南極洲冰芯:探秘地球過去的活化石

南極洲在地球的最南端，周圍完全被太平洋、大西洋和印度洋包圍，面積約1400多萬平方公里。這里長年寒風呼號，寒雪覆蓋，荒無人煙，是地球上最寒冷也最與世隔絕的一個角落。它遠離地球的任一個大陸，即使西部的南極半島離南美洲較近，但仍然相隔有960公里。正是這個蠻荒之地，正漸漸成為被科學家們探秘地球的過去的研究地。

冰雪的大陸

造成南極大陸在地球上非常特殊的理由是其過于嚴酷的自然條件。首先，這塊大陸的氣溫比北極還要低，是地球上最寒冷的地方。在內陸部分，平均氣溫在零下50度以上，就是溫暖時也不超過零下10度。1983年，前蘇聯沃斯托克基地記錄，堪稱世界最低的氣溫是零下89.2度。其次，這里是地球上風暴最多、風力最大的區域，尤其在阿德爾地區，幾乎終年刮著凜冽的風暴。一般風力都在10級以上，最大風速可達每秒l00米，故也有“世界風極”之稱。怒吼的風暴常常起漫天的冰屑、雪粒，磨蝕著冰原上的山峰，形成許多有趣的風磨地形。如果在這里放上根生銹的鐵鏈，那么用不了兩天就會被風雪磨得閃閃發光。

這樣嚴酷的自然條件決定了南極大陸的地貌與其他大陸相差懸殊。例如這個大陸的平均海拔大約2300多米，冠地球上其他大陸之首。即使與名列第2的亞洲大陸（平均海拔900米）相比，也要高出1400米。而且南極的高度幾乎不是巖盤造成的，而是冰被。有的地方冰被厚達4000米，整個大陸的冰被平均厚度也達2450米。冰被厚度超過了海拔高度，這到底是怎么回事呢？原來，南極大陸厚厚的冰層所造成的無法估量的冰的重量將南極大陸原先的地表，即冰下的巖盤表面壓沉到遠比周圍的海平面低。地表面最深的地方在海平面下440米，其平均深度也在海平面下160米。

南極大陸集中了地球上90%左右的冰塊，成為名副其實的大“冰庫”。據推算，如果這些冰塊全部融化流入大海，則將使海平面上升70米。這樣，世界上許多肥沃的沿海平原和像東京、紐約這樣著名的大都市都將被淹沒。

現在，最新的科學正在向這個大陸的冰原發出挑戰，人類企圖從過去幾十萬年的歲月日積起來的冰原中尋找地球的過去。

冰原形成的過程

在迄今大約1億5千萬年前，地球地殼的運動開始分裂成若干塊，最終形成了現在的歐亞大陸、印度大陸、澳洲大陸以及南極大陸。

但是，當時的南極大陸并不像現在那樣完全被冰雪覆蓋。據最新的研究可知，在距今大約5000萬年前，這個大陸開始進入冰期，到3000萬年前地表的大部分才被厚厚的冰層覆蓋。這種被幾千米厚的冰層覆蓋的廣大地域稱為冰原。在地球上唯有南極大陸與格陵蘭島才有。

另一方面，從其剖面圖來看，南極大陸被南極橫斷山脈分為東側（東南極）與西側（西南極），而且東南極與西南極的地形或冰的狀態也截然不同。占整個大陸80%以上面積的東南極不但遼闊，而且冰原的平均厚度也在2600米以上，西南極的冰層厚度平均約1800米。兩地的總冰量達3000萬立方千米。如果將這些冰全部堆積在日本列島，其高度將達1020米，那么，這么大量的冰到底是如何制成的呢？

現已知道南極冰原的冰是在長達幾萬年、幾十萬年的歲月中堆積起來的雪的變態。原來，每次降的雪均沒有融化而被堆積起來，下面的陳雪又被上面新的積雪壓碎，并壓縮成冰。所以，南極的冰不是其大陸表面的水凍結而成，而是由雪壓縮制成的。

但是，現在覆蓋在南極大陸的99%以上的冰，也并非是一成不變的。據從該大陸周邊挖出的海底堆積物來看，南極的冰在過去曾幾度反復擴大或縮小。據推測，大約在2700-2400萬年之間冰量減少，露出廣闊的陸地，植物生長，其后冰原又擴大。如此反復幾次，特別是在300-250萬年前，冰原明顯地變小、分裂，海水深入到大陸的內部。這個情況顯示了地球上的冰期與溫暖期（間冰期）是以幾十萬至幾百萬年的周期交替出現的。此后，南極大陸又被冰原覆蓋，一直延續至今。

那么，南極的冰現在是正在融化還是進一步增大呢？科學家們調查了南極和格陵蘭的冰原后獲知，格凌蘭的冰原仍維持在同一水平，但是南極大陸的冰原稍有一點生長，那么是否說明地球正在逐漸寒冷化呢？顯然，我們還不能輕易作出這樣的結論。因為如果大氣的溫度升高，海水的蒸發也會增大，與此同時，隨著大氣中的水蒸氣增加，下雪量亦會增加，結果冰原反倒生長，即冰原的暫時增加也有可能是地球變暖造成的。所以，欲知哪一個回答正確，還有待科學家進一步的調查。

挖掘南極冰芯的熱潮

近年來，科學家們熱衷于鉆探在南極或格陵蘭島冰原深處埋藏的冰，通過挖出的冰芯調查其中所含的物質或大氣，以了解遠古時地球的環境。這項工作最早起始于20世紀50年代，當時英國、瑞典、挪威的聯合調查小組，在南極稱為莫德哈姆陸棚冰的地方挖出約100米深的冰芯。

其后，美國隊在格陵蘭島的坎普森丘里進行鉆孔，1966年鉆到冰原底部的巖盤。這時挖出的冰芯長約1400米。其最下部的冰是在距今1萬5千年前形成的。從對這個長冰芯的分析，可以正確地了解到距今最近的冰期及在此冰期之前的溫暖期的地球的氣候。這一成果，使科學家意識到冰原鉆孔對了解地球過去的重要性。

不久，美國又將這項技術帶入南極大陸，在帕特基地挖掘到深約2200米的冰原底部，創造了當時冰原鉆孔的世界記錄。其后，前蘇聯科學家也向冰原鉆孔發起挑戰，在沃斯托克基地取出深達2000米以上的冰芯，這個冰芯包含了地球過去16萬年的記錄。2009年，前蘇聯又挖出長達2500米以上、相當于地球過去20萬年的冰芯。

順便指出，并不是在冰原的任何地方都可以挖取冰芯。因為冰原的內部像一條非常緩慢流動的河流一樣，每年以大約68米的速度在流動。南極的冰原不是平坦的，而像倒扣過來的湯盤似的，中心有山巔，周邊高度降低。由于離開中心的冰在上面的巨大壓力下流向外側，所以唯有在中心的拱頂鉆孔，取出的冰芯才能正確地反映當時地球所在的年代。

前不久，日本的南極觀測隊又成功實施一項巨大的計劃，在昭和基地以南1000公里，被稱為“富士山拱頂”的地方鉆探了一個深2000米的孔，從中挖出了一個相當于地球過去20萬年的冰芯。

20萬年地球史給人的啟示

現在，地球是正在走向溫暖化還是再次回到冰川時代呢？地球大氣中的二氧化碳或其他成分是正在增加還是減少呢？人類對地球環境的現在與未來的狀況抱有很大的不安。如果地球溫暖化，南極大陸的冰全部融化出來，則居住世界人口大半的大城市幾乎要被水淹沒。反之，如果寒冷化則像西伯利亞或阿拉斯加那樣的氣候擴大，農作物的產量銳減，人類將被置身于凍死或饑餓的恐怖中。另一方面，動物或植物的分布也將發生巨大的變化。所以說地球環境的變化對人類的生存將產生巨大的影響。

但是，眼下的議論究竟正確到何等程度，還不能很好地知道。因為地球環境的變化是非常緩慢地進行的，僅僅以其部分的變化來推測整個地球是危險的。為了對整個地球的環境變化作出明確的回答，顯然，目前的科學數據不夠充分。

為了預測地球的將來，就要了解地球的過去。自然界已將自身的記錄保存下來了，問題是保存在哪里？地層、化石、樹木的年輪均滿載了記錄。現在正受到關注的冰芯，也是了解地球過去環境變化的最好記錄，所以，冰原可稱是“凍結的時代資料儲存庫”。

眾所周知，雪堆積起來時，其內部包含大量的大氣。這個大氣隨著雪逐漸被壓縮成冰時，被囚錮在其中，與外部的大氣完全隔離。每年下的雪又在此冰上堆積起來，最終冰進一步被壓縮構成冰層。而囚錮在冰中的大氣變成微小的氣泡，再也不能漏泄到外面。經過漫長的歲月，氣泡可稱為是“大氣的化石”。因此，通過鉆孔將含這種氣泡的冰取出研究，就可以知道有關當時地球環境的許多情況，例如氣溫和濕度、火山活動、太陽活動、大氣的成分、植物的生長情況以及森林火災等。

對我們來說，最感興趣的是地球過去的溫度變化。原來最普通的氧（氧16）對其稀有同位素（例如氧18）在化合物中的比率會隨著溫度的變化而變化。因此，只要把氣泡中的氧16和氧18的比率測定出來，就可以知道地球當時的溫度。據迄今為止的研究知道，在距今1萬多年前的最后冰期，整個地球的氣溫比現在低5攝氏度，在極地低10攝氏度以上。

其次，從冰芯能推斷人類活動的情況。產業革命以后，地球大氣中二氧化碳與甲烷分別增加25%和15%，直到20世紀50-60年代進行核試驗為止，南極的冰都正確地將人類活動的痕跡記錄下來了。

盡管調查過去的目的是為了知道未來，但是人類對地球環境的影響只是產業革命以后才開始的，所以，人類活動對地球環境產生的污染會引起地球什么樣的變化是無法從過去類推的。

總之，沉睡在南極大陸下的冰芯為我們提供了有關地球過去環境的新知識，但同時也看到其中蘊含著對未來的警告。