冰芯——封存的過去與蘊含的未來

三千四百萬年(34ma)前，地球結束了持續三千多萬年溫暖的無冰期。起初，南極的冰蓋開始發育。在距今六百萬年(6ma)到三百六十萬年(3.6ma)前的數百萬年間，格陵蘭島出現非永久冰蓋。三百六十萬年來，兩極冰蓋再未曾消亡，靜默在地球的南北兩端，在南極和格陵蘭島，它們將無數的奧秘封藏在茫茫冰原之下。

如今，南極大陸的冰蓋平均厚度2500m，覆蓋了1398萬平方公裡的面積，比中國陸地面積還要大。格陵蘭島的冰蓋平均厚度1500m，面積182萬平方公裡，是北半球最大的冰體。

當雪降落在極地，極低的溫度讓它在還未融化時便因為被不斷累積的雪壓實、重新結晶、再凍結而變成冰，成為冰蓋的一部分。冰蓋逐漸增厚，受到自身重力的影響，加之極地的狂風的推動和冰融水的潤滑，極地的冰層夜以繼日地流動著。從最厚的冰穹頂部開始，冰層向外流動。流動的速度受到地表坡度和冰層厚度的影響。在冰穹頂部，冰層流速一般在每年幾釐米到幾米之間。而在冰蓋邊緣，這一速度可以達到每年幾百米甚至幾公裡。

當更多的雪降落、堆積，之前的落雪被埋藏、壓實轉化為冰的過程中，空隙在減小，其中的空氣也一點點減少。當被埋藏至50m深度處，空隙中的空氣便幾乎不流動，作為氣泡被封存。

這些氣泡是冰初形成時的地球大氣，蘊含了關於過去的無窮訊息。

除了氣泡可以反映古大氣成分，冰芯中可以分析的每一個參數都承載著地球系統變化過程的信息。

冰芯的氧同位素比率的變化指示氣溫高低的變化；

冰芯的積累速率指示降水量大小的變化；

冰芯中微粒含量和各種化學物質的變化可以指示各時期的大氣粉塵濃度、火山活動。

它們就像標本和化石，等待著我們解譯。

冰芯，就是我們解讀這莽莽冰原所蘊含秘密的鑰匙。在過去的五十多年中，冰芯為人們了解過去氣候環境變化提供了大量的信息。人們在南極、格陵蘭鑽取了涵蓋多種時間尺度的冰芯，為重建古氣候提供了寶貴的材料。

選擇打鑽的地點對於獲得高質量的冰芯至關重要。受冰蓋流動的影響，冰蓋下部的冰層處在變形當中。首先，為選擇一個合適的鑽取點，一般會在冰穹頂點進行鑽取。因為冰穹頂點下部的冰層流動緩慢，這一處的底部冰層的層序較其他位置保存較好。

其次，還要考慮冰蓋下部的地形。如果冰蓋下部的基床不平整，便會造成冰流的不規則運動，最終導致冰層擾亂。

之後，冰層的厚度、鑽取點的降水量也都是需要考慮的因素。冰層越厚，在相同的累積速率下，累積的時間便越久，我們能從中獲取的氣候信息便有更長的時間跨度。鑽取點降水量要適中。較小的降水量意味著冰蓋累積慢，在較長時間內冰蓋只能增長較小厚度，為我們區分不同年代的層位帶來困難。而過大的降水量將造成較大的冰流，使下部的古老冰層受到影響。如果你讀過《偉大的悲劇》一文，一定能經由茨威格的文字感受到極地那極端惡劣的氣候。「層層疊疊的冰障隱藏著這最後的秘密……永恆的冬天作守護神，用嚴寒和暴風雪築起最雄偉的壁壘，擋住進去的通道。死的恐懼和危險使勇士們望而卻步。」

當然，隨著時代的進步和科學的發展，兩極的神秘面紗正逐步揭開。科學家在那裡進行著逐步深入的考察，世人對於兩極的了解日益增長。但有一點還是讓人忍不住好奇。考察者們是如何在徹骨寒風、狂飛雨雪裡打通堅硬的冰層，獲得冰芯的呢？就冰芯鑽探技術目前的發展而言，鑽取冰芯的方法主要分為兩類：機械方法(mechanical)或者熱力學方法(thermal)。兩種鑽機的區別在於，機電鑽機的鑽頭是切割器，通過切割打入冰蓋內部。

而熱電鑽機的鑽頭是環狀加熱器，通過加熱使冰柱周圍的冰融化，來獲得柱狀冰芯。

根據所需要獲得的冰芯長度，野外工作者會採用不同的打鑽工具。如果想要獲得一根20～30m長的冰芯，野外工作者會使用手動螺旋鑽(hand auger)。手動螺旋鑽是最常見的機械鑽，由取冰管和切割頭組成。

我們可以看到，自鑽頭沿取樣管而上螺旋環繞著一圈突出的線，這是為了在鑽取冰芯時將切割下的冰芯周圍的碎冰沿著線纜運移，使冰屑離開鑽頭下的切割面。當需要40m以上長度的冰芯時，就需要使用機電鑽機(electromechanical drills )或熱電鑽機(electrothermal drills)，在打鑽時要將鑽機用線纜支撐在鑽塔上。下圖為一種使用機電鑽機的鑽井。鑽塔支撐著線纜來懸掛鑽機。這種鑽井叫做懸索鑽井，是現在鑽取中等和深度冰芯最常用的鑽井。

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鑽機使用的電機通過線纜中的電線獲得動力。因為機電鑽機是通過電力旋轉鑽頭進行鑽探，所以需要使用反扭距器，來防止懸掛的線纜跟隨鑽機轉動而擰結。鑽管分為兩個部分，內管和外管。內管用來存放切割下的冰芯，外管則是存放切割過程中產生的冰屑，冰屑沿內管外部的螺旋線(被叫做Flights)移動。使用熱電鑽機的鑽井結構也基本如此，但是因為打鑽過程中不需要旋轉切破冰體，所以沒有反扭距設備。熱電鑽機只有一層鑽管用來存放冰芯，鑽頭加熱器產生的融水被存儲在鑽機上部的蓄水罐內。也有一些鑽機使用蓄水罐存儲防凍液，將防凍液注入融水中，防止融水結冰幹擾取鑽。

熱電鑽機的原理是通過加熱將冰芯周圍一圈的冰體融化，來達到鑽入冰蓋內部的目的。當冰蓋溫度低於-15°C時，熱電鑽機需要產生大量的熱才能融化冰體，而這些熱量會對冰芯產生影響。因此，一般冰蓋的溫度在-10°C以上時，野外工作人員才會使用熱電鑽機。在鑽取長冰芯時，一定深度處的冰體會膨脹，將鑽孔重新封閉。因此，在鑽取冰芯過程中，大多野外項目會選擇注入防凍液，來防止融水重新結冰，並保持壓力平衡，防止鑽孔周圍冰體膨脹、閉合鑽孔。現在，我們知道了冰蓋下為何會封藏千百萬年來的記錄；明白了為什麼需要冰芯來解讀古氣候信息；了解了科研人員在兩極選擇打鑽地點、打鑽工具的依據。