瑞士科学家在南极冰层中寻找气候变化答案
一米冰层，封存万年气候记忆。伯尔尼大学的研究人员正运用一项革命性技术研究地球上最古老的冰样。他们的目标是揭开地球气候中的一个重大谜团。
弗洛里安·克劳斯步履匆匆，他没有时间可以浪费。他手提保温袋，里面装着一根肥皂大小的冰芯-其珍贵程度不容有失。这是一份独特的冰样，可以追溯到120万年前。”这里没有犯错的余地，但研究这种特殊冰体实在令人兴奋，”他说。
这位来自伯尔尼大学的研究员，是从气候与环境物理研究所(Institute for Climate and Environmental Physics)的一个保持在零下50摄氏度的冰芯保存库中取出这块冰样的。那是欧洲唯一能维持这一温度的保存冰芯的设施，专为储存古老而脆弱的冰芯而设计。
这里保存的样本包括去年一月在南极创纪录的2500余米深度采集的冰芯，它们作为”超越EPICA-最古老冰层”(Beyond EPICA – Oldest Ice)欧洲研究项目的组成部分被妥善保存。该项目通过分析百万年前形成的冰体，旨在深化对气候演变规律的认识，进而更精准评估人类活动对气候的影响。
克劳斯清洁冰样，以去除可能的污染物，随后将其带入实验室。他计划分析冰层中捕获的微量气泡，以测量二氧化碳(CO₂)及其他温室气体的浓度。
这将帮助他揭示远古大气的组成成分。他还希望解开古气候学的重大谜题：为何冰川形成与移动的周期(冰期)会变得更长、更剧烈。
克劳斯解释道，科学家已利用早期冰芯重建了过去80万年的气候记录。”但我们尚不清楚为何在约一百万年前，地球冰期的节律会发生变化。”这些新型冰样或许能提供关键线索，不仅有助于理解过去，更能提升对地球未来气候预测的精准度。
激光技术提取冰中气体
实验室内，克劳斯将冰样放入一个镀金圆筒中，该圆筒位于一个金属装置的中心，装置连接着数十根管子和电线。“奇迹就是在这里发生的。”他说。
在真空密封的圆筒内部，一束红外光束自上而下照射冰样。激光使冰跳过液态阶段，直接从固态转化为气态(水蒸气)。这种被称为升华的过程，能释放最古老冰样微观气泡中锁存的空气。
与需要研磨或将冰切成薄片的传统机械方法相比，升华技术具有100%提取效率的优势。”我们能收集冰中全部封存气体，且不受环境空气污染，”克劳斯解释道。此外，由于跳过液态阶段，可避免释放的二氧化碳溶于水分而影响结果。
释放出的气体会立即在约零下258摄氏度的环境中被冷冻保存，随后通过光谱仪分析其二氧化碳、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的浓度，以及二氧化碳的同位素组成-这些数据对重建古气候条件至关重要。
研究古冰的革命性技术
伯尔尼大学自20世纪60年代起便活跃于冰芯研究领域，其创新的冰样研究方法在全球范围内具有革命性和独特性。该技术是与瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)合作研发，专为精确分析最古老冰样而设计。
距今超过120万年的冰体因高度压缩，内部气泡已不可见。一米厚的冰层中，压缩着逾万年的气候历史。要解析这种压缩冰体内的温室气体变化，科学家需要连续、高分辨率且高精度的记录数据，而这唯有新型升华技术能够实现。
此方法的另一优势在于可对提取的气体进行重复利用以深入分析。”这是完美的循环利用，”实验气候物理学教授、研究团队负责人胡贝图斯·费舍尔(Hubertus Fischer)表示，”对于标准冰芯而言，如此复杂的分析手段并不适用。但当我们仅有极少量古冰可供研究时，这项技术就变得重要。”
冰芯研究中的细节决定成败
尽管美国和澳大利亚的实验室正尝试开发类似技术，但迄今为止，伯尔尼团队仍是该领域的先驱。”我很乐意向同行展示工作原理，”费舍尔坦言。他为此设备倾注了五年多心血，”但这套系统极其复杂-成败往往取决于细节。”
克里斯托·布伊泽特(Christo Buizert)是美国”最古老冰层探测中心”(COLDEX)的负责人，这个机构相当于欧洲”超越EPICA”项目的美国机构。他在2023年受访时指出，冰升华技术”操作难度极高”。他补充道：”他们成功实现技术突破，实在令人印象深刻。”
120万年冰层中的气候叙事
“超越EPICA”项目自2009年启动，伯尔尼大学是来自十个国家的12个参与机构之一，各机构均拥有专属研究领域。
这所瑞士大学负责分析冰中溶解的温室气体和化学成分。而其他国家的研究团队则分别研究温度演变、冰层包含的火山灰或冰的晶体结构等项目。
该项目旨在通过分析南极提取的冰芯重建地球气候史。在这片极地区域，年复一年的积雪经过压实作用，逐渐形成日益深厚古老的冰层。
20年前，科学家们通过一个冰芯项目成功获取到约80万年前的冰芯。如今，”超越EPICA”项目则在南极2500米深度钻取了一根新的冰芯，目标是将气候记录延伸至120万至150万年前。
“气候科学最复杂的谜题之一”
借助这些新样本，研究人员希望发现，为什么在更新世中期(Mid-Pleistocene)气候系统发生了如此深刻的变化。在90万-120万年前的这一时期，北半球冰盖规模发生剧烈波动，对气候产生了深远影响。
寒冷的“冰期”与温暖的“间冰期”的交替周期，从约4万年显著延长至10万年，同时冰期的全球冰量大幅增加。伯尔尼大学指出，这一变迁的成因是”气候科学领域最复杂的谜题之一”。
冰期与间冰期的交替本与地球绕太阳轨道周期相关。但费舍尔解释道，由于这些轨道参数在过去200万年间并未改变，太阳活动不可能是冰期频率变化的主因。”我们推测大气温室气体浓度变化才是关键因素，而验证这一假设的唯一直接途径，就是分析冰芯中的气泡。”
冰芯对于改进气候模型和预测未来气候演变同样具有关键意义。
二氧化碳浓度仅为当代一半
截至目前，弗洛里安·克劳斯仅分析了南极冰样的一小部分，他表示现在得出明确结论还”为时过早”。
但这位研究者基本确信，冰泡中的二氧化碳浓度仅相当于当今大气水平的一半-当前因化石燃料燃烧和森林砍伐，二氧化碳浓度已显著升高。
“通过分析冰芯，人类对大气和气候的影响变得显而易见，”他指出。
首批研究成果预计将于2026年春季发布。
(编辑：Gabe Bullard/Vdv，编译自英文：樊桦/xy)
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