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Hold infinity in a bubble, and eternity in the ice core. 一段冰芯怎样蕴含无穷的过去？一颗气泡如何诉说无限的世界？ 三千四百万年(34ma)前，地球结束了持续三千多万年温暖的无冰期。 起初，南极的冰盖开始发育。 在距今六百万年(6ma)到三百六十万年(3.6ma)前的数百万年间，格陵兰岛出现非永久冰盖。 三百六十万年来，两极冰盖再未曾消亡，静默在地球的南北两端，在南极和格陵兰岛，它们将无数的奥秘封藏在茫茫冰原之下。  如今，南极大陆的冰盖平均厚度2500m，覆盖了1398万平方公里的面积，比中国陆地面积还要大。 格陵兰岛的冰盖平均厚度1500m，面积182万平方公里，是北半球最大的冰体。  当雪降落在极地，极低的温度让它在还未融化时便因为被不断累积的雪压实、重新结晶、再冻结而变成冰，成为冰盖的一部分。 冰盖逐渐增厚，受到自身重力的影响，加之极地的狂风的推动和冰融水的润滑，极地的冰层夜以继日地流动着。 从最厚的冰穹顶部开始，冰层向外流动。 流动的速度受到地表坡度和冰层厚度的影响。在冰穹顶部，冰层流速一般在每年几厘米到几米之间。而在冰盖边缘，这一速度可以达到每年几百米甚至几公里。  当更多的雪降落、堆积，之前的落雪被埋藏、压实转化为冰的过程中，空隙在减小，其中的空气也一点点减少。 当被埋藏至50m深度处，空隙中的空气便几乎不流动，作为气泡被封存。  这些气泡是冰初形成时的地球大气，蕴含了关于过去的无穷讯息。 除了气泡可以反映古大气成分，冰芯中可以分析的每一个参数都承载着地球系统变化过程的信息。 冰芯的氧同位素比率的变化指示气温高低的变化； 冰芯的积累速率指示降水量大小的变化； 冰芯中微粒含量和各种化学物质的变化可以指示各时期的大气粉尘浓度、火山活动。  它们就像标本和化石，等待着我们解译。 冰芯，就是我们解读这莽莽冰原所蕴含秘密的钥匙。 在过去的五十多年中，冰芯为人们了解过去气候环境变化提供了大量的信息。 人们在南极、格陵兰钻取了涵盖多种时间尺度的冰芯，为重建古气候提供了宝贵的材料。  选择打钻的地点对于获得高质量的冰芯至关重要。 受冰盖流动的影响，冰盖下部的冰层处在变形当中。 首先，为选择一个合适的钻取点，一般会在冰穹顶点进行钻取。因为冰穹顶点下部的冰层流动缓慢，这一处的底部冰层的层序较其他位置保存较好。  其次，还要考虑冰盖下部的地形。如果冰盖下部的基床不平整，便会造成冰流的不规则运动，最终导致冰层扰乱。  之后，冰层的厚度、钻取点的降水量也都是需要考虑的因素。 冰层越厚，在相同的累积速率下，累积的时间便越久，我们能从中获取的气候信息便有更长的时间跨度。 钻取点降水量要适中。较小的降水量意味着冰盖累积慢，在较长时间内冰盖只能增长较小厚度，为我们区分不同年代的层位带来困难。而过大的降水量将造成较大的冰流，使下部的古老冰层受到影响。
如果你读过《伟大的悲剧》一文，一定能经由茨威格的文字感受到极地那极端恶劣的气候。 “层层叠叠的冰障隐藏着这最后的秘密……永恒的冬天作守护神，用严寒和暴风雪筑起最雄伟的壁垒，挡住进去的通道。死的恐惧和危险使勇士们望而却步。”  当然，随着时代的进步和科学的发展，两极的神秘面纱正逐步揭开。科学家在那里进行着逐步深入的考察，世人对于两极的了解日益增长。 但有一点还是让人忍不住好奇。 考察者们是如何在彻骨寒风、狂飞雨雪里打通坚硬的冰层，获得冰芯的呢？ 就冰芯钻探技术目前的发展而言，钻取冰芯的方法主要分为两类：机械方法(mechanical)或者热力学方法(thermal)。 两种钻机的区别在于，机电钻机的钻头是切割器，通过切割打入冰盖内部。  而热电钻机的钻头是环状加热器，通过加热使冰柱周围的冰融化，来获得柱状冰芯。  根据所需要获得的冰芯长度，野外工作者会采用不同的打钻工具。
如果想要获得一根20～30m长的冰芯，野外工作者会使用手动螺旋钻(hand auger)。 手动螺旋钻是最常见的机械钻，由取冰管和切割头组成。 我们可以看到，自钻头沿取样管而上螺旋环绕着一圈突出的线，这是为了在钻取冰芯时将切割下的冰芯周围的碎冰沿着线缆运移，使冰屑离开钻头下的切割面。
当需要40m以上长度的冰芯时，就需要使用机电钻机(electromechanical drills )或热电钻机(electrothermal drills)，在打钻时要将钻机用线缆支撑在钻塔上。 下图为一种使用机电钻机的钻井。钻塔支撑着线缆来悬挂钻机。这种钻井叫做悬索钻井，是现在钻取中等和深度冰芯最常用的钻井。 钻机使用的电机通过线缆中的电线获得动力。 因为机电钻机是通过电力旋转钻头进行钻探，所以需要使用反扭距器，来防止悬挂的线缆跟随钻机转动而拧结。 钻管分为两个部分，内管和外管。内管用来存放切割下的冰芯，外管则是存放切割过程中产生的冰屑，冰屑沿内管外部的螺旋线(被叫做Flights)移动。
使用热电钻机的钻井结构也基本如此，但是因为打钻过程中不需要旋转切破冰体，所以没有反扭距设备。 热电钻机只有一层钻管用来存放冰芯，钻头加热器产生的融水被存储在钻机上部的蓄水罐内。也有一些钻机使用蓄水罐存储防冻液，将防冻液注入融水中，防止融水结冰干扰取钻。 热电钻机的原理是通过加热将冰芯周围一圈的冰体融化，来达到钻入冰盖内部的目的。 当冰盖温度低于-15°C时，热电钻机需要产生大量的热才能融化冰体，而这些热量会对冰芯产生影响。 因此，一般冰盖的温度在-10°C以上时，野外工作人员才会使用热电钻机。
在钻取长冰芯时，一定深度处的冰体会膨胀，将钻孔重新封闭。因此，在钻取冰芯过程中，大多野外项目会选择注入防冻液，来防止融水重新结冰，并保持压力平衡，防止钻孔周围冰体膨胀、闭合钻孔。
现在，我们知道了冰盖下为何会封藏千百万年来的记录； 明白了为什么需要冰芯来解读古气候信息； 了解了科研人员在两极选择打钻地点、打钻工具的依据。 下一期文章中，会为大家讲述充满曲折的打钻过程，展示冰芯中氢氧同位素和二氧化碳记录，并介绍2017年在南极获得的最新长冰芯，这一段冰芯中包含的270万年(2.7ma)来的气候记录还在等待着科研人员公布，相信会是一个令人期待的科学新闻。 美术编辑：张志越 |
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