在南極洲寒冷的內陸深處，蓬鬆的、充滿空氣的雪一層層堆積，經過數千年壓縮成冰塊。古氣候學家長期以來一直湧向這片偏遠大陸，向下鑽探數公里，取出圓柱形的冰，這些冰跨越了地球數十萬年的歷史——有點像垂直的樹木年輪。鎖在這些冰芯中的古老氣泡是瞭解過去大氣二氧化碳水平如何影響地表溫度的關鍵。這幾乎是科學家能夠實現的最近似時間旅行的方式。
現在，歐洲、澳大利亞和美國的古氣候學家團隊正處於他們所謂的“友好競賽”之中，以尋找地球最古老的冰層，以便他們可以使用其中捕獲的空氣直接測量數百萬年前的溫室氣體水平。研究人員特別想要追溯到大約三百萬年前的冰——當時的氣溫比今天高約兩到三攝氏度，海平面比今天高約 20 米。這可以讓科學家們更好地瞭解未來氣溫可能上升多少。
“我們面臨的最大問題是‘當我們繼續向大氣中排放二氧化碳時，我們認為世界將變暖多少？’”美國團隊成員、普林斯頓大學古氣候學博士後研究員莎拉·沙克爾頓說。美國專案“最古老冰層探索中心 (COLDEX)”正在使用一種新穎獨特的方法來尋找更古老的冰層。其成員正在改進新技術，以按時間順序排列混雜的冰層，希望組裝一個大氣和氣候條件的時間線，從他們能找到的最古老的冰層一直延伸到今天。
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在科羅拉多州國家科學基金會冰芯設施中切割的來自艾倫山脈的非常古老的冰層截面。 來源：Peter Neff/COLDEX
迄今為止鑽取的大多數冰芯都是所謂的連續冰芯，這意味著它們的層按整齊的時間順序排列。但有史以來採集到的最古老的連續冰芯於 2004 年完成，僅追溯到 80 萬年前。更古老的冰可能存在於更深處，但找到它具有挑戰性。“沉積在南極洲表面的冰正在被掩埋，並逐漸流向[大陸]邊緣——然後最終消失，融化到海洋中或作為冰山崩解到海洋中。俄勒岡州立大學古氣候學家兼 COLDEX 主任埃德·布魯克說：“由於這個過程，最古老的冰總是很稀有的。”
近年來，科學家們發現了一種可能獲取這種冰層的方法。他們在南極洲邊緣附近的某些地點發現了隨機的、單獨的較老冰層，夾在靠近地表的較年輕冰層之間——在這些地點，當冰蓋流向海岸時，岩石山脊會將冰蓋向上推。由普林斯頓古氣候學家約翰·希金斯領導的 COLDEX 團隊從去年 11 月到今年 1 月被部署到南極洲東海岸附近的艾倫山脈。在那裡，無情的風颳走了上升的頂部冰層，這意味著較老的冰層離地表更近——只有幾十到幾百米深，而不是幾千米深——因此更容易獲取。然而，即使山脊有助於向上推動冰層，它們也會將冰層研磨成一團亂七八糟的東西，就像地質攪拌機一樣。“這有點像一盒拼圖碎片。對於傳統的[連續]冰芯，所有的拼圖碎片都精確地在正確的位置，”俄勒岡州立大學古氣候學家克里斯托·布伊澤特說，他領導 COLDEX 冰分析團隊。但在從大陸邊緣鑽取的冰芯中，“這就像有人拿起拼圖並將所有碎片混在一起。”
為了確定混雜冰層中冰的年齡——從而將它們按順序排列——該團隊將利用氬年代測定等技術的最新進展，仔細分析每一層以尋找線索。由於元素鉀隨著時間的推移以穩定的速率自然衰變為氬，因此冰中的氬含量可以準確地確定其年代。此外，機器可以拍攝多波長光層影像，以發現冰芯中的褶皺和其他不連續性，這有助於科學家將各層連線起來並進行排列。“這對我們來說是一個全新的挑戰，弄清楚如何處理受擾動的冰，”布伊澤特說。“我們總是儘可能避免它，因為它只是困難得多。但最古老的冰可能只能在這種真正受擾動的狀態下儲存下來。我們將別無選擇，只能學習解讀它，弄清楚如何將拼圖碎片重新組合在一起。”
COLDEX 科學家還計劃在南極大陸內部，靠近南極點的地方鑽取一個傳統的連續冰芯，該冰芯將追溯到 150 萬年前。這也是歐洲和澳大利亞鑽探工作的年齡目標。然後，COLDEX 團隊將新增按時間順序排列的艾倫山脈冰層，有望將記錄延長至總共三百萬年前。
NSF 冰芯設施的冰芯儲存。來源：Peter Neff/COLDEX
COLDEX 團隊有可能在靠近南極點附近冰蓋最底部的地方找到更古老的冰層。但與大陸邊緣的冰層一樣，當它流過下方的岩石地殼時，它很可能已被磨碎，或者被地球深處散發出的地熱融化——這可能會使它像艾倫山脈的冰一樣難以分析。為了在南極點附近尋找最古老的可獲取的連續樣本，該團隊已開始一項為期五年的任務，使用機載冰穿透雷達技術來精確定位一個降雪率高且位於地球地殼相對較冷區域上方的區域。
一旦他們獲得他們可以獲得的任何混雜的較老冰層並確定了它們的年代，團隊成員將使用一項新技術來改進對內部捕獲的氣泡中氣體的分析。以前，研究人員會每隔幾米取一塊冰芯切片，融化它們，然後測量釋放的二氧化碳和其他氣體的量。然後，科學家們可以推斷出中間各層的氣體水平，因為他們只使用了連續冰芯，各層按時間順序排列。但是，這種方法不適用於層序混亂的冰芯；科學家需要對混雜冰的每一層進行取樣，以獲得每層的準確氣體測量值。使用新方法，他們可以融化跨越冰芯全長的窄條，然後分析其中包含的氣體。這應該為他們提供每一層的精確測量值，他們可以將其與該層的年齡聯絡起來。
“我們夢想這樣做已經很久很久了，因為冰芯界的每個人都清楚，最重要的優先事項是將我們的冰芯記錄進一步追溯到過去，”布伊澤特說。現在他們實際上正在這樣做，COLDEX 科學家們牢記所有這項工作背後的“原因”——瞭解我們正在快速接近的更溫暖的世界。“我認為說‘哦，我們找到了最古老的冰’這是一個引人注目的標題，但我們對這些早期時間間隔感興趣是有原因的，”沙克爾頓說。“那是因為它們更溫暖。”
本報道由普利策中心資助。