南極冰芯：地球過(guò)去的縮影

吳再豐

冰雪大陸

南極洲位于地球的最南端，是一片冰天雪地的世界。它的面積有1400多萬(wàn)平方千米，約占世界陸地面積的9.4%，比歐洲和大洋洲總面積還大。南極的四周是浩瀚的太平洋、大西洋和印度洋。它遠(yuǎn)離地球上其他大陸，即使距離最近的南美洲，遙遙相望也有960千米。另外，無(wú)論從歷史上哪個(gè)時(shí)代來(lái)看，這里都是地球上唯一無(wú)人居住的地方，是名副其實(shí)與外部隔絕的世界。

南極大陸如此特殊，是因?yàn)檫@里嚴(yán)酷的自然條件。首先，這塊大陸的氣溫比北極還低，是地球上最寒冷的地方。在其內(nèi)陸部分，年平均氣溫為-50℃，最高氣溫也不過(guò)-10℃。1983年，蘇聯(lián)的沃斯托克基地記錄下了堪稱世界最低氣溫的-89.2℃。其次，這里是地球上風(fēng)暴最多、風(fēng)速最大的區(qū)域。尤其是在阿德?tīng)枀^(qū)域，幾乎終年刮著凜冽的風(fēng)暴，一般風(fēng)力都在10級(jí)以上，最大風(fēng)速可近每秒100米。怒吼的風(fēng)暴常常卷起漫天的冰雪。磨蝕著冰原上的山峰，形成許多有趣的風(fēng)蝕地貌。如果在這里放上一根生銹的鐵鏈，那么用不了兩天就會(huì)被風(fēng)刮得锃亮。

這樣惡劣的自然條件決定了南極大陸的地貌與其他大陸完全不同。例如，南極大陸的平均海拔大約為2300多米，冠地球上其他大陸之首。即使與名列第二的亞洲大陸（平均海拔900米）相比，也要高出1400米。南極的高海拔幾乎不是由巖盤形成的，而是基于冰被（冰被又稱大陸冰川、大陸冰流，冰盾等。指面積很大、冰層很厚、不受地形限制，覆蓋著整個(gè)島嶼或大陸的巨大冰體）。在有的地方，冰被厚度甚至超過(guò)了海拔高度，據(jù)測(cè)量，迄今為止最大的冰被厚度為4267米。

南極大陸集中了地球90%左右的冰量，成為名不虛傳的大“冰庫(kù)”。據(jù)推算，如果這些冰塊全部融化流入大海，則將使海平面上升70米。這樣，全世界許多肥沃的沿海平原和像上海、紐約那樣著名的大城市都會(huì)被淹沒(méi)?，F(xiàn)在，科學(xué)家們正試圖從大“冰庫(kù)”中尋找地球的過(guò)去。

冰原形成的過(guò)程

在迄今約1億年前，地球地殼開(kāi)始分裂成若干塊，最終出現(xiàn)了現(xiàn)在的亞歐大陸、非洲大陸、北美大陸、南美大陸，南極大陸和澳大利亞大陸。

當(dāng)時(shí)的南極大陸并不像現(xiàn)在這樣完全被冰雪覆蓋。最新研究可知，在距今大約5000萬(wàn)年前，這個(gè)大陸才開(kāi)始進(jìn)入冰期。到3000萬(wàn)年前，地表的大部分才被厚厚的冰層覆蓋。這種被幾千米厚的冰層覆蓋的廣大地域稱為冰原，在地球上唯有南極大陸與格陵蘭島才有。

南極大陸被南極橫斷山脈分為東（東南極）西（西南極）兩側(cè)，東南極與西南極的地形和冰的狀態(tài)截然不同。占整個(gè)大陸80%以上面積的東南極的冰層厚度平均約1800米，西南極的冰量相對(duì)要少一些，但兩地的總冰量達(dá)3000萬(wàn)立方千米。如此大量的冰到底是如何形成的呢？

其實(shí)，如今覆蓋在南極大陸99%以上的冰，都并非一成不變的。據(jù)從該大陸周邊挖出的海底沉積物來(lái)看，南極的冰原在過(guò)去曾幾度反復(fù)擴(kuò)大或縮小。據(jù)推測(cè)，大約在2700萬(wàn)～2400萬(wàn)年前，南極冰量萎縮，露出廣闊的陸地。其后，冰原明顯變小分裂，海水深入到大陸內(nèi)部。這一情況顯示了地球上的冰期與間冰期（溫暖期）是以幾十萬(wàn)年至幾百萬(wàn)年的周期交替出現(xiàn)的。此后，南極大陸又被冰原覆蓋，一直延續(xù)至今。

那么，南極的冰現(xiàn)在是正在融化還是進(jìn)一步增大呢？科學(xué)家們調(diào)查了南極和格陵蘭島的冰原后獲知，格陵蘭島的冰原仍維持在同一水平，但是南極大陸的冰原稍有一點(diǎn)生長(zhǎng)。那么是否說(shuō)明地球正在逐漸變冷呢？顯然，我們還不能輕易作出這樣的結(jié)論。因?yàn)槿绻髿鉁囟壬?，海水的蒸發(fā)量也會(huì)增大，與此同時(shí)，隨著大氣層中水蒸氣的增加，下雪量亦會(huì)增加，結(jié)果冰原反倒生長(zhǎng)，即冰原的暫時(shí)增加也有可能是全球變暖造成的。所以，真正的原因還有待科學(xué)家進(jìn)一步的調(diào)查。

挖掘南極冰芯的熱潮

前些年，科學(xué)家們熱衷于鉆取在南極或格陵蘭島冰原深處埋藏的冰，通過(guò)鉆取的冰芯研究其中所含物質(zhì)以及大氣信息，以了解遠(yuǎn)古時(shí)地球的環(huán)境。這項(xiàng)工作最早始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)英國(guó)、瑞士、挪威的聯(lián)合科考隊(duì)在南極的哈姆納冰原島峰鉆探出了世界第一根約100米長(zhǎng)的冰芯。1988年，美國(guó)在格陵蘭島進(jìn)行鉆孔，這次鉆探直達(dá)冰原底部的巖盤，鉆出的冰芯長(zhǎng)約1400米，最底部的冰形成于距今12萬(wàn)5千年前。南極大陸冰蓋是由積雪本身的重量長(zhǎng)年擠壓而成，稱作重力冰。在南極地區(qū)，由于氣溫低，積雪不融化，每年的積雪形成一層層沉積物，年“覆”一年，從底部至上逐漸形成一層層的冰層，越向上年代越新。冬季氣溫低，雪粒細(xì)而緊密；夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。因而，冬夏季積雪形成的冰層之間具有顯著的層理結(jié)構(gòu)差異，猶如樹(shù)干的年輪。不過(guò)，用這種直觀的方法只可辨認(rèn)約90米厚的冰層（代表近500年的冰沉積）。原則上，可以根據(jù)各年冰層厚度來(lái)確定當(dāng)年降水量。其條件是，必須選取風(fēng)速很小地區(qū)的冰芯資料才能排除風(fēng)吹雪的影響。如在南極內(nèi)陸區(qū)域，由于風(fēng)速小，冰芯資料最理想。從對(duì)理想長(zhǎng)冰芯的分析，可以正確地了解到距今最近的冰期及在此冰期之前的溫暖期的地球的氣候。這一成果，使科學(xué)家意識(shí)到冰原鉆孔對(duì)了解地球過(guò)去的重要性。

不久，美國(guó)又將這一項(xiàng)長(zhǎng)冰芯技術(shù)帶入南極大陸，在帕特基地鉆探到深約2200米的冰原底部，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)冰原鉆孔的世界紀(jì)錄。其后，蘇聯(lián)的科學(xué)家也向冰原鉆孔發(fā)起挑戰(zhàn)，在沃斯托克基地取出深達(dá)2000米以上的長(zhǎng)冰芯，這根長(zhǎng)冰芯包含了地球過(guò)去16萬(wàn)年的記錄。1990年，蘇聯(lián)科學(xué)家又鉆探出長(zhǎng)達(dá)2500米、相當(dāng)于地球過(guò)去20萬(wàn)年的長(zhǎng)冰芯。

順便指出，冰芯并不是在冰原的任何地方都可以鉆取的。因?yàn)楸膬?nèi)部就像一條流動(dòng)非常緩慢的河流，每年以大約68米的速度在流動(dòng)。南極的冰原也并不平坦，像是倒扣過(guò)來(lái)的湯碗似的，中心有冰巔，周邊位置低。由于中心外圍的冰層會(huì)在上面的巨壓下流向外側(cè)，所以，南極周邊的冰芯并不可用。所以，唯有找到中心的拱頂，在其上鉆孔，取出的冰芯才能正確反映當(dāng)時(shí)地球所在的年代。

20萬(wàn)年地球史給人的啟示

地球是正在變暖還是將再次回到冰川時(shí)代呢？地球大氣中的二氧化碳或其他成分是正在增加還是減少呢？如今，人類對(duì)地球環(huán)境現(xiàn)在與未來(lái)的狀況抱有很大的不安。如果地球持續(xù)變暖，南極大陸的冰將全部融化，則居住了世界大半人口的沿海大城市幾乎都會(huì)被淹沒(méi)。反之，如果地球持續(xù)變寒，全球都會(huì)像西伯利亞或阿拉斯加那樣終年寒風(fēng)凜冽，全球農(nóng)作物的產(chǎn)量將會(huì)銳減，人類將被置身于凍死或饑餓的黑暗歲月中。另一方面，動(dòng)植物的分布也將發(fā)生巨大的變化。所以說(shuō)，地球環(huán)境的變化對(duì)人類的生存將產(chǎn)生巨大的影響。

但是，眼下作結(jié)論還為時(shí)過(guò)早。因?yàn)?，地球環(huán)境的變化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，僅僅以其部分的變化來(lái)推測(cè)整個(gè)地球氣候走向是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。要?duì)整個(gè)地球的環(huán)境變化作出明確的回答，顯然，目前的科學(xué)數(shù)據(jù)還不夠充分。

為了預(yù)測(cè)地球的將來(lái)，就要了解地球的過(guò)去，自然界已將自身的記錄保存了下來(lái)，問(wèn)題是保存在哪里？事實(shí)上，地層、化石、樹(shù)木的年輪均載滿了記錄。另外，南極的冰芯也是了解地球過(guò)去環(huán)境變化的最好記錄之一，難怪學(xué)者們稱冰原是“凍結(jié)的時(shí)代資料儲(chǔ)存器”。

眾所周知，雪堆積起來(lái)時(shí)，其內(nèi)部包含大量的氣體。這些氣體隨著雪逐漸被壓縮成冰時(shí)，被“囚禁”在其中，與外部的大氣完全隔離。每年下的雪又在此冰上堆積起來(lái)，最終冰進(jìn)一步被壓縮成冰層。而“囚禁”在冰中的氣體變成微小的氣泡，再也不能漏泄到外面。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，這些氣泡可稱是“大氣的化石”。因此，通過(guò)鉆孔將含這種氣泡的冰取出研究，就可以知道有關(guān)當(dāng)時(shí)地球環(huán)境的許多情況，例如氣溫和濕度、火山活動(dòng)、太陽(yáng)活動(dòng)、大氣的成分、植物的生長(zhǎng)情況，以及森林火災(zāi)等。

對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最感興趣的是地球過(guò)去的溫度變化。原來(lái)最普通的氧（氧16）對(duì)其稀有同位素（氧18）在化合物中的比例會(huì)隨著溫度的變化而變化。因此，只要把氣泡中的氧16和氧18的比例測(cè)定出來(lái)，就可以知道地球當(dāng)時(shí)的溫度。研究表明，在距今1萬(wàn)多年前的最后冰期，整個(gè)地球的氣溫比現(xiàn)在低5℃，在極地比現(xiàn)在低10℃以上。

冰芯還能推斷人類活動(dòng)的情況。產(chǎn)業(yè)革命以后，地球大氣中二氧化碳與甲烷分別增加了25%和15%。直到20世紀(jì)50～60年代進(jìn)行核試驗(yàn)為止，南極的冰都正確地將人類活動(dòng)的痕跡記錄了下來(lái)。

盡管調(diào)查過(guò)去的目的是為了知道未來(lái)，但是人類對(duì)地球環(huán)境的影響只是產(chǎn)業(yè)革命以后才加劇的，所以，人類活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生的污染會(huì)引起地球什么樣的變化是無(wú)法從過(guò)去類推的。

總之，沉睡在南極大陸下的冰芯為我們提供了有關(guān)地球過(guò)去環(huán)境的新知識(shí)，但同時(shí)我們也看到了其中蘊(yùn)含著的對(duì)未來(lái)的警告。