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印象中的高山之巔，總是白雪皚皚，不管是冬天還是夏天，仿佛永遠(yuǎn)不變。然而其實(shí)在高山上是存在一個(gè)界線（雪線）的，界線以上年降雪量大于年消融量，消融不完的降雪逐年覆蓋，就形成了一層一層的高山冰蓋或冰川。 高山之所以越往上越寒冷，是由于隨著海拔的增高可獲得的地面輻射的能量越來越少。而地球之所以越往兩極越冷，是由于隨著緯度增大可獲得的太陽(yáng)輻射的能量越來越少。與高山一般，在夏季獲得的能量不足以消融冬天的積雪時(shí)，降雪便同樣逐年覆蓋，形成冰蓋或冰川。 這是一個(gè)講究高級(jí)的時(shí)代。我對(duì)高級(jí)地玩冰塊的最初印象，是小學(xué)的某本課本上因紐特人的冰屋。這個(gè)密不透風(fēng)的冰屋將屋外凜冽的寒風(fēng)隔絕在外，讓我對(duì)生活在北極圈內(nèi)外的這個(gè)民族的智慧充滿了崇敬之情。 動(dòng)圖來自《愛斯基摩人的冰屋》 然而其實(shí)降雪成冰的過程，也可以形成與世隔絕的小屋。當(dāng)降雪到達(dá)地面時(shí)，受自重和地面輻射能量影響，發(fā)生壓實(shí)，由雪花變成粒雪，并逐步變成粒冰，再變成冰。 其間融化的水在沿空隙流入底部并重新結(jié)冰的過程中，將當(dāng)時(shí)留存于粒冰間隙的空氣隔絕囚禁在塊狀冰中，形成一個(gè)又一個(gè)的“小屋”，當(dāng)時(shí)的空氣、空氣中的溫室氣體、降塵等等全部被囚禁其中，我們稱之為氣泡。隨著氣泡被擠壓得越來越小，冰的透明度也越來越高，從“白冰”慢慢變成了“藍(lán)冰”。這些冰一層一層堆積，便將空氣中的秘密一年一年地留在了冰川中。 現(xiàn)代冰川主要分布于南北兩極和中國(guó)的西部，其中南極和格陵蘭冰蓋占到了全球冰川總面積的97%、總冰量的99%。 若說因紐特人玩冰玩出了承載溫暖生活的小屋，那么科學(xué)家們則把冰芯研究慢慢玩成了古氣候?qū)W的三大支柱之一。所謂冰芯就是指以打鉆方式從冰川內(nèi)部取得的芯。 Ernst Sorge在格陵蘭島挖出的15米深坑，將科學(xué)家們的好奇心引向了冰蓋內(nèi)部。歷經(jīng)7個(gè)月的研究，Sorge得出：在降雪量穩(wěn)定且積雪不融化的情況下，冰蓋下某一深處的密度是不變的（H.Bader,1954）。 在此后的五十多年間，古氣候?qū)W家們?cè)谀蠘O、格陵蘭島和中低緯度的山地打了許許多多的冰芯，并漸漸將冰中的穩(wěn)定同位素，氣泡中的空氣與年齡的變化做出了非常矚目的研究結(jié)果。尤其是南極的Vostok冰芯（一直將鉆探深入島了冰蓋底部的Vostok湖，包含了40萬(wàn)年的氣候記錄）和Dome C（80萬(wàn)年）冰芯。Dome C冰芯是2010年以前含有最長(zhǎng)時(shí)間記錄的冰芯。 時(shí)間還在飛快地向前走，古氣候家們還在繼續(xù)尋找和鉆探更長(zhǎng)年代的冰芯以及更好的冰芯（最近，歐盟提供資金的一個(gè)項(xiàng)目，希望在2024年得到百萬(wàn)年長(zhǎng)度的冰芯），以發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)事實(shí)或證實(shí)古氣候中的諸多假說。 那么2019年啦， 古氣候?qū)W家們?cè)谕媸裁茨兀?/strong> 在270萬(wàn)年的尺度內(nèi)，地球接收的太陽(yáng)能量主要隨著地球繞行太陽(yáng)軌道的偏心率、歲差、斜率各自10萬(wàn)年、2.3萬(wàn)年、4萬(wàn)年的周期變化而進(jìn)行變化。
(Lisiecki and Raymo 2005)
這條曲線在古氣候?qū)W中鼎鼎大名，稱為L(zhǎng)R04（本文僅截取了其中一段），LR04是2005年Lisieckiand和Raymo在PALEOCEANOGRAPHY雜志上發(fā)表的一篇全球57個(gè)深海鉆孔的集成記錄（深海記錄是古氣候?qū)W三大支柱的另外一個(gè)支柱，除冰芯和深海記錄以外，還包括黃土記錄）。其中，縱軸所示的δ18O可以表征全球溫度變化，δ18O值越高，溫度越低。 那么問題來了，在中更新世轉(zhuǎn)型（MPT）之前（120萬(wàn)年到180萬(wàn)年），全球溫度變化的主要周期是4萬(wàn)年；而在中更新世轉(zhuǎn)型之后（6萬(wàn)年至今）全球溫度變化的主要周期變成了10萬(wàn)年。這其中發(fā)生了什么？ 古氣候?qū)W家也很好奇呀。 于是大家給出了種種假說： 高緯度因素、低緯度因素、高原隆升的因素、二氧化碳因素…… 別的先不管，冰芯中可是保留有氣泡的，那些氣泡中封存的的CO2是可以直接觀測(cè)的。 不過問題又來了，我們之前說過，目前最長(zhǎng)時(shí)間記錄的冰芯Dome C的年齡為80萬(wàn)年，再來看一遍L(zhǎng)R04的曲線：中更新世轉(zhuǎn)型（MPT）的時(shí)間從60萬(wàn)年跨到了120萬(wàn)年。 (Lisiecki and Raymo 2005) 那怎么辦？我們只能指望以后有更長(zhǎng)的冰芯了嗎？ 古氣候?qū)W家們于是在古海洋沉積的浮游有孔蟲外殼中找到了硼的同位素用來估算二氧化碳的含量變化，這些研究暗示：大氣CO2濃度變化范圍在4萬(wàn)年周期部分比在10萬(wàn)年周期部分小，同時(shí)，4萬(wàn)年周期和10萬(wàn)年周期階段間冰期空氣CO2濃度最大值是相似的，冰期最盛期的空氣CO2濃度則降低。得出結(jié)論：不大可能是MPT的主要驅(qū)動(dòng)因素。(Honisch, Hemming et al. , Chalk, Hain et al. 2017, Dyez, H?nisch et al. 2018) 可是這個(gè)畢竟是估算值，我們還是沒有直接的測(cè)量結(jié)果。就真的沒辦法了嗎？ 2019年10月30日，NATURE上的一篇文章給我們提供了新的思路(Yan, Bender et al. 2019)。 https://www./articles/s41586-019-1692-3 還是冰。來自普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在南極的艾倫山藍(lán)冰區(qū)打了三個(gè)孔。下圖為艾倫山區(qū)域附近的藍(lán)冰以及打孔的位置（ALHIC1503、ALHIC1502、S27為輔助參考）。 我們知道，從前打鉆，我們是在理想的穹頂部分開始，得到含有年齡連續(xù)變化的冰芯，冰芯中測(cè)量的各種指標(biāo)也隨年齡變化。模型圖和鉆探實(shí)況如下圖所示： 但是此次冰芯鉆探取自艾倫山的藍(lán)冰區(qū)山坡部分，冰川流動(dòng)使得較老的冰層流向山體，同時(shí)上部的新的冰層由于升華、剝蝕等作用，使得較老的冰層接近地表。如果此時(shí)垂直于山坡打鉆，就可以得到較老的冰層。如下圖右所示： 艾倫山藍(lán)冰區(qū)的這兩個(gè)冰芯垂直向下，包含了所需的冰層范圍。通用雷達(dá)圖上藍(lán)色的虛線為實(shí)際的基巖面。ALHIC1503打了兩次，補(bǔ)齊總深度為147米；ALHIC1502深度為191米。見下圖。 空氣中40Ar在40K的放射衰變中緩慢增加，因此此次藍(lán)冰中得到的氣泡中的40Ar可用來對(duì)冰芯進(jìn)行定年；冰的氘同位素比值可以表征冰形成時(shí)的局部氣候溫度。但此次鉆取的冰芯為不連續(xù)時(shí)間段冰芯，因此無法得到完整的冰期間冰期的CO2變化范圍。根據(jù)與氘同位素比值的比對(duì)，研究團(tuán)隊(duì)留取76%左右的樣品用來重建CO2的變化范圍。 也因?yàn)楸鶎幽挲g和深度的不相匹配，所以采用了快照式的測(cè)量方式，分為三個(gè)測(cè)量時(shí)間段，分別為270萬(wàn)年、200萬(wàn)年和150萬(wàn)年。但270萬(wàn)年的樣品由于受有機(jī)物降解污染所以進(jìn)行了去除。如下圖： 如上圖顯示，MPT期，CO2的濃度范圍在40-ka（4萬(wàn)年周期）階段CO2濃度范圍內(nèi)，而4萬(wàn)年周期階段CO2濃度的最大值和最小值分別為214ppm和279ppm。這個(gè)范圍顯示，間冰期CO2濃度在100-ka和40-ka是相似的；但在冰期，4萬(wàn)年周期階段的濃度要比10萬(wàn)年周期階段的濃度高24ppm。 作者得出的結(jié)論認(rèn)為，在MPT前后CO2濃度與南極氣溫具有很好的耦合性。 
因此作者最后得出結(jié)論：4萬(wàn)年周期向10萬(wàn)年周期的轉(zhuǎn)變伴隨著冰期最盛期CO2濃度的減小。
不過劍橋大學(xué)的Eric W. Wolff對(duì)這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)精度和氘同位素比值與CO2水平的關(guān)系等問題上提出了質(zhì)疑。 https://www./articles/d41586-019-03199-8 所以，我們還是也一起來期盼一下更長(zhǎng)的冰芯吧！ 參考文獻(xiàn)： [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. P?like, 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. H?nisch 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.
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