9102年了，古气候学家们是怎么玩冰的？

印象中的高山之巅，总是白雪皑皑，不管是冬天还是夏天，仿佛永远不变。然而其实在高山上是存在一个界线（雪线）的，界线以上年降雪量大于年消融量，消融不完的降雪逐年覆盖，就形成了一层一层的高山冰盖或冰川。

高山之所以越往上越寒冷，是由于随着海拔的增高可获得的地面辐射的能量越来越少。而地球之所以越往两极越冷，是由于随着纬度增大可获得的太阳辐射的能量越来越少。与高山一般，在夏季获得的能量不足以消融冬天的积雪时，降雪便同样逐年覆盖，形成冰盖或冰川。

这是一个讲究高级的时代。我对高级地玩冰块的最初印象，是小学的某本课本上因纽特人的冰屋。这个密不透风的冰屋将屋外凛冽的寒风隔绝在外，让我对生活在北极圈内外的这个民族的智慧充满了崇敬之情。

动图来自《爱斯基摩人的冰屋》

然而其实降雪成冰的过程，也可以形成与世隔绝的小屋。当降雪到达地面时，受自重和地面辐射能量影响，发生压实，由雪花变成粒雪，并逐步变成粒冰，再变成冰。

其间融化的水在沿空隙流入底部并重新结冰的过程中，将当时留存于粒冰间隙的空气隔绝囚禁在块状冰中，形成一个又一个的“小屋”，当时的空气、空气中的温室气体、降尘等等全部被囚禁其中，我们称之为气泡。随着气泡被挤压得越来越小，冰的透明度也越来越高，从“白冰”慢慢变成了“蓝冰”。这些冰一层一层堆积，便将空气中的秘密一年一年地留在了冰川中。

现代冰川主要分布于南北两极和中国的西部，其中南极和格陵兰冰盖占到了全球冰川总面积的97%、总冰量的99%。

若说因纽特人玩冰玩出了承载温暖生活的小屋，那么科学家们则把冰芯研究慢慢玩成了古气候学的三大支柱之一。所谓冰芯就是指以打钻方式从冰川内部取得的芯。

Ernst Sorge在格陵兰岛挖出的15米深坑，将科学家们的好奇心引向了冰盖内部。历经7个月的研究，Sorge得出：在降雪量稳定且积雪不融化的情况下，冰盖下某一深处的密度是不变的（H.Bader,1954）。

在此后的五十多年间，古气候学家们在南极、格陵兰岛和中低纬度的山地打了许许多多的冰芯，并渐渐将冰中的稳定同位素，气泡中的空气与年龄的变化做出了非常瞩目的研究结果。尤其是南极的Vostok冰芯（一直将钻探深入岛了冰盖底部的Vostok湖，包含了40万年的气候记录）和Dome C（80万年）冰芯。Dome C冰芯是2010年以前含有最长时间记录的冰芯。

冰芯钻取的具体历史请移步我们之前的两篇文章：

《冰芯——封存的过去与蕴含的未来》

《他们用了几十年，终于知道了二氧化碳几十万年的变化》

时间还在飞快地向前走，古气候家们还在继续寻找和钻探更长年代的冰芯以及更好的冰芯（最近，欧盟提供资金的一个项目，希望在2024年得到百万年长度的冰芯），以发现新的科学事实或证实古气候中的诸多假说。

那么2019年啦，

古气候学家们在玩什么呢？

先插播一个小知识

在270万年的尺度内，地球接收的太阳能量主要随着地球绕行太阳轨道的偏心率、岁差、斜率各自10万年、2.3万年、4万年的周期变化而进行变化。

那么再来看看一条重要的曲线

(Lisiecki and Raymo 2005)

这条曲线在古气候学中鼎鼎大名，称为LR04（本文仅截取了其中一段），LR04是2005年Lisieckiand和Raymo在PALEOCEANOGRAPHY杂志上发表的一篇全球57个深海钻孔的集成记录（深海记录是古气候学三大支柱的另外一个支柱，除冰芯和深海记录以外，还包括黄土记录）。其中，纵轴所示的δ18O可以表征全球温度变化，δ18O值越高，温度越低。

那么问题来了，在中更新世转型（MPT）之前（120万年到180万年），全球温度变化的主要周期是4万年；而在中更新世转型之后（6万年至今）全球温度变化的主要周期变成了10万年。这其中发生了什么？

古气候学家也很好奇呀。

于是大家给出了种种假说：

高纬度因素、低纬度因素、高原隆升的因素、二氧化碳因素……

别的先不管，冰芯中可是保留有气泡的，那些气泡中封存的的CO2是可以直接观测的。

不过问题又来了，我们之前说过，目前最长时间记录的冰芯Dome C的年龄为80万年，再来看一遍LR04的曲线：中更新世转型（MPT）的时间从60万年跨到了120万年。

(Lisiecki and Raymo 2005)

那怎么办？我们只能指望以后有更长的冰芯了吗？

古气候学家们于是在古海洋沉积的浮游有孔虫外壳中找到了硼的同位素用来估算二氧化碳的含量变化，这些研究暗示：大气CO2浓度变化范围在4万年周期部分比在10万年周期部分小，同时，4万年周期和10万年周期阶段间冰期空气CO2浓度最大值是相似的，冰期最盛期的空气CO2浓度则降低。得出结论：不大可能是MPT的主要驱动因素。(Honisch, Hemming et al. , Chalk, Hain et al. 2017, Dyez, Hnisch et al. 2018)

可是这个毕竟是估算值，我们还是没有直接的测量结果。就真的没办法了吗？

2019年10月30日，NATURE上的一篇文章给我们提供了新的思路(Yan, Bender et al. 2019)。

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1692-3

还是冰。来自普林斯顿大学的研究团队在南极的艾伦山蓝冰区打了三个孔。下图为艾伦山区域附近的蓝冰以及打孔的位置（ALHIC1503、ALHIC1502、S27为辅助参考）。

我们知道，从前打钻，我们是在理想的穹顶部分开始，得到含有年龄连续变化的冰芯，冰芯中测量的各种指标也随年龄变化。模型图和钻探实况如下图所示：

但是此次冰芯钻探取自艾伦山的蓝冰区山坡部分，冰川流动使得较老的冰层流向山体，同时上部的新的冰层由于升华、剥蚀等作用，使得较老的冰层接近地表。如果此时垂直于山坡打钻，就可以得到较老的冰层。如下图右所示：

艾伦山蓝冰区的这两个冰芯垂直向下，包含了所需的冰层范围。通用雷达图上蓝色的虚线为实际的基岩面。ALHIC1503打了两次，补齐总深度为147米；ALHIC1502深度为191米。见下图。

空气中40Ar在40K的放射衰变中缓慢增加，因此此次蓝冰中得到的气泡中的40Ar可用来对冰芯进行定年；冰的氘同位素比值可以表征冰形成时的局部气候温度。但此次钻取的冰芯为不连续时间段冰芯，因此无法得到完整的冰期间冰期的CO2变化范围。根据与氘同位素比值的比对，研究团队留取76%左右的样品用来重建CO2的变化范围。

也因为冰层年龄和深度的不相匹配，所以采用了快照式的测量方式，分为三个测量时间段，分别为270万年、200万年和150万年。但270万年的样品由于受有机物降解污染所以进行了去除。如下图：

如上图显示，MPT期，CO2的浓度范围在40-ka（4万年周期）阶段CO2浓度范围内，而4万年周期阶段CO2浓度的最大值和最小值分别为214ppm和279ppm。这个范围显示，间冰期CO2浓度在100-ka和40-ka是相似的；但在冰期，4万年周期阶段的浓度要比10万年周期阶段的浓度高24ppm。

作者得出的结论认为，在MPT前后CO2浓度与南极气温具有很好的耦合性。

因此作者最后得出结论：4万年周期向10万年周期的转变伴随着冰期最盛期CO2浓度的减小。

后记

不过剑桥大学的Eric W. Wolff对这项研究的数据精度和氘同位素比值与CO2水平的关系等问题上提出了质疑。

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03199-8

所以，我们还是也一起来期盼一下更长的冰芯吧！

参考文献：

[1]Chalk, T. B., M. P. Hain, G. L. Foster, E. J. Rohling, P. F. Sexton, M. P. S. Badger, S. G. Cherry, A. P. Hasenfratz, G. H. Haug, S. L. Jaccard, A. Martínez-García, H. Plike, R. D. Pancost and P. A. Wilson (2017). "Causes of ice age intensification across the Mid-Pleistocene Transition." Proceedings of the National Academy of Sciences 114(50): 13114-13119.

[2]Dyez, K., B. Hnisch and G. Schmidt (2018). "Early Pleistocene Obliquity-Scale pCO2 Variability at ~1.5 Million Years Ago." Paleoceanography and Paleoclimatology.

[3]Honisch, B., N. G. Hemming, D. Archer, M. Siddall and J. F. McManus "Atmospheric Carbon Dioxide Concentration Across the Mid-Pleistocene Transition." Science 324(5934): 1551-1554.

[4]Lisiecki, L. E. and M. E. Raymo (2005). "A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records." Paleoceanography 20(1): n/a-n/a.

[5]Yan, Y., M. L. Bender, E. J. Brook, H. M. Clifford, P. C. Kemeny, A. V. Kurbatov, S. Mackay, P. A. Mayewski, J. Ng, J. P.

[6]Severinghaus and J. A. Higgins (2019). "Two-million-year-old snapshots of atmospheric gases from Antarctic ice." Nature 574(7780): 663-666.