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同为“无字天书” 冰芯凝气候历史 湖芯藏环境档案

2020-06-30 来源:健农信息网 编辑:李德

核心提示

冰芯和湖芯被钻探出来后,为保证顺序和层次不乱,需要进行编号,标示出每一段冰芯和湖芯的上下顺序;为防止污

  同为“无字天书” 冰芯凝气候历史 湖芯藏环境档案

  本报记者 陆成宽

  冰芯被称为“无字的环境密码档案库”。近日,我国科研人员利用自主设计的冰芯热钻系统和湖芯重力钻系统,首次获得喀喇昆仑山脉境外的深冰芯和湖芯样本。这些冰芯和湖芯样本可用于重建泛第三极地区的气候环境变化历史。

  那么,冰芯和湖芯到底如何生成的?它们有哪些记录环境变化的指标?冰芯和湖芯测定出的数据,有什么现实意义?就以上问题,科技日报记者采访了相关专家。

 

  气候环境的无字“档案库”

  实际上,所谓的冰芯就是用钻探设备在冰川内部打出来的圆柱状冰体。在高原高寒处,降雪一年年堆积,而这些雪在一定的海拔高度或极地地区基本不会消融,会逐渐形成冰川。在长达几千年甚至百万年的日积月累中,降雪层层累积,年复一年,从底部往上就会逐渐形成不同的冰层,这些冰层从底部向上年代越来越新。

  研究人员告诉记者,一般而言,冬季气温较低,形成的雪粒特点是细而紧密;而夏季气温偏高,形成的雪粒呈现粗而疏松的状态。因此,冬夏季积雪形成的冰层之间会出现明显的层理结构差异。

  由此,研究人员从冰川中取出的这根“冰棍”,承载着几千甚至百万年气候环境变化留下的“史料”。它不仅记录着过去气候环境自然变化的信息,还记录着过去人类活动对于气候环境的影响。“冰芯里的冰形成于哪一年的降雪,就记录了哪一年的环境信息,因此研究冰芯就像读历史书一样,从底部到顶部,从老到新,我们可以把整个气候环境变化的历史恢复出来。”中国科学院青藏高原研究所研究员徐柏青告诉科技日报记者。

  与冰芯类似的是,湖芯也是研究人员钻取而出的圆柱体,不同的是,湖芯来自湖泊沉积物,是从气体或水体中自然沉降到湖底并堆积起来的物质,各个年代的沉积物一层层累积,其中的一些化学或生物指标可以反映当时的沉积环境和气候条件。“与大尺度的环境变化记录者冰芯相比,湖芯是区域气候环境变迁以及人类活动历史等的忠实记录者。”徐柏青说。

  钻取和保存方式各不相同

  钻取冰芯并不是一件容易的事情。在冰川中获取冰芯,需要用一套特殊的钻探系统,比如机械钻或热钻。在钻取之前,科考队一般会对目标冰川进行考察,包括地质地貌、冰层厚度、冰下地形等。在冰川的中部或下部钻取冰芯可能会碰到消融区或流动的冰川,受到的干扰因素较多。“一般都在冰川的顶部、地势比较平坦的地方进行钻探,这样可以保证冰层信息的完整性以及连续性。”徐柏青说。

  此外,研究人员还介绍,为了保证打上来的冰芯不会融化,所以冰芯都要在夜里打。根据实际的地形条件,科研人员还要选择不同的钻,例如热钻靠热环往下融,便于打深,但要通电,陡峭的冰川没法带发电机上去;而冷钻又分为机械钻和重锤钻等,使用的时候要根据冰层的硬度和厚度等因素进行选取。

  钻取湖芯的过程则更加考验经验和耐心。科考队员们将取样管触到湖底后,通过重力作用使沉积物样本进入管中,再将取样管提起。如果取样器触到沉积物表面时角度出现偏差,那取得的沉积物就不能真实反映年代气候。同时,取样量也要恰到好处,如果取样管下沉过浅,就可能取不到样本,如果下沉过深,取样管中的样本就可能被严重挤压导致变形。

  冰芯和湖芯被钻探出来后,为保证顺序和层次不乱,需要进行编号,标示出每一段冰芯和湖芯的上下顺序;为防止污染,还要进行严格的封装。

  对于冰芯和湖芯保存,两者也存在较大差别。“冰芯必须在冷冻环境下进行保存,冷库的温度一般为零下25℃;但是湖芯是不能冷冻的,湖芯一旦冷冻,它的结构就会发生变化,一般会把钻取的湖芯放在4℃—7℃的环境下保存。”徐柏青说。

  记录环境变化的指标有所区别

  在徐柏青看来,可以把冰芯记录环境变化的指标分成三大类。

  “第一类就是冰本身携带的信息,也就是在‘水分子’上做文章。”徐柏青说,水分子由氢和氧两种元素组成,测量冰芯中的氢、氧同位素的比率可以推算过去的环境温度高低,冰芯的积累速率可以显示出降水量大小的变化。

  高原上的冰来源于降水,在降水的过程中,会发生同位素分流的现象,相对重的同位素容易随降水落下,而相对轻的同位素则更容易形成气体。“这个分流过程与温度有很大的关系,我们通过同位素的测定,就可以分析出当时大气的温度。”徐柏青说。

  此外,冰本身的结构、晶体大小及其排列都与它形成时的环境有很大关系,能够反映出冰川形成的动力特征与过程。