冰芯揭秘大气演化史

冰芯揭秘大气演化史

作者：海上云

▲　科学家在抽取冰芯

如果手相学家对你说：“伸出手掌，我来预测你的人生。”你大可一笑了之。

如果植物学家对你说：“根据树轮，我能判断几十年的降雨情况。”你可以相信，因为这是科学。

如果有人对你说：“我有一样东西，可以知道过去100万年地球气温的变化。”你认为这是科学推断还是“跳大神”呢？

这个人，就是丹麦古气象学家威利·邓思伽德（Willi Dansgaard）。他的大胆设想开辟了一个重要的研究领域，让我们有机会认识这颗我们居住的蓝色星球在过去100万年所经历的气候变化。而最早的发现，和一个啤酒瓶有关。

从啤酒瓶到万年寒冰

1952年，丹麦大雨，邓思伽德连续两天用啤酒瓶在草地上采集雨水样本，并按照这两天的室外温度给这些雨水样本做了标记。

邓思伽德研究后有了重大的发现。

通常，氧原子带有8个质子、8个中子和8个电子，即16O——“十六阿哥”。其左上角的“16”，代表这个氧原子的质量（原子的质量主要由中子和质子决定，电子质量微乎其微）。

氧原子有一个同胞弟弟“十八阿哥”，它们有相同数目的质子和电子数。但“十八阿哥”的原子核里有10个中子，这个被称为“¹⁸O”的氧同位素，因为多了2个中子，体重更大。

同位素

一个原子的原子核里有质子和中子。具有相同质子数、不同中子数的同一元素称为同位素。中子数的不同并不会影响元素的化学性质，但却会影响其物理性质。

当氧和氢生成水的时候，也存在着两种不同的水。一种是带着“十六阿哥”¹⁶O的水H₂¹⁶O，另一种是带着“十八阿哥”¹⁸O的水H₂¹⁸O。

▲　¹⁸O比¹⁶O多了2个中子

重点来了，邓思伽德发现：在白天温度高的时候，收集到的雨水里，“十八阿哥”¹⁸O的含量较高；在晚上温度低的时候，收集到的雨水里，“十八阿哥”¹⁸O的含量较低。

这在科学上可以这样解释：“十八阿哥”H₂¹⁸O体重身胖，需要吸收更多的能量（热能），才能蒸发升腾成水汽，飘浮成烟云，最后降落成雨。

大胆假设，小心求证，这是科学研究之道。邓思伽德有了这个发现后，继续派出他的“啤酒瓶小分队”，到世界各地寻找“十八阿哥”¹⁸O——收集大量的雨水样本和雪水样本。

他检测雨水样本中¹⁸O/¹⁶O的比值，再与标准海水中¹⁸O/¹⁶O的比值比较，算出两者之间的差值δ¹⁸O。

他以雨水样本的δ¹⁸O作为纵坐标、样本采集时的当地温度作为横坐标，画出各个样品数据点，得到了一个近似线性关系的结果。雨雪里的δ¹⁸O取决于雨雪形成时的环境气温。在温度高的地方，雨雪中¹⁸O的含量高；在温度低的地区，¹⁸O的含量低。

▲　从5.4亿年以前的寒武纪以来，地球经历了多次冷热交替。蓝线为短期平均值，黑线为长期平均值。一般来说，δ¹⁸O越小，表示温度越高

他进一步大胆推断，在南极和格陵兰岛上积冰里的δ¹⁸O，可反映历年的全球平均气温！在南极和格陵兰岛，当雪花降落后，会一层一层堆积起来，凝结成冰。这些冰千年万年都不会融化。如果我们找到百年前、千年前、万年前、百万年前的冰，我们就能知道那时候地球的平均气温。

于是，他建议提取南极和格陵兰岛冰原下的冰雪样本，来研究历史上地球气温的变化。科学家用机器钻到几千米深的冰层，采集出冰芯。这一层层冰，层次非常清楚，像年轮一样。通过分析冰芯中各种物质的含量和比值，就可以推断地球气候的变化。

冰芯中的二氧化碳

随着雪花降落到地面的，还有空气中的各种分子，其中就有二氧化碳。所以，在冰芯的各个层次里也封存了历年空气中的二氧化碳。

科学家细细地统计冰芯各层中每100万个分子中有多少个二氧化碳分子，即ppm（part per million），这样就得到了地球大气中二氧化碳含量的历史信息。

科学家把前面得到的地球气温变化曲线和二氧化碳变化曲线绘制在一张图里。图中的红线表示气温变化，蓝线表示大气中二氧化碳含量的变化。其中，横坐标的每一格代表5万年。科学家发现，地球气温随二氧化碳含量起伏变化，“亦步亦趋”：二氧化碳含量升高，则温度攀升；二氧化碳含量降低，则温度下降。

这也是环保学家呼吁减少二氧化碳排量、减缓全球变暖趋势的重要科学依据之一。

▲　40多万年里，二氧化碳和气温的变化同步

寻找最古老的冰

很显然，想要找到更古老的冰，就要找到更厚的积冰。

相对格陵兰岛，南极的冰层更厚。十几年前，科学家在南极采集了一根3.2千米长的冰芯，里面包含了80万年的地球气候变化史。

科学家还在继续寻找，试图找到150万年前的冰，他们为什么对此特别感兴趣呢？这是因为，120万年前至90万年前的中更新世是全球气候和环境变化的一个重要时期，在此之前，地球每过4.1万年有一个冷暖变化周期，而在此之后，冷暖变化周期则是10万年。这种变化的原因至今仍是个未解之谜。

那么，如何判断冰芯的每一层代表的年份呢？

▲　随着时间的积累，冰芯中的雪被上面一层层的积雪压实，再结晶形成粒雪颗粒；我们可以通过数冰芯上的层数来确定时间。在冰芯底部（低于3050米），颜色变为深黄色是因为里面的岩石、沙子、淤泥

可以从最上层的冰层往下数，这种方法最直接，但是很容易数错：层数太多，界线不分明。

可以用每层中的碳同位素和铀同位素来判断年份，当然，这并不适合于所有的冰芯。

可以根据某个特定年份的重大地质事件，找到冰芯某层中空气含量的剧烈变化，来进行定位，比如说火山爆发。这些事件，在其他地方都有很多科学数据来佐证。

一根冰芯，一般被切割成几部分，再利用几种不同的方法来确定年份，以确保准确度，并与其他已经确定年份的冰芯进行对比。

冰芯，可以说是地球百万年的健康档案。除了研究地球气候的历史外，根据冰芯气泡中的气体成分和含量还能推演大气成分的演化历史。冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同时期的沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息。有句成语叫“一叶知秋”，而科学家却可以“一芯知万年”。这是多么了不起的功夫！

同位素测年法

我们都知道，在地球大气层中有大量的氮-14，氮-14有7个质子和7个中子。在宇宙射线的作用下，氮-14得到一个中子，同时失去一个质子，变为拥有6个质子和8个中子的碳-14。因为碳-14特殊的原子结构导致它不稳定，所以被称为“放射性碳同位素”。

碳-14与空气中的氧气结合，形成含碳-14的二氧化碳。植物通过光合作用吸收二氧化碳，动物食用植物，人类食用植物和动物。这样，碳-14就在整个生物链中流通，处于一种动态平衡中。整个生物圈中的碳-14的含量，在某个时期与当时大气中的含量是相同的。

生物死亡之后，它们不再吸收碳-14。但是，碳-14却在不断衰变，它含量逐渐减少。碳-14的含量每5730年就减少一半，5730年被称为碳-14的一个半衰期。第二个半衰期之后，碳-14的含量就只剩下四分之一，以此类推。所以，测定样品中剩余碳-14的含量就可以知道样品的年龄。理论上，碳-14的含量不断减少，但永远不会为零，而是无限接近于零。但是对于5万年之前的样品，碳-14含量非常少，所以测试结果基本不可靠，这时候，需要用半衰期更长的铀或者铍来确定年份。