中國網/中國發展門戶網訊 冰芯是從冰川上鑽取的圓柱狀雪冰樣品。取自冰川積累區的冰芯，包含著過去逐年積累的降雪和幹、溼沉降物質，這些物質保存著其沉積時的氣候環境信息。在 20 世紀 50—60 年代，丹麥 Dansgaard通過對降水穩定同位素的研究，發現極地地區降水中氧、氫同位素比率（δ18O 和 δD）變化與溫度之間存在密切關係；進而，他提出分析冰芯中氧、氫同位素比率變化便可重建過去氣候變化的思想，從此拉開了冰芯氣候環境記錄研究的序幕。
冰川是由固態降水（雪）長期積累、演變而成的，在粒雪通過密實化轉變為冰川冰的過程中，粒雪層中原先與大氣相通的空隙被封閉成為氣泡。因此，冰芯中包裹的氣泡是古大氣的「活化石」。冰芯不但記錄著過去氣候環境各種要素（如氣溫、降水、大氣化學和環境微生物等）的變化，也記錄著影響氣候環境變化各種因子（如太陽活動、火山活動和大氣溫室氣體含量等）的變化，同時還記錄著人類活動對環境的影響。因此，冰芯是研究過去氣候環境變化的極佳介質。
冰芯研究從極地冰蓋開始，後來擴展到中低緯度山地冰川地區，對全球變化研究作出了重要貢獻，極大地推動了冰凍圈科學和全球變化科學的發展；同時，冰芯研究可從歷史角度評價人類活動對環境的影響，為相關環境政策的制定提供了重要科學基礎。
南極和北極冰芯記錄的過去氣候環境變化
自1966 年和 1968 年冰芯科學家分別在格陵蘭冰蓋世紀營地（Camp Century）和南極冰蓋伯德站（Bryd）首次鑽取透底冰芯以來，已在南極冰蓋上鑽取了沃斯託克（Vostok）、冰穹 C（EPICA Dome C）、西南極分冰嶺（WAIS Divide）等冰芯，在格陵蘭冰蓋上鑽取了戴伊-3（Dye3）、格陵蘭冰蓋冰芯計劃（GRIP 和 GISP 2）、格陵蘭北部冰芯計劃（NGRIP 和 NEEM）等冰芯。通過對這些冰芯的研究，已揭示出過去 80 萬年來地球氣候與大氣中溫室氣體含量的變化，發現了在末次冰期時氣候變化存在明顯的突變特徵，且南極和北極氣候變化之間存在「蹺蹺板」現象，同時重建了歷史時期的太陽活動變化和火山噴發事件信息等。
軌道時間尺度的氣候環境變化
依據南極沃斯託克冰芯中 δ18O 和 δD 的記錄，重建了 4 個完整冰期-間冰期旋迴的氣候變化，並發現該冰芯記錄的冰期-間冰期旋迴的氣溫變化幅度達 12℃ 左右。南極冰穹 C 冰芯將氣候環境記錄追溯到 80 萬年前。該冰芯記錄的近 80 萬年以來的氣溫、粉塵含量和大氣溫室氣體含量（CO2、CH4 和 N2O）變化，均存在 10 萬年、4 萬年和 2.3 萬—1.9 萬年的變化周期，其中 10 萬年周期為主導周期；同時，在軌道時間尺度（冰期-間冰期時間尺度）上大氣氣溶膠含量、溫室氣體含量與氣候變化之間密切相關。深海氧穩定同位素記錄表明，在距今 120 萬—80 萬年時，更新世氣候變化由之前的以 4 萬年周期為主，轉變為之後的以 10 萬年周期為主，此即中更新世氣候轉型。有關假說認為，這一氣候轉型可能是由大氣中 CO2 含量降低所造成的。對東南極艾倫（Allan）山藍冰區域冰齡約 200 萬年的冰芯進行了研究，結果表明距今 80 萬年之前的氣溫變化和大氣 CO2 濃度變化沒有超出距今 80 萬年以來的變化範圍，但是距今 80 萬年之前的冰期時氣溫和大氣 CO2 濃度較距今 80 萬年以來冰期時的高。這一研究結果不支持中更新世氣候轉型的 CO2 降低假說，但卻說明中更新世氣候轉型之後的冰盛期時冰蓋範圍較大且大氣 CO2 濃度較低。
千年尺度的氣候變化
20 世紀 80 年代之前，人們普遍認為末次冰期時氣候是相對穩定的。然而，通過對格陵蘭戴伊-3 冰芯中 δ18O 高解析度記錄的分析發現，末次冰期時氣候存在多次突變事件，即氣候在幾十年甚至更短的時間內迅速變暖 5℃—10℃ 並進入間冰階，而在隨後的幾百年至幾千年的時間裡氣候逐漸變冷並進入冰階。這一發現引起了古氣候學界的巨大震動。Dansgaard 等通過對格陵蘭冰芯記錄的深入研究，發現距今 11.5 萬—1.4 萬年存在 24 次氣候突變事件，即 D-O 事件（Dansgaard-Oeschger Events）。基於不同地區高解析度的石筍、湖泊和海洋等沉積記錄，表明 D-O 事件在北半球大的空間範圍內是廣泛存在的。相關研究表明，D-O 事件的發生與北大西洋深層水形成速率的變化有關。對比南極和北極冰芯氣候記錄，發現當格陵蘭冰芯中 D-O 事件處於暖位相時，南極冰芯記錄的氣候狀況處於冷期，反之亦然，即末次冰期時南極和北極氣候變化在千年時間尺度上存在「蹺蹺板」現象。最近，利用全球大氣 CH4 濃度變化的同步性，對南極冰芯和格陵蘭冰芯記錄的氣候變化過程進行精確比較，發現格陵蘭地區 D-O 事件時的突然變暖早於南極氣候開始變冷 218±92 年，格陵蘭氣候變冷早於南極氣候開始變暖 208±96 年。這表明北極地區的氣候突變信息，可通過海洋環流向南半球高緯地區傳遞。
太陽活動變化
大氣中宇宙成因同位素（如 14C、10Be、36Cl 等）含量的變化與太陽活動密切相關，分析沉積在冰芯中這些同位素含量的變化就可以揭示過去太陽活動的變化信息。基於格陵蘭冰芯中 10Be 濃度記錄，發現大約在公元前 5600 年、5100 年、4200 年、3500 年、2800 年、1900 年、700 年、300 年和公元 800 年、1100 年、1700 年左右的太陽活動相對較弱。最近，依據南極和北極冰芯中的 10Be 濃度記錄，計算了全新世時期太陽總輻射量的變化。這為分析過去氣候變化的原因提供了重要資料積累。
火山噴發事件
一般來說，低緯度火山噴發物質可以通過大氣環流波及全球範圍，而中高緯度火山噴發物質的影響範圍僅限於其所在的半球範圍內。但如果中高緯度的火山噴發極為強烈，其噴發物質也可以通過平流層影響到全球範圍。格陵蘭冰芯記錄表明，過去 11 萬年來火山噴發主要集中在 3 個時期，即距今 8.5 萬—7.9 萬年、距今 3.6萬—2.7 萬年和距今 1.3 萬—0.7 萬年。其中，最後一個時期的火山活動較強，並與北半球冰蓋消退、海平面上升期相一致。這一發現有力地支持了陸地冰量變化及洋盆水量變化會導致火山活動增強的理論。對南北兩極冰芯中近 2 000 年來火山事件記錄的研究表明，南極冰芯記錄了 133 次火山噴發事件，格陵蘭冰芯記錄了 138 次火山噴發事件；其中，50 次火山噴發事件在兩極冰芯中均有記錄，這些與熱帶地區的火山噴發有關。最近，基於南北兩極冰芯記錄，冰芯研究者建立了火山噴發事件資料庫，並據此重建了近 2 000 多年來大氣氣溶膠光學厚度的變化。這為認識火山噴發所引起的輻射強迫效應，以及評估歷史時期火山噴發對氣候變化的影響提供了科學基礎。
極地冰芯微生物
冰芯中微生物研究可獲得古老微生物及微生物演化的信息。目前，在冰芯中發現的微生物主要包括細菌、病毒、藻類和真菌，其中細菌的數量最多。相關研究表明，不論是在南極冰芯中還是在北極冰芯中，冷期時冰芯中微生物數量較多，這與冷期時大氣中粉塵含量較高有關。目前，在格陵蘭不同年代（距今 14 萬—500 年前）的冰芯樣品中均發現了多種番茄花葉病毒的 RNA，在南極冰芯樣品中也發現了類似病毒顆粒。冰川內部的古老病毒是否會隨冰川的消融而釋放並造成世界衛生和疾病防控問題，是值得深入研究的重要課題。
第三極山地冰芯記錄的氣候環境變化
在冰芯科學研究之初，大家普遍認為中低緯度山地冰川上較強烈的消融會使其粒雪層中各種氣候環境指標的季節性變化信號受到嚴重影響，不適合於開展冰芯研究。20 世紀 70 年代中後期，美國 Thompson 等對秘魯熱帶奎爾卡亞（Quelccaya）冰帽開展了考察與冰芯鑽取工作，結果發現其粒雪層中 δ18O 等參數具有顯著的季節性變化信號，並以此建立了近 1 500 年的氣候變化記錄。從此，在全球範圍內掀起了山地冰芯研究的熱潮。第三極地區是中低緯度山地冰川的主要分布區域，該區域山地冰芯研究備受關注。
我國冰芯研究開始於 20 世紀 80 年代中後期，並已在第三極地區鑽取了敦德、古裡雅、達索普、東絨布、馬蘭、普若崗日、崇測、慕士塔格等大量冰芯；同時，開展了第三極地區降水中 δ18O 氣候指示意義的系統研究，據此重建了第三極地區末次間冰期以來的氣候環境變化過程。
末次間冰期以來的氣候變化
古裡雅冰芯是第三極地區記錄時間尺度最長的冰芯。該冰芯中 δ18O 記錄反映了距今 12.5 萬年以來的溫度變化存在顯著的 2 萬年和 4 萬年周期，並且與北半球 60°N 太陽輻射變化呈現一致的變化趨勢。根據青藏高原地區降水中 δ18O 與溫度的關係，揭示出古裡雅冰芯記錄的末次間冰期最暖時的氣溫比現代高約 5°C。古裡雅冰芯中 δ18O 值在距今 5.8萬—3.2 萬年高於現代，這表明那個時期的氣候已達到間冰期的程度。末次冰期時的最低氣溫出現在距今 2.3 萬年，較現代低約 10°C；距今 1.5 萬年之後氣溫逐步回升，新仙女木事件時期氣溫突然降低，距今約 1.05 萬年氣溫又開始回升，之後進入全新世。距今 7 000—6 000 年是古裡雅冰芯記錄的全新世最暖期。對青藏高原多個冰芯記錄的綜合分析表明，過去 1 000 年中最初的 300 年青藏高原地區是由溫暖氣候主導的，而這一時期正值歐洲的中世紀暖期。同時發現，青藏高原地區小冰期（15—19 世紀）時的氣溫並不是近 1 000 年來最冷的時期（最冷時期發生在 13 世紀後期），20 世紀的升溫是過去 1 000 年中最強的。
印度季風降水量變化
冰芯淨積累量是降水量的代用指標。位於喜馬拉雅山中段的達索普冰川，夏季受印度季風的影響，因此其淨積累量變化可以反映印度季風的變化。達索普冰芯近 400 年來的淨積累量記錄表明，該地區降水量在 17 世紀初期開始波動性增加，1650—1670 年降水量明顯偏高，隨後降水量逐漸降低，在整個 18 世紀降水量偏低。1820—1920 年是降水量最豐富的時期，此後降水量一直持續減少，這反映了近百年來印度季風的減弱趨勢。
大氣甲烷濃度變化
利用達索普冰芯首次獲得了近 2 000 年來中低緯度大氣 CH4 濃度的變化信息。結果表明，工業革命以前大氣中 CH4 濃度平均為 825 nL/L，比同期南極和格陵蘭冰芯記錄的大氣中 CH4 濃度分別高出約 160 nL/L 和120 nL/L，從而有力地證實了熱帶溼地是大氣 CH4 的重要源區。達索普冰芯記錄的大氣中 CH4 濃度從 1850 年開始急劇上升，在過去 150 年內增加了 1.4 倍，這反映了人類活動對大氣中 CH4 濃度的影響。
冰芯微生物與環境
近年來，第三極冰芯微生物研究也取得了長足進展。通過第三極不同區域冰芯中微生物記錄的研究，揭示出冰芯中微生物數量變化與粉塵含量變化之間存在正相關關係，並且發現降水量較高地區的冰芯中微生物多樣性較高，而降水量偏少地區的冰芯中微生物多樣性較低。最近，從青藏高原古裡雅冰芯中冰齡約 520 年和 1.5 萬年的 2 個樣品中發現了 33 組病毒種群的遺傳信息，並且 28 組是全新的。由於第三極冰川距離人類活動區域較近，應關注這一區域冰川微生物與環境及人類之間關係的研究。
冰芯中人類活動信息記錄對環境政策制定的推動作用
從農業時代開始，人類從事冶煉、種植等活動時的產物，以及工業化以來在化石燃料消耗、冶金生產、各種化學化工生產、核試驗等活動後的產物，通過大氣環流傳輸後，其中一部分會沉降到冰川表面，並在冰芯中記錄在案。通過對冰芯中人類活動各種產物含量與其自然環境背景含量的對比分析，可評估人類活動對環境的影響程度，從而使冰芯研究成果服務於相關環境政策的制定。
冰芯中鉛含量記錄推動含鉛汽油禁用政策的實施
工業汙染物往往會對人體健康造成很大的危害。因此，各國政府和國際社會關於汙染物對環境及人體健康的影響極為關注，並積極制定相關政策以防止汙染。例如，鉛（Pb）是一種對人體危害極大的有毒重金屬，鉛及其化合物進入人體後將對神經、造血、消化、腎臟、心血管和內分泌等多個系統造成危害。20 世紀 60 年代，對格陵蘭世紀營地冰芯中鉛含量記錄的研究，發現自 1750 年人類工業化開始，冰芯中鉛含量逐漸增加；而從 20 世紀 30 年代歐美經濟復甦及汽車產業的大發展以來，冰芯中鉛含量增加十分迅猛；到 20 世紀 60 年代大約增加到 7 000 年前冰芯中的 200 倍。正是這個發現促使歐美國家從 1970 年開始限制含鉛汽油的使用。在這一政策的直接影響下，20 世紀 70—90 年代格陵蘭冰芯記錄中的鉛含量迅速降低（圖 1）。
冰芯中溫室氣體含量記錄推動溫室氣體減排政策的制定
現代氣候變暖主要是由於大氣溫室氣體含量增加引起的。全球變暖會帶來冰川融化與海平面上升、極端天氣事件頻發、自然災害加劇、土地荒漠化、水資源安全與生態安全等一系列關係國計民生的重大問題，因此各國政府與國際組織極為關注全球變暖問題。冰芯記錄表明，大氣中 CO2 含量在過去幾十萬年的時間裡從未超過 300 μL/L，而且在冰期-間冰期時間尺度上其變化振幅為 80—120 μL/L；1750 年，地球大氣中 CO2 含量約為 280 μL/L（圖 2），維持在間冰期的自然含量水平之內。然而，隨著人類工業化進程的加快和化石燃料的大量消耗，使得地球大氣 CO2 含量在 20 世紀初就超過了 300 μL/L；到 2006 年時觀測到的地球大氣 CO2 含量已超過 380 μL/L；2016 年已上升到 400 μL/L 以上。目前，地球大氣中 CO2 含量已遠遠超出了間冰期時大氣中 CO2 自然含量的上限，而且在工業化以來地球大氣中 CO2 含量的上升幅度已經達到甚至超過了地球大氣 CO2 含量在 10 萬年周期上的自然變化幅度。除 CO2 外，冰芯記錄的 N2O 和 CH4 含量自 1850 年以來也迅速上升。人類活動排放引起的大氣溫室氣體含量的快速增加，已引起了全球科學家及各國政府的廣泛關注，催生了溫室氣體減排方案的制定。鑑於目前大氣溫室氣體含量仍處於「高速」上升狀態，減少溫室氣體排放、應對全球變暖刻不容緩。
冰芯科學的產生與發展源於學科交叉與分析技術的提高。認識冰芯科學研究與其他學科研究之間的交叉點，是冰芯科學發展的突破口。提出影響人類健康與發展的重大環境問題的冰芯解決方案，是冰芯科學研究服務人類社會的價值所在。建立冰芯中痕量、超痕量物質連續的、高解析度的分析方法與技術，是提取我們目前還沒有認識到的、更多的地球氣候環境變化甚至宇宙環境變化信息與過程的關鍵。發展冰芯精確的測年方法與技術，是我們準確理解氣候環境變化過程、機制與原因的重要支撐。這些是冰芯科學發展的必由之路，也是冰芯科學研究為提高氣候環境變化預測能力和促進人地關係協調發展服務的科學基礎。
冰芯是地球氣候環境變化的天然檔案庫。然而，隨著全球氣候的進一步變暖，山地冰川會逐漸消亡，極地冰蓋的消融也將呈增加趨勢。這意味著冰芯這一天然檔案庫存在「融化消失」的極大風險。為了更好地認識我們所居住的地球環境的變化，拯救冰芯是當務之急，而這一點西方國家走在了前面。早在 1993 年，美國在科羅拉多州首府丹佛建立了美國國家冰芯實驗室（National Ice Core Laboratory）；2018 年，該實驗室更名為美國國家科學基金會冰芯機構（National Science Foundation Ice Core Facility）。該機構是對取自全世界不同地區的冰芯進行保存與管理，鼓勵不同學科的科學家利用該機構的冰芯樣品開展科學研究。2015 年，歐洲科學家發起了「冰存儲計劃」（Ice Memory），其目的是建立一個國際冰芯儲存庫，將取自全球關鍵山地、亞極地和極地冰川的冰芯儲存在溫度極低的南極地區，為未來的科學家提供高質量的冰芯樣品以從事相關科學研究。
以青藏高原為主體的第三極是中低緯度冰川發育最多的地區，加強南北兩極研究是我國現在和未來發展的需要。在全球變暖加劇、冰川加速消亡的今天，應儘快拯救冰芯資源，建立我國的冰芯檔案儲藏庫，為國家發展及後世科學研究服務。（作者：姚檀棟，中國科學院院士，中國科學院青藏高原研究所所長；秦大河，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室；王寧練，中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心、西北大學 城市與環境學院、陝西省地表系統與環境承載力重點實驗室；劉勇勤、徐柏青，中國科學院青藏高原研究所 、中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心 。《中國科學院院刊》供稿）