互动科普

被冻结在那里达数万年之久的冰为科学家提供了有关过去以及未来的气候的线索。

现代科学所面对的一个巨大挑战是预测气候。研究人员特别希望了解一些重大变迁，它们能帮助一个社会走向繁荣，或导致另一个社会毁灭。欧洲会重返一千年前的较暖气温吗?当时北欧海盗们定居在格陵兰，而布立吞人(Briton．古代住在不列颠南部地区的人)则栽种葡萄。或者加利福尼亚州会遭受持续几个世纪的干旱，就像大约一千年前该地区所经历过的那样?，最近对于全球变暖和人为引起的温室气体效应的担忧只不过增大了了解造成气候变化的基本自然过程的迫切性。

为了获得这一基础知识，气候学家们把目光转向了过去。在格陵兰、南极洲和其他地方的冰盖表面和冰川向下进行深钻，科学家们已经获得了几万年前冻结在那里的水。在冰中所包封的微量化学杂质，含有关于古代气候的宝贵信息。

由欧洲和美国研究队(包括作者)对从格陵兰深钻取得的冰芯进行的研究最近表明，通常持续数百年到数千年的气候快速大变迁会触发冰期(冷)和间冰期(暖)之问的更长时间的循环。人类现代文明没有经历过如此急剧的动荡。是什么造成了这些大变迁?它们是在北半球和南半球的高纬度地区同时发生的吗?热带地区受到何种影响?这些问题的答案能为未来提供一个窗口。虽然目前关于气候变化的担忧集中在人类活动的影响上，古代的变迁很可能是大自然的安排。

天上的效应

在1920到1930年代，一位名叫Milutin Milankovitch的塞尔维亚天文学家研究了来自其他行星的引力造成的地球轨道的微妙变化。这些改变造成了太阳光的不同分布和强度，这种不同分布和强度又导致了气候在几万年到几十万年的时间上的巨大变化。Milankovitch研究了三个轨道变量：地球自转轴的倾斜度，倾斜的进动(类似于一个旋转陀螺的摆动)，以及围绕太阳轨道的偏心率(ep轨道是接近圆形，还是拉伸成一个较长的椭圆形)。这三个参数的变化会引起缓慢却明显的气候振荡，其振荡周期为大约4万年(由倾斜度决定)、2万年(由进动决定)和1O万年或更长(由偏心率决定)[见1990年5期《科学》 Wallace S．Broecker和George H．Denton的文章“什么动力推动冰川旋回”?]。

Milankovitch的许多同时代人反对他的气候变化天文学理论。直到他在1958年去世，这种变化基本上未得到证明。然而，研究洋底沉积的科学家后来却作出了一些重大发现。他们发现，过去的几百万年中气温有一系列的重复变化，在此期间，巨大的冰川向广大的地域推进和后撤，它们一直与Milankovitc所预言的节拍相同步。至少在过去的50万年中，基本的气候循环(从一个冰期或间冰期到下一个冰期或间冰期〉大约是10万年，而较短的振荡大致为2万年和4万年。最近，研究人员力求在更加细致详尽的程度上研究古代气候。为此，他们把部分注意力从洋底沉积转移，检验了从格陵兰和南极洲以及其他地区巨大冰盖之下3公里(约2英里)深处所提取的冰芯[见1985年12月《科学》上Uwe Radok的文章“南极冰”]«但是科学家在这些冰冻的荒原上並不能随意在任何地方钻探。他们必须找到“良好”的冰川沉积，这些沉积中的雪已经累积了好几万年的时间。随着雪在这种地方堆积，雪在自己的重量下压缩，最终形成了冰，从而在这一进程中保存了有关气候的宝贵信息.

古老的问题

研究冰芯的重要先决条件是准确判断样品的年代。没有这些数据,科学家就不能建立一个放置其他测量值的总体年代表。幸运的是，研究人员常常能够简单地通过数出年份数字而判断冰的年代。

在格陵兰中部地区这样的地方雪下得很频繁，冰以每年度一层的方式生成，其分析方法与利用年轮可判断一棵树的年龄十分相似。冰川冰的层次往往利用肉眼即能分辨，因为夏季的雪所形成的冰晶要比冬季的雪所形成的冰晶大些。气候学家也可以通过测定冰的酸度来测定冰的年层，通常夏季的雪酸度较髙.其原因尚未完全明瞭。此外研究人员能够利用一台激光器来确定冰芯样品中的尘埃粒子浓度。尘埃粒子数量通常在春季会上升，因为春季的风更为强劲。

利用这些和其他一些指示性数据，本文作者中的Alley与新罕布什尔大学的Paul A. Mayewski领导的美国格陵兰冰芯项目的同事一起编制了一份冰芯年代表，该年代表与几份独立的测定数据能够很好对应。例如，对某些冰层中发现的灰尘成分的分析使得他们能够鉴别有关的火山和对应的火山喷发的历史年代。这种确证的试验表明，对年度冰层的计数实际上不会对格陵兰具有几世纪历史的冰造成误差。对于最近的11500年，即所谓的全新世暖热期。冰层计数的误差不超过百分之一。虽然这种精确度对于更寒冷时代的更古老冰层在某种程度上较差，对于用于至少5万年之前的其他断代技术来说，它还是同样好。可以证明年度冰层一直可以观察到过去10万年，但它们常常出现了畸变。

为何这些深处冰层受到如此大的干扰?虽然在名义上是固体．但冰川和冰盖在重力的作用下会蔓延和变薄．类似于浇在烤盘上的糊状烤饼原料的运动。随着这种运动在几万年的时问上继续进行．底部的冰层变得极其绵长(有时候竟会完全消失)。并随着冰川在下面的地表上的缓慢运动还很容易起褶。

所造成的变形使得在某一深度之下不可能连续地对年度冰层进行计数。例如，美国研究小组在格陵兰所采集的冰芯含有不同的层面．从水平层到有微小的摆动．到具有Z形褶皱，直到在超过大约11万年的冰层中变得具有大到20度角的倾斜．欧洲研究人员在附近所作的一个并行研究采集的冰芯，揭示在超过11万年的冰层中存在着一个类似的复杂(但有所不同的)模式。

这种不同有助于解决一个谜。原先认为取自前一个间冰期(结束于大约12万年前的Eemian期)冰芯表明存在着带有迅速反复摆动的严酷气候变化。此结果既出乎意料又令人警觉：气候学家曾认为当前和过去的暖热间冰期是稳定的和不存在这种剧烈的变迁。

因此，科学家开始了一系列仔细的审查，迄今为止已经证明，冰的流动干扰了欧洲和美国研究人员所采集的冰芯中的较古老冰层。有一条线索是．这两组气候记录在最近的11万年中实际上是相同的，只是在更古老的时期不能完全相吻合。显然，这些干扰出现在岩床上方的位置比原先设想的要高得多。古气候学家现在开始理解这种效应，正在开发诸如计算机模拟之类的补充技术以进一步认识它们。

为了获得一个可靠的Eemian时期气候记录．欧洲研究小组在格陵兰岛上两个早先钻探位置以北大约340公里的地方开展了另一个深钻项目。在新位置上早于11万年的冰层想必要比先前钻取位置的冰层处于岩床之上更高的地方。因此，因冰的流动而造成的畸变不太可能是很严重的。

冰芯秘密

如果欧洲研究小组取得了成功，科学家主要通过估计古代的气温就将获得气候如何变化的重要信息。用于这一目的的主要温度计得益于如下一个事实，即冰芯的水来自“轻”或“重”的同位素。轻同位素只有普通的氢或氧：重同位素或者含有带一个额外中子的氢(氘)．或者含有带一或两个额外中子的氧(氧17或氧18)。空气网的冷却作用造成了降水．从而把湿润空气中较多的璃水排除出去(田为重水的蒸汽压较低)。结果．在较寒冷时期降落在内陆位置上的雪往往含有“较轻的水”。在到达这一位置之前．当空气经过海洋和冰盖侧面时。重同位素已经被挤出空气了。

研究古代气候的第二个温度计来自冰盖目前的温度。正像一块冰冻牛肉收到热烤炉中那样(它往往通过保持中心部分的冷冻状态而维持它原先的环境温度．即使外表开始变热融化也是如此)，冰盖在一、两公里(或者大约一英里)之下实际上要比表面上更冷。本质上，更为古老的冰“记住了”最后一个冰期的极端温度。总起来看．这两种温度汁表明，最后一个冰期中的最严酷时期实际上是相当寒冷的——平均来说，格俊兰要比现在冷20摄氏度(36华氏度)以上。

除了记录了温度之外，冰芯还包含着降水的历史。例如，科学家利用年度冰层的厚度(对因冰的流动而发生的任何畸变进行了校正以后)来计量该年份的降雪量。这一分析揭示，在格陵兰中部地区最寒冷的时期，降雪量仅为现在的四分之一到五分之一。

冰芯中所包封的由风吹来的材料为古代气候提供了进一步的线索。较粗的灰尘颗粒说明较强劲的风。事实上，研究人员可以利用灰尘的组成来确定它的来源，从而跟踪从前的大气环流模式，就像分析火山灰能够鉴别所涉及的火山喷发一样。在冰芯中发现的其他痕量材料包括海洋藻类的化学物质和宇宙线在空气中产生的放射性同位素。

这些物质的浓度的下降说明它们的供给来源的减少，或者因降雪量的增加而稀释了它们。由于来自格陵兰中部地区冰芯中的年度冰层能让科学家确定雪累积的速率，他们就能够区分上述使浓度下降的两种作用。经过这种区分以后，他们发现了某些由风吹来的物质(如钙)随时间会发生高达100倍的浓度变化．这表明在寒冷的间隔时期存在着极为强劲的大风，并且也许还有更大范围的沙漠。

冰层也是古代空气样本的极佳储藏库。在较新鲜的降雪中，气体分子能够很容易地在冰晶之间的孔隙中流动。然而在极区冰盖上的堆积起来的雪的巨大蓖帚向下压迫着较深的冰层，使得孔隙越来越小，直到在40到120米的深处，这种压迫大得足以使空气被封闭在冰层中的独立气泡之中。

由作者之一的Bender和其他研究格陵兰和南极洲的冰的科学家对这些微小空气样本所作的分析，揭示了大气中各种气体浓度随时间而发生变化的情况。特别是，科学家们确定了各种捕集热量的温室气体是如何自然地变化的。例如，从冰期到间冰期，二氧化碳和甲烷的浓度分别猛增了大约50%和75%。这一信息有助于人们对近来由于人类活动而造成的进一步增加(二氧化碳增加30%，甲烷增加160%)得到更全面正确的认识。

对冰芯中包封的气体进行研究还有一个附加的好处。由于全球大气会迅速地混和．它在每个地方的构成几乎是相同的。因此，研究人员可以很放心地假定，大气组成的变化在格陵兰与在南极洲是同时发生的．从而能够利用所测量的气体数据把采自地球相对两侧的冰芯联系起来。

摇摆的气候

对格陵兰冰芯的测定支持了原先对南极洲冰芯和深海沉积的研究结果。综合起来看，各种不同的研究都对Milankovitch关于气候变化的天文学理论提供了有力的支持。例如，不同的记录表明，在大约10. 3万年前、8. 2万年前、6万年前、5万年前和1万年前都存在着暖热的气温，它们大致反映了Milankovitch的2万年进动循环的说法。

但是，格陵兰冰芯研究成果的最惊人特征也许是“间冰段事件”(inter stadial events)：持续几百到几千年的间隔，在此期间，格陵兰迅速地变暖，然后先慢慢地变冷，再很快地冷下来。格陵兰冰芯清楚地显示，在距今10万到2万年之前，存在着大约24个间冰段事件，所有这些事件都没有得到Milankovitch理论的预测。

有趣的是，格陵兰冰芯显示，大气中的甲烷浓度在每一个间冰段事件中都有上升。甲烷是由细菌在缺氧环境中(例如热带沼泽地)产生的。冰中的甲烷含量较高表明，在间冰段时期热带湿地显然因为降雨量增大而必定有所扩张。

间冰段事件的一个令人感兴趣的特征是它们的突然性。在仅仅几十年，有时甚至短到几年之中，也许就有5到10摄氏度(9到18华氏度)或更大的变化，积雪量有成倍的变化，灰尘含量会有10倍的变化。这种急剧变化的行为最突出的是在过去10万年中的中间温度时期。相比之下，冰期中的最寒冷部分和现代的暖热时期似乎较为稳定。就在大的间冰段大跳跃的前期，气候在暖热和寒冷之间有时出现较小的来回跳跃，科学家把这一种行为戏称为"摇摆(flickering)"。因此，除了间冰内变换之外，气候显然在一个暖热方式和一个寒冷方式之间反复弹跳，Milankovitch本来会把这一切预测为逐渐转变的.

超越Milankovitch

为了解释这种看上去反复无常的行为，科学家们已经开始研究除了地球轨道之外的其他因素。利用精密复杂的计算机模型.研究人员试图了解"远程联系”在某一地理区域中发生的气候变化会通过这种远程联系(teleconnection)触发其他区域的变化。例如，近来的研究指出，高纬度地带的变暖会改变海洋或大气循环，其改变方式也会加热热带地区。在低纬度地带的这种变暖会使得那里的水份更快地蒸发。水蒸气(一种温室气体)的这种上升反过来又会捕集地球表面的更多热量。

同样，在冰期，巨大的大陆冰盖和大陆周围广袤的冰冻大洋把大量的太阳光反射回太空。在暖热期，冰盖的融化让更多的太阳光被吸收。二氧化碳以及其他如甲烷和水蒸汽等温室气体的浓度越高，会导致保存更多的热量。

由于这种相互作用，气候学家推论，地球这颗行星的不同地区将会一起变暖或冷却。于是，当波恩大学的Thomas F．Stocker和得克萨斯农业和机械大学的Thomas J. Crowley在1992年各自预测在迅速的气候变化事件中，格陵兰和南极洲将会发生相反的变化时，人们对此感到十分吃惊。

Stocker和Crowley通过对洋流效应的研究发现，今天从赤道向北极流动的墨西哥湾洋流水暖且含盐，它们在北极向大气释放出热量，使得北欧的气候相对来说比较均衡。在冷却之后，这些含盐的海水变得更浓，且沉降到深海，然后它们在深海作为大“传送带”的一部分向南流动。在冰期严酷的冰退阶段(stadial times)，这种传送带作用被关闭或削弱了，造成从赤道流向北极的海水流得较慢，使得格陵兰和北欧特别的寒冷。在问冰段期间，这种传送带作用得到了增强。

Stocker和Crowley检验了这种洋流是如何影响南半球的气候的。他们的非凡见识是证明了由于两种效应的作用，传送带作用在冷却南半球的同时又加热了北半球，而在加热南半球的同时冷却了北半球。首先，寒冷的深部海水向南半球的流动，造成了浅层的较暖热海水向北半球的回流，这就在从南半球夺取热量的同时向北半球传送了额外的热量。其次，传送带作用的减慢造成了更多的暖热海水到达南极洲周围海面，这些海水在那里把热量释放出来，使极南端的空气变暖。

九十年代中期，科学家们在研究化石有孔虫(微型贝类)时发现，当传送带不起作用时南极洋区是暖和的，这一发现支持了这种非同步气候变化理论(out-of-synch climate change)。此外，根据Stocker和Crowley的预测，哥伦比亚大学的Wallace S. Broecker再次审查了距今2万年到1万年之前最后一个消冰期的气候记录。他证明，在格陵兰气温迅速上升的时期南极洲变暖的过程停止了，反之也然。

Bender和其他几位同事已证明，在格陵兰冰芯中所记录的所有重大的冰退阶段和间冰段事件也在南极洲出现，虽然在南半球发生的气候变化非同样大或同样急剧。在为冰芯准确地测定年代上的不确定性使得人们难以确定，是否在所有这些事件中格陵兰所发生的冷却作用都引起了南极洲的变暖。在格勒诺布尔、伯尔尼和其他各地实验室，目前正在把确切的相关关系向最后一次冰期的中期推进。

这种对确定极地气候变化的相对时间的兴趣，是推动从南极洲提取深部冰芯的新努力的因素之一。来自美国、日本、欧洲和澳大利亚的研究小组都有深钻项目正在进行中。有一个目标是获得含有过去11万年(如有可能的话，再早一些)的气候记录，这些记录能够精确地与来自格陵兰的测量数据相联系。

除了欧洲研究小组正在格陵兰进行的研究外，这些研究项目将有助于回答在冰期和间冰期来回振荡阶段的一些有关气候的基本问题。科学家们只有获得了这种对过去情况更加充分的理解之后，才能开始预测将来的气候，其中包括近期内温室变暖作用的严重程度，以及更远一些发生回复到冰期的任何可能性的时间问题。

图1冰雪积聚了1O多万年的格陵兰中部为研究人员钻取地下冰川以了解古代气候变迁提供了机会。

图3对于格陵兰冰芯中古代气温(a)和大气甲烷(b)的测量确证了早先在南极洲东方站(Vostok)(c)和全球整个冰体上对气候的发现．它们与通过分析株海沉积(d)所确定的气候状况相吻合。特别是，不同的研究表明每隔大约2万年就有一个暖热期。直到2万年之前的一个更为渐进的变冷趋势和2万年之前到1万年之前的一个迅速变暖跟在一个更长的大约为10万年的循环的后面．

图5近来，来自美国、日本、欧洲和澳大利亚的各研究小组在南极洲和格陵兰对冰芯进行了检测。这些研究的目标之一是确定南方和北方的气候是如何相互联系的．