南极冰芯:地球过去的缩影

吴硕

冰雪的大陆

南极洲在地球的最南端，是一片冰天雪地的世界，有1400多万平方千米，比欧洲或大洋洲的面积都大。南极洲四周是浩瀚的太平洋、大西洋和印度洋，远离地球上任何大陆，即使其西部的南极半岛，离南美洲较近，但仍然相隔960千米。另外，无论从历史上哪个时代看，这里都是地球上唯一无人居住的地方，是名副其实的与外部隔绝的世界。

造成南极大陆非常特殊的地理的原因是缘于其过于严酷的自然环境和条件。首先，这块大陆的气温比北极还要低，是地球上最寒冷的地方。在内陆部分，平均气温在-50℃以上，就是温暖时也不超过-10℃。1983年在前苏联的沃斯托克基地记录到堪称世界最低的气温-89.2℃。

其次，这里是地球上风暴最多、风力最大的区域，尤其在阿德尔地，几乎终年刮着凛冽的风暴，一般风力都在10级以上，最大风速可达每秒百米，故有“世界风极”之称。怒吼的风暴常常卷起漫天的冰屑、雪粒，磨蚀这冰原上的山峰，形成许多有趣的风磨地形。如果在这里放上根生锈的铁链，那么用不了两天就会被风磨得闪闪发亮。

这样严酷的自然条件决定了南极大陆的地貌与其他大陆相差悬殊。例如这个大陆的平均海拔约2300米，为地球上其他大陆之冠。即使与名列第二的亚洲大陆（平均海拔900米）相比，也要高出1400米。而且南极的高原几乎不是岩盘，而是由冰被造成的。有的地方冰被厚达4000米，整个大陆冰被平均厚度也达2450米。

冰被厚度超过了海拔高度，这到底是怎么回事呢？

原来，南极大陆厚厚冰层所造成的无法估量的冰的重量，将南极大陆原先的地表，即冰下的岩盘表面压沉，且远比周围的海平面低。地表面最深的地方在海平面下440米，平均深度也在海平面下160米。

南极大陆集中了地球上90%左右的冰块，成为名不虚传的“大冰库”。据推算，如果将这些冰块全部融化流入大海，则会使海平面上升70米，这样，全世界许多肥沃的沿海平原和著名大都市都会被淹没。

现在，最新的科学正在向这个大陆的冰原发出挑战，人类企图从过去几十万年时间堆积起来的冰原中寻找地球的过去。

冰原形成的过程

在迄今大约1.5亿年前，由于地壳运动，大陆开始分裂成若干块，最终形成了现在的欧亚大陆、印度大陆、澳洲大陆以及南极大陆。

但是，当时的南极大陆并不像现在那样完全被冰覆盖。最新研究得知，在距今大约5000万年前，这个大陆才开始进入冰期，到3000万年前地表的大部分才被厚厚的冰覆盖。这种被几千米厚的冰层覆盖的广大地域称为冰原，在地球上唯独南极大陆与格陵兰岛才有。

另一方面，从剖面图来看，南极大陆被南极横断山脉分为东侧（东南极）与西侧（西南极），而且东南极与西南极的地形或冰的状态也不同。占整个大陆80%以上面积的东南极不但辽阔，而且冰原的平均厚度也在2600米以上，而西南极的冰层厚度平均约1800米。两地的总冰量达3000万立方千米。如果将这些冰全部堆积在日本列岛，其高度将近达1020米。那么，这些冰到底是如何制成的呢？

现已明了，南极冰原的冰是在长达几万年、几十万年的岁月中堆积起来的雪的变态。原来每次降的雪均没有融化而被堆积起来，下面的陈雪又被上面新的积雪压碎，并压缩成冰。所以，南极的冰不是由其大陆表面的水冻结而成，而是由雪压成的。

但是，现在覆盖在南极大陆的99%以上的冰，也并非是一成不变的。据从该大陆周边挖出的海底堆积物来看，南极的冰在过去曾几度反复扩大或缩小。据推测大约在2700万年至2400万年前之间冰量减少，广阔的陆地露出，植物生长，其后冰原又扩大。如此反复几次。特别是在300万至250万年前，冰原明显地变小、分裂，海水深入到大陆的内部。这个情况显示了地球上的冰期与问年期（间冰期）是以几十万至几百万年的周期交替出现的。此后，南极大陆又被冰原覆盖，一直延续至今。

那么，南极的冰现在是正在融化还是在进一步增大呢？

科学家们调查了南极和格陵兰的冰原后获知，格陵兰的冰原仍维持在同一水平，而南极大陆的冰原则稍有点生长。那么这是否说明地球正在逐渐寒冷化呢？显然我们还不能轻易作出这样的结论。因为如果大气的温度升高，海水的蒸发也会增大，与此同时，随着大气中水蒸汽增加，下雪量亦会增加，结果冰原反倒生长，即冰原的暂时增加也有可能是地球变暖造成的。

挖掘南极冰芯的热潮

二十世纪中期以来，科学家热衷于钻探南极或格陵兰岛冰原来获取其中所含的地球远古时代的物质或大气信息，以了解远古时代地球的环境。当时英国、瑞典、挪威的联合调查小组，在南极被称为莫德哈姆陆棚冰的地方挖出约百米深的冰芯。

其后，美国科考队在格陵兰岛的坎普森丘里进行钻孔，1966年钻到冰原底部的岩盘。这时，挖掘出的冰芯长约1400米，最下部的冰是距今12.5万年前形成的。由此分析，可以准确了解距今最近的冰期及此前的温暖期的地球气候。这一成果是科学家意识到冰原钻孔对了解地球过去的重要性。

不久，美国又将这项技术带入南极大陆，并创造了冰原钻孔深度的记录。当时，在沃斯托克基地取出了深达2000米以上的冰芯，这个冰芯包含了地球过去16万年的记录。1990年前苏联又挖出长达2500米以上，包含了地球过去20万年信息的冰芯。

顺便指出，并不是在冰原任何地方都可以挖取含有准确信息的冰芯。因为冰原内部像一条非常缓慢流动的河，每年以大约68米的速度在流动。南极的冰原不是平坦的，而是像倒扣过来的汤盘，中心有山巅，周边高度降低。离开中心的冰，在上面巨大的压力下流向外侧，所以唯有在中心的拱顶钻孔所取出的冰芯，才能正确反映当时地球所处的年代。

20万年地球史给人的启示

现在，地球正在走向温暖化还是再次回到冰川时代？地球大气中的二氧化碳或其他成分正在减少还是在增加？总之人类对地球环境的现在与未来抱有很大的不安。

如果全球气温上升到一定程度，南极大陆的冰将全部融化，那么聚集了世界人口一半以上的城市几乎都要被水淹没。反之，如果寒冷化，那么像西伯利亚或阿拉斯加那样的气候就会扩大，自然农作物产量锐减，人类将被置身于冻死或饥饿的恐怖中。另一方面，动物或植物的分布也将发生巨大的变化。所以说地球环境变化对于人类生存将产生的后果不堪设想。

但是，眼下的议论究竟正确到何等程度亦尚未知晓。因为地球环境的变化是非常缓慢的，仅仅从其部分的变化来推测整个地球是不足取也是非常危险的。

自然界已将自身的记录保存下来了，冰芯就是了解地球过去环境变化的最好记录，所以冰原真可谓是“冻结的时代资料储存器”。雪堆积起来时其内部包含着大量的大气。这个大气随着雪逐渐被压缩成冰时又被囚禁在其中，与外部的大气完全隔离。每年下的雪又在此冰上堆积起来，最终冰进一步被压缩构成冰层。而囚锢在冰中的大气变成微小的气泡，再也不能漏泄到外面。经过漫长的岁月，气泡可称为“大气的化石”。因此，通过钻孔将含有这种气泡的冰取出研究，就可以知道有关当时地球环境的许多情况。

对我们而言，最感兴趣的是地球过去的温度变化。普通的氧（氧16）对其稀有同位素（例如氧18）在化合物中的比率会随着温度的变化而变化。因此，我们只要把气泡中的氧16和氧18的比率测定出来，就能知道地球当时的温度。据迄今研究所得，在距今1万多年前的最后冰期，整个地球的气温比现在低5℃，在极地低10℃以上。

另外，从冰芯中也能推断人类活动的情况。产业革命以后，地球大气中二氧化碳与甲烷分别增加了25%和150%，直到20世纪五六十年代进行核试验为止，南极的冰都正确地将人类活动的痕迹记录了下来。

沉睡在南极大陆下的冰芯，为我们提供了地球过去的环境状况，同时也蕴含着对地球未来的警示和启迪。