瑞士科學家在南極冰層中尋找氣候變遷答案

伯恩大學研究員弗洛里安·克勞斯(Florian Krauss)將南極冰樣保存在攝氏零下50度的冰芯保存庫中。 Luigi Jorio / SWI swissinfo

一米冰層，封存萬年氣候記憶。伯爾尼大學的研究人員正運用一項革命性技術研究地球上最古老的冰樣。他們的目標是揭開地球氣候中的一個重大謎團。

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佛洛里安·克勞斯步履匆匆，他沒有時間可以浪費。他手提保溫袋，裡面裝著一根肥皂大小的冰芯-其珍貴程度不容有失。這是一份獨特的冰樣，可以追溯到120萬年前。「這裡沒有犯錯的餘地，但研究這種特殊冰體實在令人興奮，」他說。

這位來自伯爾尼大學的研究員，是從氣候與環境物理研究所(Institute for Climate and Environmental Physics)的一個保持在零下50攝氏度的冰芯保存庫中取出這塊冰塊的。那是歐洲唯一能維持這溫度的保存冰芯的設施，專為儲存古老而脆弱的冰芯而設計。

這裡保存的樣本包括去年一月在南極創紀錄的2500餘米深度採集的冰芯，它們作為「超越EPICA-最古老冰層」(Beyond EPICA – Oldest Ice)歐洲研究項目的組成部分被妥善保存。該計畫透過分析百萬年前形成的冰體，旨在深化對氣候演變規律的認識，進而更精準評估人類活動對氣候的影響。

克勞斯清潔冰樣，以去除可能的污染物，隨後將其帶入實驗室。他計劃分析冰層中捕獲的微量氣泡，以測量二氧化碳(CO₂)及其他溫室氣體的濃度。

這將幫助他揭示遠古大氣的組成成分。他也希望解開古氣候學的重大謎題：為何冰河形成與移動的周期(冰期)會變得更長、更劇烈。

克勞斯解釋道，科學家已利用早期冰芯重建了過去80萬年的氣候記錄。「但我們尚不清楚為何在約一百萬年前，地球冰期的節律會發生變化。」這些新型冰樣或許能提供關鍵線索，不僅有助於理解過去，更能提升對地球未來氣候預測的精準度。

在南極2492公尺深處提取的冰樣已準備就緒，即將進行分析。 Luigi Jorio / SWI swissinfo

雷射技術可提取冰中氣體

實驗室內，克勞斯將冰樣放入鍍金圓筒中，該圓筒位於金屬裝置的中心，裝置連接數十根管子和電線。「奇蹟就是在這裡發生的。」他說。

在真空密封的圓筒內部，一束紅外線光束自上而下照射冰樣。雷射使冰跳過液態階段，直接從固態轉化為氣態(水蒸氣)。這種被稱為昇華的過程，能釋放最古老冰樣微觀氣泡中鎖存的空氣。

與需要研磨或將冰切成薄片的傳統機械方法相比，昇華技術具有100%萃取效率的優勢。「我們能收集冰中全部封存氣體，且不受環境空氣污染，」克勞斯解釋。此外，由於跳過液態階段，可避免釋放的二氧化碳溶於水分而影響結果。

釋放出的氣體會立即在約零下258攝氏度的環境中被冷凍保存，隨後通過光譜儀分析其二氧化碳、甲烷(CH₄)和氧化亞氮(N₂O)的濃度，以及二氧化碳的同位素組成-這些數據對重建古氣候條件至關重要。

研究古冰的革命性技術

伯恩大學自1960年代起便活躍於冰芯研究領域，其創新的冰樣研究方法在全球範圍內具有革命性和獨特性。該技術是與瑞士聯邦材料科學與技術實驗室(Empa)合作研發，專為精確分析最古老冰樣而設計。

距今超過120萬年的冰體因高度壓縮，內部氣泡已不可見。一公尺厚的冰層中，壓縮著逾萬年的氣候歷史。要解析這種壓縮冰體內的溫室氣體變化，科學家需要連續、高解析度且高精度的記錄數據，而這唯有新型昇華技術能夠實現。

此方法的另一個優點在於可對萃取的氣體進行重複利用以深入分析。「這是完美的循環利用，」實驗氣候物理學教授、研究團隊負責人胡貝圖斯·費舍爾(Hubertus Fischer)表示，「對於標準冰芯而言，如此複雜的分析手段並不適用。但當我們僅有極少量古冰可供研究時，這項技術就變得重要。」

冰芯研究中的細節決定成敗

儘管美國和澳洲的實驗室正嘗試開發類似技術，但迄今為止，伯恩團隊仍是該領域的先驅。「我很樂意向同行展示工作原理，」費雪坦言。他為此設備傾注了五年多心血，「但這套系統極其複雜-成敗往往取決於細節。」

伯恩大學研發的這套古冰分析設備在全球獨一無二。 Luigi Jorio / SWI swissinfo

克里斯托·布伊澤特(Christo Buizert)是美國「最古老冰層探測中心」(COLDEX)的負責人，這個機構相當於歐洲「超越EPICA」項目的美國機構。他在2023年受訪時指出，冰昇華技術「操作難度極高」。他補充說：「他們成功實現技術突破，實在令人印象深刻。」

120萬年冰層中的氣候敘事

「超越EPICA」計畫自2009年啟動，伯恩大學是來自十個國家的12個參與機構之一，各機構均擁有專屬研究領域。

這所瑞士大學負責分析冰中溶解的溫室氣體和化學成分。而其他國家的研究團隊則分別研究溫度演變、冰層包含的火山灰或冰的晶體結構等項目。

該計畫旨在透過分析南極提取的冰芯來重建地球氣候史。在這片極地區域，年復一年的積雪經過壓實作用，逐漸形成日益深厚古老的冰層。

20年前，科學家透過一個冰芯計畫成功獲取到約80萬年前的冰芯。如今，「超越EPICA」計畫則在南極2500公尺深度鑽取了一根新的冰芯，目標是將氣候記錄延伸至120萬至150萬年前。

南極小圓頂C鑽(Little Dome C)探點空拍圖，歐洲」超越EPICA」計畫在此提取冰芯。 PNRA_IPEV

「氣候科學最複雜的謎題之一」

借助這些新樣本，研究人員希望發現，為什麼在更新世中期(Mid-Pleistocene)氣候系統發生了如此深刻的變化。在90萬-120萬年前的這段時期，北半球冰蓋規模發生劇烈波動，對氣候產生了深遠影響。

寒冷的「冰期」與溫暖的「間冰期」的交替週期，從約4萬年顯著延長至10萬年，同時冰期的全球冰量大幅增加。伯恩大學指出，這一變遷的成因是「氣候科學領域最複雜的謎題之一。」

冰期與間冰期的交替本與地球繞太陽軌道週期有關。但費雪解釋道，由於這些軌道參數在過去200萬年間並未改變，太陽活動不可能是冰期頻率變化的主要原因。「我們推測大氣溫室氣體濃度變化才是關鍵因素，而驗證這一假設的唯一直接途徑，就是分析冰芯中的氣泡。」

冰芯對於改進氣候模型和預測未來氣候演變同樣具有關鍵意義。

二氧化碳濃度僅為當代一半

截至目前，弗洛里安·克勞斯僅分析了南極冰樣的一小部分，他表示現在得出明確結論還「為時過早」。

但這位研究者基本上確信，冰泡中的二氧化碳濃度僅相當於當今大氣水平的一半-當前因化石燃料燃燒和森林砍伐，二氧化碳濃度已顯著升高。

「透過分析冰芯，人類對大氣和氣候的影響變得顯而易見，」他指出。

首批研究成果預計於2026年春季發表。

(編輯：Gabe Bullard/Vdv，編譯自英文：樊樺/xy，繁體校對：盧品妤)