冰芯研究过去环境变化的重要手段.doc

冰芯：研究过去环境变化的重要手段姚檀栋王宁练冰川的生长发育与气候条件密切相关。因此，长期以来冰川沉积、冰川雪线和冰川末端变化等一直是冰川学家用以揭示气候环境演化的主要证据。比如冰碛地层的地质证据表明，在地质历史时期地球曾出现过几次大的冰期：挪威雪线一万多年来的变化，恢复了同期这一地区的气候变化历史等等。但这些研究只能给出基本的大的事件特征，并不能给出具有相当分辨率的事件过程特征。随着冰芯这门冰川学分支学科的产生和发展，人们已充分地认识到冰川不仅是地球气候变化的敏感指示器，而且也是过去地球变化的良好记录器。任何一门学科的发展都会对相邻学科的发展进程产生强烈的诱导和积极的促进作用。本世纪50年代，随着同位素地球化学研究的进展和钻探技术的发展，在冰川学中产生了冰芯这门富有生命力的分支学科。虽然在上世纪中叶人类已开始利用机械钻在瑞士冰川上提取冰芯，但其目的仅仅只是为了测量冰川的厚度。本世纪50年代初期，西方国家在极地地区实施了一系列的冰芯钻取计划，然而其研究内容也莫过于冰雪层位特征、晶粒尺寸、密度、晶体方位和气泡等物理参数。几乎在这些极地冰芯钻取计划开展的同时，爱泼斯坦（S。Epstein）和当塞嘉德（W。Dansgaard）等研究了自然界各种水体中稳定氧同位素比率的变化，并建立了氧同位素比率大小的主要因素是降水时气温、水汽来源和降水云系的发展历史，并在50年代中期首次将氧同位素比率引入到冰川学研究的领域。研究表明：冬季低气温可以通过降水中较小的氧同位素比率值（很大的负值）来反映，而夏季高气温与降水中较大的氧同位素比率值（较小的负值）相对应；在一个确定的地点，气温的季节变化引起降水中氧同位素比率同样的季节变化；降水中氧同位素比率的季节变化幅度是实验测量误差的100200倍。这些结果表明冰芯中氧同位素比率变化是恢复过去气候环境变化的一种可靠手段，从而确立了氧同位素比率在冰芯研究中的地位。从此揭开冰芯研究的新篇章。随着各种高新技术手段在冰芯研究中的应用，人们已从冰芯中提取出了越来越多的古气候环境信息。冰芯：过去全球变化研究的一种重要手段目前，人类的活动使自身赖以生存的自然界产生了一系列重大的环境问题，如温室气体增加和全球变暖、臭氧层减薄甚或形成臭氧洞、森林锐减和物种灭绝、土壤肥力下降和土地荒漠化，以及淡水资源短缺等。因此，国际科学界针对这些全球性的环境问题提出了全球变化研究这一重大科学课题，以预测人类生存环境的变化及防范对策。要提高对全球变化的预测力，必须对过去全球变化有充分的认识和了解，因而在全球变化研究中，过去全球变化是全球变化研究中的一项重要研究内容。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，冰芯以其保真性好（低温环境）、分辨率高（可达到年）、记录序列长（可达几十万年）和信息量大，而受到地球科学家的青睐。所有在大气中循环的物质都会随大气环流而抵达冰川上空，并沉降在冰雪表面，最终形成冰芯记录。冰芯分析的每一个参数都至少载有一个地球系统变化过程的信息。冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标；净积累速率是降水量大小的指标；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分析结果，可以提供不同的时期大气气溶胶、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；同时，冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息，等等。发达国家的冰芯研究自50年代末以来一直主要集中在南、北两极地区，并取得了一系列重大成果。如恢复了过去20多万年以来的气候环境变化信息，已判别出人类工业化以来大气中温室气体含量的急剧增加等等，目前，南极、北极地区冰芯研究仍呈方兴未艾之势。青藏高原冰芯研究的重要性气候环境变化不仅具有全球性，而且也具有区域性。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。正因为如此，作为地球第三极的青藏高原已成为国际上冰芯研究的另一角逐场。因为不论是从全球对比的观点出发，还是从预测高亚洲及周围地区生存环境的未来变化来看，青藏高原的过去气候环境研究是十分重要和必要的。青藏高原地区能够提取和揭示过去气候环境变化的介质和资料是十分有限的，主要有气象资料、树木年轮、湖泊岩芯和冰芯，其特点分别是：高原气象资料序列短。大多数气象台站是建国后建立的，资料序列仅有几十年的时间；高原森林分布有限而集中。青藏高原平均海拔在4000米以上，除高原边缘河谷地带有树木生长之外，广大的高原面位于树木线之上，这大大限制了利用树木年轮揭示古气候环境变化的地域范围；高原湖泊岩芯记录虽然时间尺度大，但其分辨率低（100年），难以揭示短时间尺度气候环境的突变信息，而气候环境突变乃是气候环境预测结果不确定性的关键因素之一；高原冰川分布广泛。青藏高原高耸的地势，为现代冰川的发育提供了场所；冰芯记录时间尺度长（可达几十万年）、分辨率高、信息量大。因此，青藏高原冰芯是研究这一地区过去气候环境变化的一个不可多得的重要手段，其研究结果无疑会使人们对于青藏高原这一独特地质地理单元的气候环境演化有一个全新的认识。 青藏高原冰芯研究的一些重要成果如前所述，作为地球第三极的青藏高原，是全球冰芯研究中除北极、南极之外的另一热点地区。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10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上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。1.建立了古里雅冰芯末次间冰期以来的气候记录古里雅309米冰芯是目前在中低纬度获得的最深的、时间尺度最长的山地冰芯。应用冰体流动模型和36C1两种测年方法，均表明该冰芯底部冰体形成于70万年以前，这与青藏高原进入冰冻圈的时代是一致的。目前已恢复了该冰芯末次间冰期以来的气候环境记录，并从中已鉴别出了米兰柯维奇循环。该冰芯中的氧同位素比率记录与极地冰芯中的氧同位素比率记录及太阳辐射率的对比，发现高原地区气候变化在万年时间尺度上对太阳辐射率变化的响应要比极地地区强烈得多，这表明青藏高原地区是全球气候变化的敏感地区。古里雅冰芯记录还表明，不论在冰期，还是在间冰期，高原地区气候都存在强烈的震荡，并且存在不同时间尺度的气候突变。如在末次冰期向全新世的转换时期世界一些地区出现了一次突发的强烈降温事件，这次事件也清楚地记录在该冰芯中，表明这一事件的确具有全球性。2.建立了敦德冰芯全新世气候记录根据近一万年来郭德冰芯中氧同位素比率的变化，将全新世划分为早、中、晚三个阶段。距今10000年到距今8500年前为早全新世，这一时期气温波动上升。但在距今9000年到8900年前和距今8800年到8700年前，气温出现次急剧下降，其中距今8700年前的低温是整个全新世中出现的极冷事件，这在中国和亚洲中部是首次发现。距今8500年到距今2900年前的中全新世是全新世的大暖期，其中距今7200年到距今6100年前是这一大暖期的鼎盛期。虽说是大暖期，这并不意味着这一时期气温持续高温。实际上这一时期的气温也是波动的，并且存在一些次一级的低温事件，如在距今7800年、7300年、5900年和5400年前出现的低温事件等。距今2900年前以来是晚全新世，这一时期气温波动下降，大约在距今1000年前气温下降到最低点，对于这一冰芯的研究还发现，在整个全新世时期存在两次明显的强高温事件，它们分别发生在距今8500年到8400年前和距今3000年到2900年前。3.建立了古里雅冰芯过去2000年以来高分辨率的气候环境记录对于未来近期内环境变化的预测，必须了解目前气候环境状况处于历史时期气候环境变化总背景下的什么位置。因而揭示过去（尤其是2000年以来）高分辨率气候环境变化是极为重要的。古里雅冰帽冰芯过去2000年以来高分辨率的气候环境记录，给人们展示了这一时期冰帽所在地区的气候环境变化的细节，记录表明，尘埃含量指标呈现减小趋势，可见这一地区的大气环境处于逐渐改善的过程；公元初是一个气温降低降水减少的时期，自此以来气温和降水都在波动中趋于升高和增大的总趋势；尽管这一时期气温和降水呈现正相关，并且气温和降水变化均呈现出一些明显而基本相同的周期，并与太阳活动的周期密切相关，即200年的双世纪周期和11年周期等，但气温和降水的变化趋势并不完全同步，降水变化滞后于气温变化，滞后期大致为50100年；在这一高分辨率记录时期内，曾出现8次暖期和7次冷期，总体而言暖期的平均持续时间较冷期长，7次冷期中有4次是重要的寒冷事件，这4次重要的寒冷事件均发生在公元11世纪以来的时期，而且3次出现在小冰期期间，小冰期并不是过去2000年以来最冷的时期，而只是距离现在最近的冷期，最冷时期出现在公元1112世纪。4.建立了小冰期以来的气候环境记录不论是在古里雅冰芯中，还是在敦德冰芯中，小冰芯期以来都存在3次冷、暖期的交替循环。两次芯中3次冷、暖期的发生时间和持续期略有差异。在前一冰芯中3次冷期分别出现在公元1451年1500年、1601年1690年和1791年1880年，而在后一冰芯中分别出现在公元1420年1520年、1570年1680年和1770年1890年。这表明小冰期虽是一次全球性事件，但它发生的时间和程度在不同地区有差异性，冰芯记录与我国东部气候变化相对比，发现一个有趣的现象：小冰期以来敦德冰芯中记录的气温变化要早于上海气温变化约1020年的时间。如果这种现象不仅仅是一种统计规律，而且的确存在物理原因的话，那么这一现象在未来气候变化过程中也应存在，这对于气候预报来说无疑是一个很大的贡献。但是目前还不清楚这种现象是气候变化阶段性的表现，还是的确存在内在的物理原因。 5.揭示了青藏高原近百年来的气温变化青藏高原不同地区冰芯记录均表明，近百年来的平均气候状况是高原地区近600年来最温暖的时期，自上世纪末以来，高原地区气温一升处于波动上升，冰芯记录还表明高原地区在本世纪初和6070年代处于相对低温时段；70年代末开始至今的升温，是过去50多年来最强烈的一次。6.青藏高原冰芯微粒研究冰芯微粒含量的大小直接反映了大气尘埃含量的变化，而大气尘埃含量的多寡直接与尘埃源区状况的变化和大气环流强度有关，因此冰芯中的含量是一个重要的环境指标。对于古里雅和敦德冰芯中的微粒含量研究表明，冷期时微粒含量较高，而暖期时微粒含量偏低。两冰芯中微粒含量的长期记录表明，目前在青藏高原面上，正经历着气候变暖、环境改善的过程。另外古里雅冰芯和格陵兰冰芯中微粒含量长期变化过程的高度相关，揭示了环境变化具有空间耦合的特征。这两支相距遥远的冰芯，其微粒含量变化趋势一致性的关键原因，很可能是因为它们具有一个共同的主要源区中亚沙漠和以青藏高原为主体的亚洲干寒区。科