 冰盖内部探索的开端 冰川学家对于冰盖内部的探索， 开始于Ernst Sorge在格陵兰岛挖出的15米深坑。 1930年，Station Eismitte，格陵兰岛。 彼时，Ernst Sorge正在参与 “阿尔弗雷德·魏格纳格陵兰探险项目” (Alfred Wegener Greenland Expedition)。 为了探究冰盖内部的变化， 在没有打钻工具的情况下， 他从冰盖表面的积雪层开始， 向下挖出一个15m深坑， 对这个15m深的剖面进行了长达七个月的研究。 图为1930年拍摄的STATION EISMITTE 及 格陵兰岛在GOOGLE EARTH上显示的位置。图来自: WIKIPEDIA ▼   通过测量各个深度积雪、冰体的密度， Ernst Sorge总结出Sorge定律： 在降雪量稳定且积雪不融化的情况下， 冰盖下某一深度处的密度是不变的 (Bader, 1954)。 这是向冰盖内部探索的开始， 自此以后， 曾对南北极地懵懂无知的人类， 逐步摸索到了开启秘密的钥匙， 开始扣寻在此处长眠千百万年的 地球气候变化讯息。 二十年后，世界上第一批冰芯 在20世纪50年代 由挪威-英国-瑞士南极探险队 (the Norwegian British–Swedish Antarctic Expedition) 朱诺冰原研究项目 (the Juneau Ice Field Research Project) 法国极地探险队 ( the Expeditions Polaires Francaises) 三个团队分别在 毛德皇后地、阿拉斯加和格陵兰岛中部取得。 图为THE NORWEGIANBRITISH–SWEDISH ANTARCTIC EXPEDITION 1950年在南极的照片 (BY G. DE Q. ROBIN) ▼  图为THE JUNEAU ICE FIELD RESEARCH PROJECT 1950年在阿拉斯加的照片 (BY MAYNARD M. MILLER AND WILLIAM 0.FIELD) ▼  图为THE EXPEDITIONS POLAIRES FRANÇAISES 在格陵兰时投放物资的飞机 图来自MR. RICHARD NOLTE ▼  最初的冰芯约有100m长， 但因为质量较差， 无法进行详细的定量分析工作。 一开始的不顺利并没有使科学家 停止探索的脚步。 时间来到1957年。 看到冰芯所具有的重大科学意义， 1957-1958年的国际地球物理年 将钻取极地冰盖深钻作为优先项目之一。 图为国际地球物理年官方标志及日本发布的国际地球物理年纪念邮票， 图来自WIKIPEDIA   这是冰芯研究的元年。 自此开始， 科学家在冰芯钻探和研究中 投入了大量的精力和热情， 在格陵兰岛和南极进行了持续至今的钻探工作。 格陵兰岛的冰芯钻探项目 1966年7月4日， 第一根穿透格陵兰冰层的透底冰芯 在Camp Century由美国陆军CRREL取得， 长度为1387.4m。 CAMP CENTURY打钻初期使用的热钻 图来自B. LYLE HANSEN, 1966 ▼  随即，CRREL前往南极西部Byrd Station 开始钻取冰芯， 并在1968年达到2164m深度。 图为野外工作人员取出1982M深度处的冰芯，及CRREL在BYRD STATION钻取冰芯使用的钻机示意图，图来自: HERBERT T. UEDA ▼  在获得南北极钻探的成功之后， 美国、丹麦和瑞士 在70年代早期开展 GISP （Greenland Ice Sheet Project）项目， 在格陵兰岛继续钻取冰芯。 图为GISP项目实施中的一处营地，图中背景处第一座塔用来悬挂热电钻机，第二座是为飞机指导降落地点的雷达反射塔。图来自: LANGWAY, 2008 ▼  GISP项目一共进行了11年。 在这11年中， 前7年都用来进行各种前期准备和调查。 打钻点选址、实验室和野外工具准备； 冰盖下地形测量、 冰盖表层的冰川学和热力学调查 以及前期钻探实验 在格陵兰的冰天雪地里进行了7年的时间。 图为Dye 3采样点的雷达通讯站， 图来自langway, 2008 ▼ 在这期间， 前期钻探试验在三个地点各获得一根冰芯。 但由于经费的限制， 最终的钻探只能在一个点开展。 图为NGRIP冰芯的扫描图，黑色条带为干净的冰层，白色条带为含较多粉尘的层位。白点为冰芯中的气泡。 ▼ 2007年， NEEM计划开始在格陵兰进行冰芯钻探， 希望能获得末次间冰期的信息。 图为NEEM项目工作营地照片。图A为地表以下7米深处的钻孔工作室，图B为NEEM实验室，图C为营地外景 ▼ 2010年， NEEM获得一条2537m长的透底冰芯 （达到了基岩的深度）。 虽然这条冰芯和GRIP、North GRIP一样， 下部受到冰流的影响， 但是可以重建128500a以来的可靠序列。 图A为NEEM使用的钻头近照， 图B为一段3.5m长的NEEM冰芯 ▼ 图为格陵兰主要冰芯点位分布 ▼ 南极冰芯钻探项目 科学家于南极获得的诸多冰芯中， 最著名的是Vostok和Dome C冰芯。 前者最终一直深入到冰盖底部的Vostok湖， 除了揭示了40万年来的气候变化信息外， 还可能发现南极冰盖下生存的“陌生生命”。 后者则是有着2010年以前最长的时间记录的冰芯，包含了80万年以来的气候信息。 图为Vostok冰芯位置及钻孔剖面示意图 ▼ 图为Dome C冰芯的被取出时的一个截面 ▼ 除了Vostok和Dome C， 南极的长冰芯还有2006年 日本NIPR项目获得的Dome F冰芯 和2011年美国获得的WAIS冰芯。 Dome F长3035m， 记录了72万年以来的气候信息。 图为一段Dome F冰芯的近照， 可以看到含火山灰的一层 ▼ WAIS冰芯长3405m。 由于此处冰盖累积速率快， 尽管冰芯长度很长， 但记录年龄没有超过63ka， 故而WAIS冰芯可以提供 63ka以来的高分辨率的信息。 图为工作人员标记WAIS Divide最后一段冰芯 ▼
Vostok冰芯钻取的曲折过程 在Vostok进行冰芯钻取的尝试 早在1958年就开始了。 当年， 苏联南北极研究所 (Arctic and Antarctic Research Institute) 在Vostok试用了九种热钻钻取了52m深的钻孔。 图为第一次尝试在Vostok打钻时的照片 ▼ 在1970年4月， 苏联考察团队第一次尝试钻取深钻， 同年9月， 在Vostok(南极东方站)获得一根506.9m的冰芯。 自那时起， 在Vostok的深钻钻取工作持续进行了下去， 直到2012年才宣告结束。 四十多年的时间里， Vostok钻探项目遇到一次又一次的挫折， 但是始终坚持了下去。 在这四十年间， 钻探技术经历了革新， 钻探工具更新换代， 更多的团队参与进来。 整个钻探过程像是科学发展的小小缩影， 在一次次挫败中总结经验、突破技术， 获得最终的成功。 图为Vostok站四十年来多次钻孔的点位示意图 ▼ 1970年4月，苏联在Vostok钻取长钻的计划正式开始。团队将准备打钻的钻孔命名为Hole(1)。在Hole(1)的钻取工作可以说从一开始就状况不断。先是线缆底部的石墨泄漏，影响钻探进度。随后不久，由于钻探者的疏忽， 钻机掉进了钻孔里。 好在这两个问题得到了及时的解决，工作人员使用改进的钻头将泄漏到钻孔底部的石墨冻结到冰里再钻取出来。又用夹子把掉落钻孔的钻机捞了出来。但之后发生的问题简直是让人头痛的噩梦。 在Hole(1)钻孔进行到560m深度时，可能因为热钻融化的冰水没有及时处理而重新在钻孔结冰，钻机被缩小的钻孔卡在了里面。由于融水重新冻结、冰体本身的流动膨胀等，钻孔很容易缩小、闭合。因此，在钻取冰芯的时候，需要向钻孔中注入钻井液。一方面，这是将钻井液用作防冻液，防止融水结冰。另一方面，注入钻井液可以维持钻孔底部的压力，防止冰芯因为内部压力的突然释放而破裂。 当然，现代的冰芯钻取技术相较于上世纪七十年代已经得到了充分的发展，可对于当时的野外工作团队而言，需要注入防冻液、注入什么样的防冻液这些问题，还要在多次失败和挫折中总结改进。 Hole(1)钻孔发生的钻机被卡住一事，是钻机第一次被缩小的钻孔卡住，但绝对不是最后一次。 接下来，在1971-1972年的工作中，当钻探深入到952.4m时，钻机和线缆都掉进钻孔里。 最终，那些线缆和钻机留在了钻孔里，没有被取出来。 图为1971-1972年拍摄的Vostok站钻井塔 ▼ 1972-1973年，采样团队在Hole（1）30m深处斜向重新打了一个Hole（1-bis）孔进行冰芯钻取工作。 然而，由于新的工作团队没有将热钻头融化的冰水移除，当Hole（1-bis）孔打到774-780.2m之间时，钻头再次卡到762m深处，钻机也在向上提拉的过程中卡到308m深度处。 Vostok钻探团队意识到，钻机反复被卡在钻孔中，很大的程度上是热电钻头融化的冰水再结冰导致的。 为了解决这一问题，他们在1973年开始使用新的钻探方法，在钻探的时候通过钻机向钻孔内注入防冻剂。 然而在1974-1975年的野外工作中，尽管注入了防冻剂，在Hole（2）钻孔的钻探工作进行到450.4m时，钻机再次因为没有完全移除融水而被卡住。 更糟糕的是，在试图将钻机取出的过程中，线缆也断掉了。 1975-1976年，Vostok团队在Hole（2）的224m深处重新打孔Hole（2-bis）继续钻探工作，再次被卡住了。 之后数年内，Vostok的冰芯钻探并没有停止，团队尝试着进行了一系列操作，希望能解决钻机卡在钻孔中的问题。 1979-1980年，Vostok团队再次开始钻探。他们选择Hole（3G）钻孔，从冰盖表面重新开始。并终于在1980年的野外季节结束时得到一根1415m长的冰芯。 然而在下一个野外季节中，在Hole（3G）钻孔1580m处，由于钻机存储融水的系统出现故障，钻机再次卡在钻孔里。 于是团队放弃了3G钻孔，在Hole（3G）钻孔的1500m深处，斜向拓展出新的钻孔Hole（3G-1）并向下钻探，终于在1982年得到2083m长的冰芯。 经过测年，该冰芯记录了十六万年（160ka）至今的气候信息。 因为末次间冰期开始于十三万年（130ka），结束于七万五千年（75ka），而末次冰期开始于约75ka，结束于一万一千年（11ka）。 所以此时，科学家第一次获得了记录着最后一次由间冰期到冰期变化的气候信号的记录。 Vostok的钻探工作取得了阶段性胜利。 图为1987年在Nature发表的Vostok16万年以来连续同位素温度记录一文 ▼ 然而就在1982年12月26日一场大火将 Hole(3G)的钻探工具和钻井塔全部烧毁。 真是命途多舛的钻探项目 钻探工作被迫中止， 直到1983年3月29日， 钻探团队将钻井体系全部恢复。 于是，Vostok的钻探工作于同年7月3日恢复， 开始在一个新的钻探点Hole(4G)进行。 然而在Hole(4G)的工作恢复不久， 由于牵动线缆的辘轳出现问题， 钻机又掉落钻孔。 Hole(4G)的钻探工作再次停止。 接二连三的挫败并没有使项目停滞。 Vostok钻探团队在Hole(3G)钻孔上重新建造钻井塔， 在原有钻孔的1968.5m深处斜向打出Hole(3G-2)孔， 继续进行着钻取工作。 1985年8月， 一根长2201.7m的冰芯在Hole(3G-2)获得。 与此同时，Hole(4G)处的工作再度展开。 并在1989年4月达到2428.5m深度。 图为987-1988年Vostok站外景 ▼ 图为1987年工作人员与冰芯的合影 ▼ 1990年， 团队在新的钻孔Hole(5G)处开始钻取工作。 同年12月，当冰芯已经达到2500m时， 钻机在2259m深度处再次卡住。 团队再次在5G钻孔2232m深度处的斜侧 打开5G-1钻孔继续工作， 并在1993年将5G-1扩展到2755.3m。 随着技术的进步和难题的解决，除了期间因为经费问题和格陵兰恶劣的天气阻碍物品供给的原因，项目短暂停止过一段时间，Vostok的钻取工作持续进行着。 在接下来的工作中，团队更换了钻井液，用机电钻机将钻孔扩大，更换了钻机。 终于在1998年，Voktok冰芯达到3623m，距离冰盖下的Vostok湖仅有130-150m的距离。 至此，Vostok团队终于获得了一段包含了过去四十万年(400ka)气候记录的冰芯。 之后，由于对Vostok湖造成污染， Vostok钻探项目一度暂停。 最终于2012年， 钻取工作深入到冰盖与Vostok湖的临界面上， Vostok冰芯达到3769m的最终长度。 图为Vostok 5G的剖面视图 ▼ 这个持续了四十年的冰芯钻取项目经历颇多坎坷，为人类了解过去的气候变化带来了难以想象的大量信息。 冰芯中的气候信息 The farther back you can look, the farther forward you can see. 现今对于二氧化碳和气候变化的关系讨论颇多，各种言论甚嚣尘上。 究竟地球会因人类排放的二氧化碳而变暖，还是这仅仅是地球气候变化的一次正常波动？这个问题如今仍没有答案。 二氧化碳和甲烷等温室气体的浓度可以直接从冰芯中的气泡里分析获得，而温度变化的信息又从何而来呢？ 这要从冰盖的来源和氧同位素开始讲起。 海洋蒸发大量水汽，这些水汽被大气环流输送到两极形成降水、凝结成冰并累积，形成冰盖。这意味着，形成冰盖的降水，受到海洋蒸发水汽的影响。 所谓同位素，是指质子数相同而中子数不同的同种元素。 氧元素有三种同位素，16O，17O和18O这三种同位素以一定的比例共存。比如，它们以碳酸盐（CO32-）和H2O的形式存在在海洋中。 虽然同为氧元素，16O和18O在随水分子蒸发时，仍会表现出区别。 当气候变冷时，海水中的H218O相较于H216O不容易蒸发，因此H218O倾向于“留存”在海洋中，水汽中18O的比例低。这些水汽在两极冻结，所形成的那一层冰盖相应的也含有较少的18O。 相反，当气候变暖，海水中的H218O蒸发变多，则这一时期形成的那层冰盖中，18O的含量相对增多。 研究表明，在格陵兰地区温度每下降1°C，δ18O平均降低0.7‰；在南极地区温度每下降1°C，δ18O平均降低0.65‰。 因此，通过测试冰芯各层的18O含量，可以计算出温度的变化。 (δ18O用来表示16O和18O的比例，计算公式如下。可以看出，δ18O的值随着18O含量的增多而增大） 这一理论由丹麦古气候学家Willi Dansgaard提出。结合冰芯中明显的年层，通过分析不同年代形成的冰层的氧同位素比例来得到温度变化是可行的。 图为Vostok冰芯记录的温室气体浓度和温度变化曲线 ▼ 图为Dome C温度变化与Dome C、Taylor Dome和Vostok冰芯二氧化碳浓度对比曲线(ppmv指每百万分之一体积，即1毫升每立方米) ▼ 图为Dome C甲烷浓度与温度变化对比曲线(ppbv指十亿分之一体积) ▼ 由图可以看出，温室气体含量在冰期间冰期存在巨大的差异。 同时，温室气体浓度与温度的变化基本同步。在过去温室气体含量高的时候，地球处在温度较高的时期；而温室气体含量低的时期也与地球的低温时期相对应。 但是，使用格陵兰和南极的甲烷记录作为共同的时间标尺，会发现南北极温度变化存在跷跷板模式。 9万年以来的7次气候变暖，南极都早于北极。 这说明，温室气体并不是影响气候变化的唯一因素，温室气体浓度和气候之间的关系还需要更多的研究来予以解答。 气候变化是什么因素驱动的，又是由什么因素放大的，这个问题无法简单的用温室气体浓度变化来解释，其中涉及到的基础理论，会在接下来的文章中为大家介绍。 但是，现代二氧化碳浓度在持续上升，伴随着的全球变暖趋势，引起了环保主义者的警惕。 图为工业革命以来大气二氧化碳浓度变化 ▼ 图为2017年12月14日大气二氧化碳浓度监测数据 ▼ 可以发现，自工业革命以来，大气二氧化碳浓度已经高出了冰芯记录的80万年以来的所有时期，探究二氧化碳浓度和温度的关系、更好的应对未来气候变化、改变极端气候变化趋势，是一个重要的科学问题。 而科学家之所以继续积极地寻找更古老的冰芯记录，其对于过去大气二氧化碳浓度的精准记录显而易见是重要原因之一。 冰芯钻探新进展 为了更好地了解过去气候变化，尤其是各个气候转变关键时期的影响气候的因素的变化，科学家们在寻求着更古老的冰芯记录。 在格陵兰岛，EastGRIP项目正在进行着。 来自EGRIP项目网站的野外工作照 ▼ EastGRIP项目开始于2015年，计划在2020年结束。对这一项目感兴趣的读者可以在项目网站(http://)上查看他们的野外工作照片及视频记录，还可以追踪野外团队的行进路线。 与以往在一个固定的钻孔进行冰芯钻取的项目不同，EastGRIP项目计划在流动的冰层上获得冰芯。 根据计划，项目将在the Northeast Greenland Ice Stream (NEGIS)冰流的起始位置开始打钻，每年根据冰的移动而改变钻孔位置，直到打钻到基岩为止，以期获得冰层流动信息和气候信息。 图为格陵兰岛冰流速度分布图。可以看出，NEGIS冰流是一条从格陵兰冰盖中部开始发育的大冰流，并从中部向外扩张，向海岸伸展。 ▼ 另外，2017年8月15日，科学家在Science发表消息，称在南极Allan Hills地区获得记录了二百七十万年（2.7ma）以来气候信息的冰芯，比之前最老的冰芯还要早近两百万年。 我们生活的地质时期第四纪刚好从大约2.6ma开始，彼时地球冰期间冰的旋回正要开始，这条冰芯为冰期间冰期触发机制的研究提供了材料。 这条冰芯的研究还在进行，结果还未公布。现在已知的是2.7ma前，二氧化碳浓度不足300ppm，正是地球进入冰期的重要条件。 与传统的冰芯钻取位置不同，这一冰芯在“蓝冰区”获得。 从图中可以看出，蓝冰区存在于南极冰架边缘。 “蓝冰”之所以得名，是因为在冰架边缘，由于风和升华作用移除积雪的速度大于降水的累积速度，使得这些地区没有积雪覆盖，冰体直接暴露在表面。而冰体在漫长的演化过程中被压实，变得更加致密坚硬，其中的微小气泡将波长较短的蓝光散射，使冰呈现出蓝色。 当冰流从冰架流动到边缘地区，受到周围山地的阻碍，冰体发生变形，下部冰层向上扭转，使得冰层呈现出自山地水平向外年龄逐渐减小的排布。 图为Allan Hills冰层变形示意图，图来自http://climatechange./Research/projects/blueice.html ▼ 因此，垂直于山体进行钻取，便可以获得年代较老的冰芯。 Allan Hills冰芯研究的结果还有待团队公布，相信随着科学的进步，我们能够获得的古气候记录会更加完整，对气候变化的认识也将进一步深入。 |
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