古氣候和古環境的檔案室

　　氣候變化早為人們關注，洪澇、旱災早與人類的生產、生活甚至生死存亡休戚相關。自有文字以來，各地旱澇災情的記載隨處可見，可見氣候與人類關系之密切。

　　近年來，人們又議論著一個新的話題：世界氣候真的會越來越暖嗎？世界氣候變暖真能把南極大陸的冰蓋融化嗎？海平面真的會因此而出現災難性的上升嗎？……

　　過去，環境變化并未被人們重視。然而，近來，人們在關注氣候變化的同時，也關心著環境狀態的演變。諸如，城市空氣是否變得污濁，飲用水和食物是否被污染，南極臭氧洞是否能向北移動威脅人類的安全，……

　　要評價現代氣候和環境的變化很自然地要考證過去氣候和環境的歷史資料。然而，有觀測記錄的歷史氣候資料，最長的只有數百年，而歷史環境資料就更短了，真正有觀測記錄的是最近幾十年的事。

　　科學家們知道，氣候和環境變化的準周期長短不一，有幾年，幾十年，幾百年甚至幾千年。因此，恢復古氣候和古環境變化資料，是研究未來氣候和環境演變的基礎。

　　我國氣候學奠基人竺可楨先生首先采用古代文字記載，物象等手段恢復了我國5000年來的氣候演變，成為世界上研究古氣候變化的一個里程碑。然而，恢復古環境資料，恢復比5000年更古老的氣候資料仍然沒有得到解決。

冰芯

　　正當氣候學家和環境學家冥思苦想的時候，冰川學家幫了大忙。

　　冰川學家在研究南極大陸冰蓋的年齡及其形成的歷史過程時，采用了鉆取冰巖芯樣品的方法來測定冰川的年齡和形成過程。他們發現，從冰川的冰巖芯樣品中，不僅能測定冰川的年齡及其形成過程，還可以得到相應歷史年代的氣溫和降水資料，以及相應年代的二氧化碳等大氣化學成分含量，開辟了恢復古氣候和古環境的新的道路。

　　由于南極大陸的冰蓋厚度深達幾百至幾千米，而且氣候極其寒冷，成冰過程中無融化現象，因而，從這兒鉆取的冰巖芯樣品能較準確地代表歷史氣候和環境的真實狀況，這是南極得天獨厚的條件。

　　記載表明，從南極大陸冰蓋獲取的冰巖芯樣品，至今已超過2000米，獲得了15萬年以前的古氣候和古環境資料。

　　怎樣從冰巖芯中獲取古氣候和古環境資料呢？

　　首先，談談怎樣獲取冰齡的資料。南極大陸冰蓋是由積雪本身的重量長年擠壓而成，稱作重力冰。在南極地區，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構差異，宛如樹干的年輪一樣，用這種直觀的方法只可辨認約90米厚的冰層，代表近500年的冰沉積。

　　要測定100米以上深度的冰層年齡，必須采用氧同位素方法。

    所謂氧的同位素，即同屬氧元素（O）但具有不同質量數的氧原子，如16O，17O和18O就是氧的三種同位素。氧元素符號左上角的數就是它的質量數，顯然，18O的質量大于16O。18O不易蒸發，16O易蒸發。因而，在夏天高溫時，水中所含16O減少，故18O/16O的值增加；冬天低溫時，18O/16O的值減小。據此，測定冰巖芯中各冰層的18O/16O值的變化，即可確定冰層的年齡：其比值的每一起伏為一年。

　　有了冰層的冰齡資料，再進一步確定各冰齡的氣溫和降水，便有了歷史氣候的最基本資料了。

　　原則上，可以根據各年冰層厚度來確定當年降水量。其條件是，必須選取風速很小地區的冰巖芯資料才能排除風吹雪的影響。如，在南極內陸區域，由于風速小，冰芯資料最理想。

　　用冰巖芯提取古代氣溫資料的方法，可通過如下途徑來進行。

　　首先，實際測定一組現代南極冰蓋上某點的氣溫以及相應時間降雪中18O/16O的值，得到南極地區氣溫與18O/16O值關系的曲線；之后，把過去某一年冰層中18O/16O值與上述曲線比較，即可知道當年的氣溫。

　　原蘇聯科學家利用這種方法，測定了南極東方站0～2038米的冰巖芯樣，從中提取了15萬年以來全球氣溫的變化資料。

　　獲取古環境資料的方法可根據不同的大氣化學成分而定。

　　二氧化碳與氣候的密切關系，早為世界關注。因此，獲取二氧化碳歷史資料的問題首先得以提到日程。

　　在南極地區降雪堆積并擠壓成冰層的過程中，總會保留下冰間空穴，，保存著當年的空氣。在分析冰巖芯樣品時，分析冰芯中滯留氧泡的大氣化學成分，即可測得其二氧化碳的含量。有了上述測定冰齡的前提，二氧化碳的歷史演變資料即可得到。

　　依照同樣方法，還可分析得到諸如甲烷、氮等氣體的歷史資料。

　　從冰巖芯樣品中還可分析其它各種元素成分的歷史資料，如：硫，砷，氟，鉀，……這些都是研究環境變化的重要依據。同鉆取冰巖芯樣品分析古氣候和古環境資料的思路一樣，從南極地區的湖底沉積中鉆取巖芯，也可得到古氣候和古環境的歷史資料。

　　為什么從湖底沉積物的柱狀剖面中能夠提取古氣候和古環境的信息呢？

　　大家知道，在氣候嚴寒的極地條件下，溫度是植物生長的主要限制因素。溫度高，有利于植物生長，溫度低，植物生長受到限制。可見，有機質含量高和植物殘體豐富應指示相對高溫條件；反之，有機質含量低和植物殘體貧乏應指示相對低溫狀況。據此，可以用湖底沉積物樣品各沉積層中的植物殘體含量變化來定性地描述歷史氣溫的變化趨勢。另外，由于南極地區氣溫低，植物有機體分解緩慢，因而，湖底沉積物中能保存較多沒有完全分解的或比較完整的植物殘體，為我們通過湖底沉積物來反演歷史氣候變化資料提供了可能條件。

　　南極地區湖底沉積物樣品的年齡是采用14C方法測定的。要知道14C方法測定年齡的道理，首先我們要了解什么叫14C。14C即原子質量數為14的碳原子。其次，我們要知道14C的性質。在自然界中，所有含碳物質均在與大氣不斷地交換，而產生新的14C補充于該含碳物質中；同時，按照放射性衰減的規律，14C又在不斷地減少，如此補充和衰減的綜合結果，使所有含碳物質中的14C含量保持動態平衡。然而，一旦含碳物質停止與大氣交換（如：生物死亡，碳酸鹽沉淀理藏于地下等），14C得不到補充，原來含有的14C將按其衰減規律減少，即每隔5730年左右，14C含量將減少一半。

　　了解了14C的性質，14C測年法也就不難明白了。從埋藏在地下的生物殘體或含碳樣品中，測定含碳樣品中14C的原子數，再與現代自然界里相同含碳物質中14C的原子數相比較，就能知道樣品的14C原子數減少了多少，根據其半衰減周期為5730±40年的規律，該樣品的歷史年代就可找到了。

　　南極地區為人類蘊藏了如此豐富的古氣候和古環境檔案資料，應該能為研究現代和未來氣候的演變提供有效的科學依據。

　　例如，從南極內陸冰芯中獲得的15萬年來氣溫演變資料不難看出，距今2萬年以來，全球氣溫開始上升，近1萬年以來一直處于高溫期間(間冰期)，這與近數十年來實測全球平均氣溫逐漸增高的結果相符。這是"人類活動影響全球變暖"的有力證據。于是，有人預測，未來氣候將逐漸變暖，論據是工業發展和人類活動將不斷排放出更多的二氧化碳和甲烷等溫室氣體，加熱大氣。然而，根據冰芯得到的氣溫歷史資料也表明，在距今約12萬年到14萬年之間，地球上也有一個高溫期，且其平均氣溫值要比近1萬年來的平均氣溫值還要高。如果說，近一萬年來，尤其是近百年來地球上氣溫升高是由于人類及工業活動的影響，那么，距今十多萬年前的高溫期是否也是受人類和工業活動的影響呢？從已知的人類發展史來看，顯然，目前還沒有充分的根據證明是人類活動的影響。

　　人類在討論數十年來全球平均氣溫升高的原因時，往往歸咎于二氧化碳含量增加產生的“溫室效應”。若僅就這數十年的情況看，的確，兩者之間似乎存在著正相關。然而，若仔細對比二氧化碳含量與氣溫變化之間關系，情況就不完全相同了。例如，距今11萬年～10萬年間，氣溫一直在升高，但同期的二氧化碳含量卻在下降。這說明，氣溫和二氧化碳濃度變化之間并不一定都有明顯的成正比變化的關系。

　　可見，由南極地區冰巖芯反演得到的古氣候和古環境資料，一方面為未來氣候和環境變化可提供預測依據，同時，也可為解釋當今氣候環境變化的原因提供有效的科學思路。

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