冰穹A有望钻取最古老冰芯：隐藏气候变化密码

2005年中国南极科考队在南极大陆钻取的冰芯。　(资料图片)

昆仑站冰芯房作业。 金昶摄

　　新闻背景

　　新年之前，从远在万里之外的我国第29次南极昆仑站考察队传来好消息：在考察队的艰苦努力下，在南极冰盖最高点冰穹A上实施的首支深冰芯钻探，完成了第一支冰芯样品的钻取，总长度3.83米。虽然这个长度只是我们最终目标的千分之一多，但却是我国深冰芯钻探零的突破，是我国南极冰盖科学研究的又一个里程碑。

　　冰芯中包含几十万年的气候变化密码

　　南极大陆98%的面积被冰雪常年覆盖，降水主要以固态的雪为主。降雪在日照、自身重力和后来降雪的压力的作用下，一层层堆积下来，逐渐变成冰。最后，经过漫长的历史演化，形成了如今的南极冰盖。

　　而这冰盖中就隐藏着气候变化的“密码”。比如，净积累速率就是降水量大小的指标。

　　雪堆积起来时其内部包含着大量的大气。这个大气随着雪逐渐被压缩成冰时又被囚禁在其中，变成微小的气泡，再也不能漏泄到外面。通过钻孔将含有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。

　　比如，普通的氧(氧16)对其稀有同位素(例如氧18)在化合物中的比率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的比率测定出来，就能知道地球当时的温度。

　　而气泡中的成分及其含量，是揭示大气成分演化历史的钥匙。温室气体含量近200年突然升高这一事实，就是从冰芯中首先分析得出的。

　　而冰芯的另一个指标——宇宙成因的同位素，则为科学家们提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的最有力的证据。英国《新科学家》杂志曾发布报道，日本科学家研究发现，南极的冰芯中甚至还包含了1000年前爆炸的超新星遗迹，在天文界引起了轰动。

　　寻找超过120万年深冰芯具有特殊意义

　　南极冰盖的深冰芯钻探和研究已经有了长达半个多世纪的历程，钻取了包括冰穹F、冰穹C、毛德皇后地和东方站等地的多支深冰芯，恢复了地球过去80万年来的气候记录，彻底革新了我们对地球系统的认识，成为气候和生物地球化学研究的基础。例如，通过深冰芯记录，发现地球气候在过去80万年里经历了8个以10万年为主导的冰期-间冰期旋回，并且过去80万年里地球温室气体和气候变化间存在惊人的一致性。

　　不过，新的科学问题随即浮出水面：地球气候自3400万年以来一直存在的以4万年为主导周期的变化，为什么在中更新世(约100万年前后)发生了转型，过渡到了以10万年为主导的周期？以4万年为主导周期的冰期－间冰期旋回究竟是什么样的过程？

　　为此，国际上，在深冰芯科学方面具有代表性的国际冰芯科学委员会(IPICS)，确定了近年来深冰芯钻探和研究的一个重要目标，就是致力于在南极冰盖深处寻找并钻取一支年代长度可以超过120万年、甚至达到150万年的深冰芯，因为以4万年为主导周期的气候旋回的最近记录是在距今130万至120万年前之间。

　　冰穹A冰盖形成环境“得天独厚”

　　一支时间尺度至少要达到过去120万年的深冰芯，其钻孔位置需要满足以下条件：尽可能大的冰盖厚度、尽可能低的雪积累率、尽量小的冰盖内部变形和底部扰动、良好的气候环境以及冰盖底部消融非常弱，甚至不存在消融。形象点说，就是我们要找到一本页数最多的书，这就要求这本书要很厚，每页纸要很薄，而且要求书的纸页从头到尾要没有折叠变形，也没有缺页，另外，每页纸在印刷的过程中要有很干净的环境，书的最后几页没有因为保存时间太久而发霉或被抹掉。

　　这样，类似于南极冰盖已有的深冰芯——东方站、冰穹C和冰穹F三支深冰芯，新的深冰芯钻取的最佳位置仍然集中在东南极冰盖内陆冰穹或分冰岭区域。

　　面对广袤的东南极冰盖，科学家最终将目光汇集到了冰穹A区域。冰穹A是南极冰盖的最高点，号称“不可接近之极”。研究表明，南极冰盖的形成始于约3400万年前，当时地球的温度大幅降温，而冰穹A正是南极冰盖的起源地之一。在约1400万年前，东南极冰盖达到了目前的规模，而冰穹A作为东南极冰盖的核心，此后保持了相对的稳定。

　　经过近几年来中国科学家的调查，冰穹A的年平均温度是南极最低的，为零下54摄氏度。冰穹A区域雪积累率在所有冰穹中最少。通过深冰雷达探测，冰穹A区域冰盖最厚超过了3000米，内部层保存完好。模式研究的结果显示，冰盖底部以冻结状态为主。综合以上的种种条件和优势，冰穹A被认为是最有可能获得地球上最古老冰芯的位置，我国的深冰芯钻探也备受国际同行的关注。

　　冰芯钻探仍然面临重重困难

　　在冰穹A实施深冰芯钻探，面临的是各种已知和未知的困难，是一项挑战人类极限的工作。

　　首先是高原反应。冰穹A海拔4093米，氧气含量非常低，高原特征明显，给科学家在这一区域的考察工作带来了诸多不便，甚至是危险。在短短几年里，已经有两位考察队员先后因为高原反应而不得不被国外的飞机紧急送走，几乎丧命。

　　其次是严寒。考察队在冰穹A工作期间，温度基本在零下35摄氏度左右，而深冰芯钻探室由于位于雪面以下，温度更是接近零下50摄氏度。

　　此外，与中山站约1230公里的距离障碍，在南极几乎是不可逾越的，使得物资补给和救援都极其艰难。

　　而短暂的工作窗口更增加了工作的难度。考察队每年在冰穹A从事深冰芯钻探的时间只有20天左右，之后，冰穹A的气候将急转直下，考察队也不得不迅速撤离。

　　作为中国在南极的首支深冰芯钻探，我们缺乏相关的技术人才和从事相关工作的经验。世界上其他国家在东方站和冰穹F的深冰芯钻探，都历经了许多波折，东方站的深冰芯甚至先后钻孔达到5个。因此，我们必须为深冰芯钻探做最困难的准备。

　　延伸阅读

　　冰穹A深冰芯

　　钻探历程

　　1996年，中国开展了首次从中山站往冰穹A的考察，总共约1230公里的路程，仅向内陆挺进了300公里便不得不返回了。之后，我国又分别开展了几次内陆考察，但直到2004年的第21次南极科学考察期间，中国南极内陆考察队才成功登顶冰穹A，成为世界上从陆地抵达冰穹A的唯一一个国家。

　　中国一次次义无反顾地冲击冰穹A，主要的目的仍然是瞄准了这一区域重要的科学价值。登顶冰穹A后，考察队在冰穹A区域开展了包括冰川学、雷达冰川学、气象和测绘等多个学科的综合考察，首次确定了冰穹A最高点的准确位置和海拔(4093米)，在世界南极冰盖科学研究上留下了深深的足印。

　　中国第24次南极考察期间，内陆冰盖考察队再一次登顶冰穹A，在21次考察的基础上，天文学、遥感和医学等学科也加入进来，更加深入广泛地开展了多学科的考察，产出了包括一篇《自然》杂志文章在内的重要研究成果，同时，也为我国首个南极内陆考察站——昆仑站的建站选址和深冰芯钻孔选址提供了科学依据。

　　2009年的中国第25次南极科学考察期间，昆仑站在冰穹A区域建成，深冰芯钻探也随之展开，包括冰芯钻探现场工作间的建设、深冰芯钻机的研制和国内冰芯样品存储、分析实验室的建设。

　　2011年，我国在南极昆仑站钻取了冰盖浅层120米的表层雪芯，安装了深冰芯钻探导向孔，完成了深冰芯钻探的最后一项准备工作。

　　2012年，第29次南极科学考察期间，将深冰芯钻机运至昆仑站，并实施深冰芯钻探。

　　(作者崔祥斌 为中国极地研究中心助理研究员)