冰封的气候年鉴——Crafoord奖获得者Willi Dansgaard教授成就解读

利用冰芯进行古气候重建对研究过去全球变化至关重要。最早认识到格陵兰冰盖中记录着地球过去气候变化历史的人是丹麦古气候学家、哥本哈根大学Willi Dansgaard教授。Dansgaard教授通过对降水稳定同位素比率变化的研究，提出了冰芯古气候研究的思想；通过对格陵兰冰芯记录的研究，使人们对过去气候变化取得了革命性的认识。1995年，Crafoord地球科学奖授予了Dansgaard教授和Nicholas Shackleton教授，其理由是他们在发展和应用同位素地质分析方法进行第四纪气候变化研究方面做出了奠基性的工作。除此之外，Dansgaard教授还曾获得过Seligman Crystal奖、Tyler奖、Vegas奖章和Hans Egede奖章等。

1 早期学术生涯

 Dansgaard教授于1922年出生在丹麦哥本哈根，后来在哥本哈根大学学习物理学。大学毕业后，他在丹麦气象研究所参加工作。1947年，他前往位于格陵兰西北部Disko岛上的Godhavn地磁观测台，开展地磁观测与研究工作。格陵兰神奇、广袤、严酷与美丽的自然环境，使Dansgaard为之着迷。正是这第一次在格陵兰工作的经历，成了他一生为格陵兰科学事业奋斗的开始。正如Dansgaard自己所说：尽管我没有想当一个极地英雄的雄心壮志，也没有成为一个极地英雄，但我经历了英雄们所经历的美妙世界，并努力为探索这个世界做出自己的一点贡献。

在丹麦气象研究所工作一段时间后，Dansgaard转到丹麦气象局工作。在第二次世界大战后，西方国家迅速发展气象观测与天气预报服务。随着无线电通讯技术的发展，以及无线电探空仪在气象观测中的应用，使当时的气象观测与研究不仅向国际化方向发展，而且向三维空间发展。在这种趋势下，Dansgaard认为气象学比地磁学是一个更加激动人心的研究领域，于是Dansgaard在1951年回到哥本哈根大学，从事他热爱的气象与气候学的研究与教学工作。在那里他一直工作到1992年退休。

2  水稳定同位素研究

Dansgaard教授创立了稳定同位素气象学。1952年6月21日，哥本哈根是阵雨天气。当在家休息的Dansgaard看到屋外的阵雨时，便思考雨水的稳定同位素组成问题：这次阵雨和下次阵雨的雨水中稳定同位素组成会发生变化吗？他考虑到自己已安装的质谱仪很少被利用，不妨试着分析一下雨水的稳定同位素组成。于是，他从家里拿出空的啤酒瓶，瓶口安上漏斗，放在屋外的草坪上收集雨水。每次收集完一个降水样品，他立刻把样品装入密封容器中。在随后的一两天，低压系统过境，产生持续降水过程，他继续收集降水样品。当他把雨水样品的稳定同位素组成分析结果与天气过程对比时，奇迹出现了。在暖锋过境之前的阵雨水样中，其雨水中d¹⁸O值是相对一致的，而在锋面系统过境时降水中d¹⁸O值变化是显著的。基于饱和水汽的稳定同位素分馏过程，Dansgaard从理论上推导和计算了凝结温度对降水中d¹⁸O值的影响，并发现计算结果与观测值非常一致。这也为当时相关研究所揭示的冰川融水中d¹⁸O值较海水、内陆湖水、大气水汽中d¹⁸O值偏小的原因给出了合理的解释。Dansgaard这一小小的实验及其发现，开创和奠定了稳定同位素气象学的基础，具有划时代的意义。

Dansgaard教授发现了大气降水稳定同位素比率变化的温度效应和降水量效应。1961年国际原子能机构水资源研究计划和世界气象组织共同发起和组建了全球大气降水样品收集网络系统，Dansgaard教授参与了该项工作。Dansgaard对全球降水稳定同位素从观测事实到理论分析进行了系统的研究，不仅发现了降水稳定同位素比率变化的温度效应（这一点为冰芯古气候研究奠定了科学基础）和降水量效应，还提出了过量氘的概念，并指出了其环境指示意义。这些成果以“Stable isotopes in precipitation”为题，于1964年发表在Tellus杂志上。该论文是降水稳定同位素研究领域的经典论文，是从事水稳定同位素和冰芯古气候等方面研究人员和研究生的必读文献。

3  冰芯古气候研究

 Dansgaard教授提出了冰芯古气候研究的科学思想。1950s初，当Dansgaard发现温度对降水中稳定同位素比率变化具有控制作用时，他提出了一个大胆的预言：格陵兰冰盖冰雪中存在明显的年层，分析这些年层中水稳定同位素比率值的变化，并根据降水稳定同位素比率值与温度之间的关系，就可以揭示出过去几百年的气候变化。这就是利用冰芯重建古气候变化的科学思想！然而，要利用冰芯来重建古气候，首先要获得冰芯。1957年，法国、德国、瑞士、奥地利和丹麦联合组织了国际格陵兰冰川考察计划。Dansgaard教授直接联系了这个计划的执行委员会，并得到了该计划的支持。基于EGIG的浅粒雪芯，Dansgaard首次利用冰（雪）芯建立了1910年至1950s末格陵兰地区的气温变化，并揭示出1920~1945年是一个温暖时期，进入1950s气候存在变冷的信号。这一研究拉开了冰芯古气候研究的序幕。

Dansgaard教授建立了世界上第一个长时间尺度的冰芯古气候记录。冷战时期，美国军方在格陵兰地区建立了多个基地，以防止苏联从北冰洋方向攻击美国。Camp Century就是美国军方在格陵兰冰盖西北部冰面上建立的一个营地，他们在该营地的粒雪层中开挖了多条相互连通的、长几公里的坑道，进行各种试验，包括核反应堆试验。1964年，Dansgaard来到格陵兰Camp Century营地考察。该营地属于军事化管理，未经许可任何外来人员不得随意参观。Dansgaard无意中发现，来自美国陆军CRREL的技术人员在一个坑道内利用机械钻机进行冰芯钻取，但是他被拒绝接近冰芯钻取现场。尽管当时Dansgaard不知道美国钻取冰芯的目的，但他认为自己长期梦寐以求的在格陵兰获得古老而连续的雪冰年层样品并进行古气候重建的想法可以实现了，因为丹麦政府有一个规定，即所有外国考察队在丹麦领地上采集样品，如果丹麦科学家需要的话，样品必须共享。Dansgaard从Camp Century营地考察结束后，给美国陆军CRREL负责Camp Century冰芯的C. C. Langway教授提交了他关于该冰芯的一个研究计划，并写道：1）我有关于自然界水循环过程中稳定同位素组成变化研究的经历；2）我已利用格陵兰内陆EGIG粒雪芯中d¹⁸O进行了过去气候变化的重建研究；3）我可与CRREL合作但不需要CRREL经费支持，完成Camp Century冰芯从顶部到底部详细的稳定同位素分析。从此，Dansgaard加入到Camp Century冰芯的分析与研究队伍中，并与C. C. Langway教授开始了长期的合作研究关系。1966年夏季，世界上第一支透底深冰芯在Camp Century营地钻取成功，长度为1390m。Dansgaard通过对该冰芯不同深度的1600个样品中d¹⁸O的分析，建立了世界上第一个长时间尺度的冰芯气候记录，揭示了末次冰期以来完整的气候变化过程。自此，冰芯科学研究便步入古气候与环境研究的国际舞台，在古气候科学研究中具有里程碑的意义。

Dansgaard教授发现了末次冰期时的气候突变事件——D-O事件。Dansgaard认识到开展冰芯古气候研究的科学价值，于是建立了自己的冰芯研究团队。在他的领导下，于1981年在Dye 3地点成功地钻取了2038m透底冰芯，并对该冰芯进行了共计61000多个样品的高分辨率采样，分析了该冰芯中d¹⁸O记录，发现末次冰期时存在多次气候突变事件。在当时人们普遍认为末次冰期时气候是相对稳定的情况下，Dansgaard的发现引起了古气候学界的巨大震动。

Wally Broecker教授认为冰芯研究所发现的气候突变事件具有重大科学意义，值得深入研究。于是他于1987年召集了欧美科学家联席会议。在会议上，Dansgaard力主欧洲和美国各钻取一支冰芯，而不是欧美联合钻取一支冰芯。会议最终接受了Dansgaard的主张，即形成了欧洲在格陵兰中部最高点开展的GRIP冰芯计划，以及美国在距其西侧28km处所开展的GISP 2冰芯计划。Dansgaard领导的GRIP冰芯计划，于1992年夏季成功地钻取了长3029m的透底冰芯。GRIP冰芯清晰地揭示出，在末次冰期时存在24个气候突变事件。这些气候突变事件是Dansgaard教授在Dye 3冰芯记录中首先发现的，之后被Hans Oeschger教授所证实并给出解释。因此以他们的名字来命名这些气候突变事件为Dansgaard-Oeschger Events，即D-O事件。D-O事件的发现，使人们对末次冰期时的气候变化有了革命性的认识。

Dansgaard教授是冰芯古气候研究的第一人。他在面对自然界时，不仅在“想”（科学思想）、在“做”（科学实践），而且在“究”（理论深究）。他在探索科学和追求科学过程中的“想”、“做”、“究”精神，是我们科技工作者学习的榜样。只有想前人未想、做前人未做的事情，并追寻科学的真谛，才能做出具有里程碑和划时代意义的科学成就。