南极冰芯：地球过去的缩影

2015-03-16吴再丰

大自然探索 2015年8期

吴再丰

冰雪大陆

南极洲位于地球的最南端，是一片冰天雪地的世界。它的面积有1400多万平方千米，约占世界陆地面积的9.4%，比欧洲和大洋洲总面积还大。南极的四周是浩瀚的太平洋、大西洋和印度洋。它远离地球上其他大陆，即使距离最近的南美洲，遥遥相望也有960千米。另外，无论从历史上哪个时代来看，这里都是地球上唯一无人居住的地方，是名副其实与外部隔绝的世界。

南极大陆如此特殊，是因为这里严酷的自然条件。首先，这块大陆的气温比北极还低，是地球上最寒冷的地方。在其内陆部分，年平均气温为-50℃，最高气温也不过-10℃。1983年，苏联的沃斯托克基地记录下了堪称世界最低气温的-89.2℃。其次，这里是地球上风暴最多、风速最大的区域。尤其是在阿德尔区域，几乎终年刮着凛冽的风暴，一般风力都在10级以上，最大风速可近每秒100米。怒吼的风暴常常卷起漫天的冰雪。磨蚀着冰原上的山峰，形成许多有趣的风蚀地貌。如果在这里放上一根生锈的铁链，那么用不了两天就会被风刮得锃亮。

这样恶劣的自然条件决定了南极大陆的地貌与其他大陆完全不同。例如，南极大陆的平均海拔大约为2300多米，冠地球上其他大陆之首。即使与名列第二的亚洲大陆（平均海拔900米）相比，也要高出1400米。南极的高海拔几乎不是由岩盘形成的，而是基于冰被（冰被又称大陆冰川、大陆冰流，冰盾等。指面积很大、冰层很厚、不受地形限制，覆盖着整个岛屿或大陆的巨大冰体）。在有的地方，冰被厚度甚至超过了海拔高度，据测量，迄今为止最大的冰被厚度为4267米。

南极大陆集中了地球90%左右的冰量，成为名不虚传的大“冰库”。据推算，如果这些冰块全部融化流入大海，则将使海平面上升70米。这样，全世界许多肥沃的沿海平原和像上海、纽约那样著名的大城市都会被淹没。现在，科学家们正试图从大“冰库”中寻找地球的过去。

冰原形成的过程

在迄今约1亿年前，地球地壳开始分裂成若干块，最终出现了现在的亚欧大陆、非洲大陆、北美大陆、南美大陆，南极大陆和澳大利亚大陆。

当时的南极大陆并不像现在这样完全被冰雪覆盖。最新研究可知，在距今大约5000万年前，这个大陆才开始进入冰期。到3000万年前，地表的大部分才被厚厚的冰层覆盖。这种被几千米厚的冰层覆盖的广大地域称为冰原，在地球上唯有南极大陆与格陵兰岛才有。

南极大陆被南极横断山脉分为东（东南极）西（西南极）两侧，东南极与西南极的地形和冰的状态截然不同。占整个大陆80%以上面积的东南极的冰层厚度平均约1800米，西南极的冰量相对要少一些，但两地的总冰量达3000万立方千米。如此大量的冰到底是如何形成的呢？

其实，如今覆盖在南极大陆99%以上的冰，都并非一成不变的。据从该大陆周边挖出的海底沉积物来看，南极的冰原在过去曾几度反复扩大或缩小。据推测，大约在2700万～2400万年前，南极冰量萎缩，露出广阔的陆地。其后，冰原明显变小分裂，海水深入到大陆内部。这一情况显示了地球上的冰期与间冰期（温暖期）是以几十万年至几百万年的周期交替出现的。此后，南极大陆又被冰原覆盖，一直延续至今。

那么，南极的冰现在是正在融化还是进一步增大呢？科学家们调查了南极和格陵兰岛的冰原后获知，格陵兰岛的冰原仍维持在同一水平，但是南极大陆的冰原稍有一点生长。那么是否说明地球正在逐渐变冷呢？显然，我们还不能轻易作出这样的结论。因为如果大气温度升高，海水的蒸发量也会增大，与此同时，随着大气层中水蒸气的增加，下雪量亦会增加，结果冰原反倒生长，即冰原的暂时增加也有可能是全球变暖造成的。所以，真正的原因还有待科学家进一步的调查。

挖掘南极冰芯的热潮

前些年，科学家们热衷于钻取在南极或格陵兰岛冰原深处埋藏的冰，通过钻取的冰芯研究其中所含物质以及大气信息，以了解远古时地球的环境。这项工作最早始于20世纪50年代，当时英国、瑞士、挪威的联合科考队在南极的哈姆纳冰原岛峰钻探出了世界第一根约100米长的冰芯。1988年，美国在格陵兰岛进行钻孔，这次钻探直达冰原底部的岩盘，钻出的冰芯长约1400米，最底部的冰形成于距今12万5千年前。南极大陆冰盖是由积雪本身的重量长年挤压而成，称作重力冰。在南极地区，由于气温低，积雪不融化，每年的积雪形成一层层沉积物，年“覆”一年，从底部至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，犹如树干的年轮。不过，用这种直观的方法只可辨认约90米厚的冰层（代表近500年的冰沉积）。原则上，可以根据各年冰层厚度来确定当年降水量。其条件是，必须选取风速很小地区的冰芯资料才能排除风吹雪的影响。如在南极内陆区域，由于风速小，冰芯资料最理想。从对理想长冰芯的分析，可以正确地了解到距今最近的冰期及在此冰期之前的温暖期的地球的气候。这一成果，使科学家意识到冰原钻孔对了解地球过去的重要性。

不久，美国又将这一项长冰芯技术带入南极大陆，在帕特基地钻探到深约2200米的冰原底部，创造了当时冰原钻孔的世界纪录。其后，苏联的科学家也向冰原钻孔发起挑战，在沃斯托克基地取出深达2000米以上的长冰芯，这根长冰芯包含了地球过去16万年的记录。1990年，苏联科学家又钻探出长达2500米、相当于地球过去20万年的长冰芯。

顺便指出，冰芯并不是在冰原的任何地方都可以钻取的。因为冰原的内部就像一条流动非常缓慢的河流，每年以大约68米的速度在流动。南极的冰原也并不平坦，像是倒扣过来的汤碗似的，中心有冰巅，周边位置低。由于中心外围的冰层会在上面的巨压下流向外侧，所以，南极周边的冰芯并不可用。所以，唯有找到中心的拱顶，在其上钻孔，取出的冰芯才能正确反映当时地球所在的年代。

20万年地球史给人的启示

地球是正在变暖还是将再次回到冰川时代呢？地球大气中的二氧化碳或其他成分是正在增加还是减少呢？如今，人类对地球环境现在与未来的状况抱有很大的不安。如果地球持续变暖，南极大陆的冰将全部融化，则居住了世界大半人口的沿海大城市几乎都会被淹没。反之，如果地球持续变寒，全球都会像西伯利亚或阿拉斯加那样终年寒风凛冽，全球农作物的产量将会锐减，人类将被置身于冻死或饥饿的黑暗岁月中。另一方面，动植物的分布也将发生巨大的变化。所以说，地球环境的变化对人类的生存将产生巨大的影响。

但是，眼下作结论还为时过早。因为，地球环境的变化是一个非常缓慢的过程，仅仅以其部分的变化来推测整个地球气候走向是不严谨的。要对整个地球的环境变化作出明确的回答，显然，目前的科学数据还不够充分。

为了预测地球的将来，就要了解地球的过去，自然界已将自身的记录保存了下来，问题是保存在哪里？事实上，地层、化石、树木的年轮均载满了记录。另外，南极的冰芯也是了解地球过去环境变化的最好记录之一，难怪学者们称冰原是“冻结的时代资料储存器”。

众所周知，雪堆积起来时，其内部包含大量的气体。这些气体随着雪逐渐被压缩成冰时，被“囚禁”在其中，与外部的大气完全隔离。每年下的雪又在此冰上堆积起来，最终冰进一步被压缩成冰层。而“囚禁”在冰中的气体变成微小的气泡，再也不能漏泄到外面。经过漫长的岁月，这些气泡可称是“大气的化石”。因此，通过钻孔将含这种气泡的冰取出研究，就可以知道有关当时地球环境的许多情况，例如气温和湿度、火山活动、太阳活动、大气的成分、植物的生长情况，以及森林火灾等。

对我们来说，最感兴趣的是地球过去的温度变化。原来最普通的氧（氧16）对其稀有同位素（氧18）在化合物中的比例会随着温度的变化而变化。因此，只要把气泡中的氧16和氧18的比例测定出来，就可以知道地球当时的温度。研究表明，在距今1万多年前的最后冰期，整个地球的气温比现在低5℃，在极地比现在低10℃以上。

冰芯还能推断人类活动的情况。产业革命以后，地球大气中二氧化碳与甲烷分别增加了25%和15%。直到20世纪50～60年代进行核试验为止，南极的冰都正确地将人类活动的痕迹记录了下来。

尽管调查过去的目的是为了知道未来，但是人类对地球环境的影响只是产业革命以后才加剧的，所以，人类活动对地球环境产生的污染会引起地球什么样的变化是无法从过去类推的。