码档案”。最近，中国研究人员首次利用自行设计的冰芯热钻井系统和湖芯重力钻井系统获得了喀喇昆仑山外的深冰芯和湖芯样品。这些冰芯和湖芯样品可用于重建世界地区的气候和环境变化历史。

那么，冰核和湖核是如何形成的呢？他们有什么指标来记录环境变化？冰芯和湖芯测量数据的实际意义是什么？就上述问题，《科技日报》记者采访了相关专家。

气候环境的无字“档案库”

事实上，所谓的冰芯是由冰川内部的钻孔设备钻出的圆柱形冰体。降雪在高原的高山地区年复一年地积累，但是在一定的高度或极地地区不会融化，并且会逐渐形成冰川。在几千年甚至几百万年的时间里，雪一层一层地堆积起来，不同的冰层一年一年地从底部到顶部逐渐形成。这些冰层从下到上越来越新。

研究人员告诉记者，总的来说，冬天的温度很低，形成的雪粒具有细密的特点；夏天，气温偏高，形成的雪粒又厚又松。因此，冬季和夏季由雪形成的冰层之间的层理结构会有明显的差异。

因此，研究人员从冰川中取出的“冰棒”携带了几千年甚至几百万年来气候和环境变化留下的“历史数据”。它不仅记录了过去气候和环境的自然变化信息，还记录了过去人类活动对气候和环境的影响。“冰芯中的雪是哪一年形成的，哪一年的环境信息被记录下来。因此，研究冰核就像读一本历史书。从下到上，从旧到新，我们可以把整个气候和环境。变革的历史已经恢复。”中国科学院青藏高原研究所研究员徐告诉记者。

与冰芯相似，湖芯也是研究人员钻出的圆柱体。不同的是，湖芯来自湖泊沉积物，这些沉积物从气体或水自然沉淀到湖底并积累。不同时代的沉积物层层堆积，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。“与大规模环境变化记录冰芯相比，湖芯是区域气候和环境变化以及人类活动历史的忠实记录者。”许对说道。

钻取和保存方式各不相同

钻冰芯不是一件容易的事。需要一种特殊的钻孔系统，如机械钻孔或热钻孔，来获取冰川中的冰芯。在钻探之前，探险队通常会调查目标冰川，包括地质特征、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遇到融化区或流动的冰川，并且有许多干扰因素。“钻探通常在冰川顶部和地势相对平坦的地方进行，以确保冰信息的完整性和连续性。”许对说道。

此外，研究人员还介绍说，为了确保击中的冰芯不会融化，冰芯应该在晚上击中。根据实际地形条件，研究人员还应该选择不同的钻机。例如，热钻被热环熔化，这便于深钻，但要通电，陡峭的冰川不能带来发电机；冷钻可分为机械钻和重锤钻，应根据冰层的硬度和厚度等因素进行选择。

钻湖岩心的过程更考验经验和耐心。探险队成员将采样管接触到湖底后，沉积物样本通过重力进入采样管，然后采样管被提起。如果取样器接触沉积物表面的角度发生偏离，所获得的沉积物就不能真实地反映年代气候。同时，取样量

冰芯和湖芯钻出后，为了保证顺序和层次不混乱，需要对它们进行编号，标出每段冰芯和湖芯的上下顺序；为了防止污染，需要严格的包装。

对于冰芯和湖芯的保存，它们之间也有很大的差异。“冰芯必须储存在冰冻的环境中，冷藏的温度一般为零下25摄氏度；然而，湖心不会结冰。一旦湖心被冻结，它的结构就会改变。一般来说，钻取的湖心将储存在4摄氏度至7摄氏度之间。”许柏青说。

记录环境变化的指标有所区别

在许看来，记录环境变化的冰芯指标可分为三类。

“第一类是冰本身携带的信息，即对‘水分子’大惊小怪。”许柏青说水分子由两种元素组成：氢和氧。测量冰芯中氢氧同位素的比值可以计算过去的环境温度，冰芯的积累速率可以反映降水的变化。

高原上的冰来自降水。在降水过程中，同位素将发生转移。相对较重的同位素容易随降水而下降，而相对较轻的同位素更容易形成气体。“这种分流过程与温度有很大关系。我们可以通过测量同位素来分析当时的大气温度。”许对说道。

此外，冰本身的结构、晶体大小和排列与冰形成时的环境密切相关，能够反映冰川形成的动态特征和过程。

第二个指标是冰芯中包含的各种物质。通过分析冰核的成分，如水和矿物质，可以恢复历史时期的一些重要环境事件。例如，通过冰中的灰尘量，我们可以推断出当时沙尘暴活动的强度。中国科学院青藏高原研究所博士游超曾发现，根据冰芯中检测到的L-葡聚糖含量的变化，可以推断，自1990年以来，亚热带亚洲的生物量燃烧一直在增加。

此外，由于高原上的冰是由雪逐渐积累起来的，当雪落下时，颗粒之间会有空隙，并且在雪压实成冰的过程中，空隙中的气泡会被密封起来。这些气泡是冰最初形成时的地球大气，包含了关于过去的无限信息。通过研究冰核气泡中的气体成分和含量，可以揭示大气成分的演化历史，如二氧化碳和甲烷等温室气体的历史变化过程。

"与冰芯相比，记录湖芯环境变化的指标相对简单。"许说，湖泊岩心的主要检测对象是其中所含的各种物质。沉积物的不同成分反映了不同的环境变化信息。例如，一些研究人员发现，硫同位素的变化主要是由于珠穆朗玛峰南部地区湖芯硫含量的增加，导致沙尘气溶胶的增加和与气候变暖相关的地表风化剥蚀的加剧，这对了解喜马拉雅山高海拔气候和生态敏感地区的环境变化特征起到了很大的作用。