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文學論文

冰芯氣候環境記錄研究:從科學到政策

時間:2020年09月10日 所屬分類:文學論文 點擊次數:

摘要 冰芯是過去氣候環境變化信息的重要載體。文章著重闡述了三極(南極、北極和第三極)冰芯研究在 揭示過去氣候變化、大氣溫室氣體含量變化、太陽活動、火山活動及人類活動等方面所取得的成就,并說明 冰芯研究對相關環境政策制定(如含鉛汽油禁用政策、溫室

  摘要 冰芯是過去氣候環境變化信息的重要載體。文章著重闡述了三極(南極、北極和第三極)冰芯研究在 揭示過去氣候變化、大氣溫室氣體含量變化、太陽活動、火山活動及人類活動等方面所取得的成就,并說明 冰芯研究對相關環境政策制定(如含鉛汽油禁用政策、溫室氣體減排政策)的推動作用。建議國家盡快建立 冰芯檔案儲藏庫,以拯救冰芯資源,為后世科學研究與國家發展服務。

  關鍵詞 冰芯記錄,三極環境,氣候變化,環境政策,人類活動,全球變暖

氣候變化

  冰芯是從冰川上鉆取的圓柱狀雪冰樣品。取自冰 川積累區的冰芯,包含著過去逐年積累的降雪和干、 濕沉降物質,這些物質保存著其沉積時的氣候環境信 息。在 20 世紀 50—60 年代,丹麥 Dansgaard[1]通過對 降水穩定同位素的研究,發現極地地區降水中氧、氫 同位素比率(δ18O 和 δD)變化與溫度之間存在密切關 系;進而,他提出分析冰芯中氧、氫同位素比率變化 便可重建過去氣候變化的思想,從此拉開了冰芯氣候環境記錄研究的序幕[2]。

  冰川是由固態降水(雪)長期積累、演變而成 的,在粒雪通過密實化轉變為冰川冰的過程中,粒雪 層中原先與大氣相通的空隙被封閉成為氣泡。因此, 冰芯中包裹的氣泡是古大氣的“活化石”。冰芯不但 記錄著過去氣候環境各種要素(如氣溫、降水、大氣 化學和環境微生物等)的變化,也記錄著影響氣候環 境變化各種因子(如太陽活動、火山活動和大氣溫室氣體含量等)的變化,同時還記錄著人類活動對環境 的影響。

  因此,冰芯是研究過去氣候環境變化的極佳 介質。 冰芯研究從極地冰蓋開始,后來擴展到中低緯度 山地冰川地區,對全球變化研究作出了重要貢獻,極 大地推動了冰凍圈科學和全球變化科學的發展;同 時,冰芯研究可從歷史角度評價人類活動對環境的影 響,為相關環境政策的制定提供了重要科學基礎。

  1 南極和北極冰芯記錄的過去氣候環境變化

  自1966 年和 1968 年冰芯科學家分別在格陵蘭 冰蓋世紀營地(Camp Century)和南極冰蓋伯德站 (Bryd)首次鉆取透底冰芯以來,已在南極冰蓋上 鉆取了沃斯托克(Vostok)、冰穹 C(EPICA Dome C)、西南極分冰嶺(WAIS Divide)等冰芯,在格 陵蘭冰蓋上鉆取了戴伊-3(Dye 3)、格陵蘭冰蓋冰 芯計劃(GRIP 和 GISP 2)、格陵蘭北部冰芯計劃 (NGRIP 和 NEEM)等冰芯。通過對這些冰芯的研 究,已揭示出過去 80 萬年來地球氣候與大氣中溫室氣 體含量的變化,發現了在末次冰期時氣候變化存在明 顯的突變特征,且南極和北極氣候變化之間存在“蹺 蹺板”現象,同時重建了歷史時期的太陽活動變化和 火山噴發事件信息等。

  1.1 軌道時間尺度的氣候環境變化

  依據南極沃斯托克冰芯中 δ18O 和 δD 的記錄,重建 了 4 個完整冰期-間冰期旋回的氣候變化,并發現該冰 芯記錄的冰期-間冰期旋回的氣溫變化幅度達 12℃ 左 右[3]。南極冰穹 C 冰芯將氣候環境記錄追溯到 80 萬年 前。該冰芯記錄的近 80 萬年以來的氣溫、粉塵含量和 大氣溫室氣體含量(CO2、CH4 和 N2O)變化[4-8],均 存在 10 萬年、4 萬年和 2.3 萬—1.9 萬年的變化周期, 其中 10 萬年周期為主導周期;同時,在軌道時間尺 度(冰期-間冰期時間尺度)上大氣氣溶膠含量、溫 室氣體含量與氣候變化之間密切相關[9]。

  深海氧穩定同位素記錄表明,在距今 120 萬—80 萬年時,更新世 氣候變化由之前的以 4 萬年周期為主,轉變為之后的 以 10 萬年周期為主,此即中更新世氣候轉型。有關假 說認為,這一氣候轉型可能是由大氣中 CO2 含量降低 所造成的[10,11]。

  對東南極艾倫(Allan)山藍冰區域冰 齡約 200 萬年的冰芯進行了研究,結果表明距今 80 萬 年之前的氣溫變化和大氣 CO2 濃度變化沒有超出距 今 80 萬年以來的變化范圍,但是距今 80 萬年之前的 冰期時氣溫和大氣 CO2 濃度較距今 80 萬年以來冰期 時的高[12]。這一研究結果不支持中更新世氣候轉型 的 CO2 降低假說,但卻說明中更新世氣候轉型之后的 冰盛期時冰蓋范圍較大且大氣 CO2濃度較低。

  1.2 千年尺度的氣候變化

  20 世紀 80 年代之前,人們普遍認為末次冰期時 氣候是相對穩定的。然而,通過對格陵蘭戴伊-3 冰 芯中 δ18O 高分辨率記錄的分析發現,末次冰期時氣 候存在多次突變事件[13],即氣候在幾十年甚至更短 的時間內迅速變暖 5℃—10℃ 并進入間冰階,而在 隨后的幾百年至幾千年的時間里氣候逐漸變冷并進 入冰階。這一發現引起了古氣候學界的巨大震動。 Dansgaard 等[14]通過對格陵蘭冰芯記錄的深入研究, 發現距今 11.5 萬—1.4 萬年存在 24 次氣候突變事件, 即 D-O 事件(Dansgaard-Oeschger Events)。

  基于不 同地區高分辨率的石筍、湖泊和海洋等沉積記錄, 表明 D-O 事件在北半球大的空間范圍內是廣泛存在 的。相關研究表明,D-O 事件的發生與北大西洋深層 水形成速率的變化有關[15]。對比南極和北極冰芯氣候 記錄,發現當格陵蘭冰芯中 D-O 事件處于暖位相時, 南極冰芯記錄的氣候狀況處于冷期,反之亦然,即末 次冰期時南極和北極氣候變化在千年時間尺度上存在 “蹺蹺板”現象[16]。

  最近,利用全球大氣 CH4 濃度變 化的同步性,對南極冰芯和格陵蘭冰芯記錄的氣候變 化過程進行精確比較,發現格陵蘭地區 D-O 事件時的 突然變暖早于南極氣候開始變冷 218±92 年,格陵蘭氣候變冷早于南極氣候開始變暖 208±96 年[17]。這表明北 極地區的氣候突變信息,可通過海洋環流向南半球高 緯地區傳遞。

  1.3 太陽活動變化

  大氣中宇宙成因同位素(如 14C、10Be、36Cl 等) 含量的變化與太陽活動密切相關,分析沉積在冰芯 中這些同位素含量的變化就可以揭示過去太陽活動 的變化信息。基于格陵蘭冰芯中 10Be 濃度記錄,發現 大約在公元前 5600 年、5100 年、4200 年、3500 年、 2800 年、1900 年、700 年、300 年和公元 800 年、 1100 年、1700 年左右的太陽活動相對較弱[18]。最近, 依據南極和北極冰芯中的 10Be 濃度記錄,計算了全新 世時期太陽總輻射量的變化[19]。這為分析過去氣候變 化的原因提供了重要資料積累。

  1.4 火山噴發事件

  一般來說,低緯度火山噴發物質可以通過大氣環 流波及全球范圍,而中高緯度火山噴發物質的影響范 圍僅限于其所在的半球范圍內。但如果中高緯度的火 山噴發極為強烈,其噴發物質也可以通過平流層影響 到全球范圍。格陵蘭冰芯記錄表明[20],過去 11 萬年來 火山噴發主要集中在 3 個時期,即距今 8.5 萬—7.9 萬 年、距今 3.6萬—2.7 萬年和距今 1.3 萬—0.7 萬年。

  其 中,最后一個時期的火山活動較強,并與北半球冰蓋 消退、海平面上升期相一致。這一發現有力地支持了 陸地冰量變化及洋盆水量變化會導致火山活動增強的 理論。對南北兩極冰芯中近 2 000 年來火山事件記錄的 研究表明[21],南極冰芯記錄了 133 次火山噴發事件, 格陵蘭冰芯記錄了 138 次火山噴發事件;其中,50 次 火山噴發事件在兩極冰芯中均有記錄,這些與熱帶地 區的火山噴發有關。最近,基于南北兩極冰芯記錄, 冰芯研究者建立了火山噴發事件數據庫,并據此重建 了近 2 000 多年來大氣氣溶膠光學厚度的變化 [22]。這 為認識火山噴發所引起的輻射強迫效應,以及評估歷 史時期火山噴發對氣候變化的影響提供了科學基礎。

  1.5 極地冰芯微生物

  冰芯中微生物研究可獲得古老微生物及微生物演 化的信息。目前,在冰芯中發現的微生物主要包括細 菌、病毒、藻類和真菌,其中細菌的數量最多。相關 研究表明[23,24],不論是在南極冰芯中還是在北極冰芯 中,冷期時冰芯中微生物數量較多,這與冷期時大氣 中粉塵含量較高有關。

  目前,在格陵蘭不同年代(距 今 14 萬—500 年前)的冰芯樣品中均發現了多種番茄 花葉病毒的 RNA[25],在南極冰芯樣品中也發現了類似 病毒顆粒[26]。冰川內部的古老病毒是否會隨冰川的消 融而釋放并造成世界衛生和疾病防控問題,是值得深 入研究的重要課題。 2 第三極山地冰芯記錄的氣候環境變化 在冰芯科學研究之初,大家普遍認為中低緯度山地 冰川上較強烈的消融會使其粒雪層中各種氣候環境指標 的季節性變化信號受到嚴重影響,不適合于開展冰芯研 究。

  20 世紀 70 年代中后期,美國 Thompson 等[27,28]對秘 魯熱帶奎爾卡亞(Quelccaya)冰帽開展了考察與冰芯 鉆取工作,結果發現其粒雪層中 δ18O 等參數具有顯著 的季節性變化信號,并以此建立了近 1 500 年的氣候變 化記錄。從此,在全球范圍內掀起了山地冰芯研究的 熱潮。

  第三極地區是中低緯度山地冰川的主要分布區 域,該區域山地冰芯研究備受關注[29]。 我國冰芯研究開始于 20 世紀 80 年代中后期,并 已在第三極地區鉆取了敦德、古里雅、達索普、東絨 布、馬蘭、普若崗日、崇測、慕士塔格等大量冰芯; 同時,開展了第三極地區降水中 δ18O 氣候指示意義的 系統研究[30],據此重建了第三極地區末次間冰期以來 的氣候環境變化過程。

  3 冰芯中人類活動信息記錄對環境政策制定 的推動作用

  從農業時代開始,人類從事冶煉、種植等活動時 的產物,以及工業化以來在化石燃料消耗、冶金生 產、各種化學化工生產、核試驗等活動后的產物,通 過大氣環流傳輸后,其中一部分會沉降到冰川表面, 并在冰芯中記錄在案。通過對冰芯中人類活動各種產 物含量與其自然環境背景含量的對比分析,可評估人 類活動對環境的影響程度,從而使冰芯研究成果服務 于相關環境政策的制定。

  4 結語

  冰芯科學的產生與發展源于學科交叉與分析技術的提高。認識冰芯科學研究與其他學科研究之間的交 叉點,是冰芯科學發展的突破口。提出影響人類健康 與發展的重大環境問題的冰芯解決方案,是冰芯科學 研究服務人類社會的價值所在。建立冰芯中痕量、超 痕量物質連續的、高分辨率的分析方法與技術,是提 取我們目前還沒有認識到的、更多的地球氣候環境變 化甚至宇宙環境變化信息與過程的關鍵。發展冰芯精 確的測年方法與技術,是我們準確理解氣候環境變化 過程、機制與原因的重要支撐。

  這些是冰芯科學發展 的必由之路,也是冰芯科學研究為提高氣候環境變化 預測能力和促進人地關系協調發展服務的科學基礎。 冰芯是地球氣候環境變化的天然檔案庫。然而, 隨著全球氣候的進一步變暖,山地冰川會逐漸消亡, 極地冰蓋的消融也將呈增加趨勢。這意味著冰芯這 一天然檔案庫存在“融化消失”的極大風險。為了更好地認識我們所居住的地球環境的變化,拯救冰 芯是當務之急,而這一點西方國家走在了前面。早在1993 年,美國在科羅拉多州首府丹佛建立了美國 國家冰芯實驗室(National Ice Core Laboratory); 2018 年,該實驗室更名為美國國家科學基金會冰芯機 構(National Science Foundation Ice Core Facility)。

  氣候論文范例:東北地區氣候變化對河流徑流量的影響

  該機構是對取自全世界不同地區的冰芯進行保存與管理,鼓勵不同學科的科學家利用該機構的冰芯樣品開 展科學研究。2015 年,歐洲科學家發起了“冰存儲計 劃”(Ice Memory),其目的是建立一個國際冰芯儲 存庫,將取自全球關鍵山地、亞極地和極地冰川的冰 芯儲存在溫度極低的南極地區,為未來的科學家提供 高質量的冰芯樣品以從事相關科學研究。 以青藏高原為主體的第三極是中低緯度冰川發育 最多的地區,加強南北兩極研究是我國現在和未來發 展的需要。在全球變暖加劇、冰川加速消亡的今天, 應盡快拯救冰芯資源,建立我國的冰芯檔案儲藏庫, 為國家發展及后世科學研究服務。

  作者:姚檀棟1,2* 秦大河3 王寧練2,4,5 劉勇勤1,2 徐柏青1,2

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