在南极洲寒冷的内陆深处，蓬松的、充满空气的雪一层层堆积，经过数千年压缩成冰块。古气候学家长期以来一直涌向这片偏远大陆，向下钻探数公里，取出圆柱形的冰，这些冰跨越了地球数十万年的历史——有点像垂直的树木年轮。锁在这些冰芯中的古老气泡是了解过去大气二氧化碳水平如何影响地表温度的关键。这几乎是科学家能够实现的最近似时间旅行的方式。
现在，欧洲、澳大利亚和美国的古气候学家团队正处于他们所谓的“友好竞赛”之中，以寻找地球最古老的冰层，以便他们可以使用其中捕获的空气直接测量数百万年前的温室气体水平。研究人员特别想要追溯到大约三百万年前的冰——当时的气温比今天高约两到三摄氏度，海平面比今天高约 20 米。这可以让科学家们更好地了解未来气温可能上升多少。
“我们面临的最大问题是‘当我们继续向大气中排放二氧化碳时，我们认为世界将变暖多少？’”美国团队成员、普林斯顿大学古气候学博士后研究员莎拉·沙克尔顿说。美国项目“最古老冰层探索中心 (COLDEX)”正在使用一种新颖独特的方法来寻找更古老的冰层。其成员正在改进新技术，以按时间顺序排列混杂的冰层，希望组装一个大气和气候条件的时间线，从他们能找到的最古老的冰层一直延伸到今天。
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在科罗拉多州国家科学基金会冰芯设施中切割的来自艾伦山脉的非常古老的冰层截面。 来源：Peter Neff/COLDEX
迄今为止钻取的大多数冰芯都是所谓的连续冰芯，这意味着它们的层按整齐的时间顺序排列。但有史以来采集到的最古老的连续冰芯于 2004 年完成，仅追溯到 80 万年前。更古老的冰可能存在于更深处，但找到它具有挑战性。“沉积在南极洲表面的冰正在被掩埋，并逐渐流向[大陆]边缘——然后最终消失，融化到海洋中或作为冰山崩解到海洋中。俄勒冈州立大学古气候学家兼 COLDEX 主任埃德·布鲁克说：“由于这个过程，最古老的冰总是很稀有的。”
近年来，科学家们发现了一种可能获取这种冰层的方法。他们在南极洲边缘附近的某些地点发现了随机的、单独的较老冰层，夹在靠近地表的较年轻冰层之间——在这些地点，当冰盖流向海岸时，岩石山脊会将冰盖向上推。由普林斯顿古气候学家约翰·希金斯领导的 COLDEX 团队从去年 11 月到今年 1 月被部署到南极洲东海岸附近的艾伦山脉。在那里，无情的风刮走了上升的顶部冰层，这意味着较老的冰层离地表更近——只有几十到几百米深，而不是几千米深——因此更容易获取。然而，即使山脊有助于向上推动冰层，它们也会将冰层研磨成一团乱七八糟的东西，就像地质搅拌机一样。“这有点像一盒拼图碎片。对于传统的[连续]冰芯，所有的拼图碎片都精确地在正确的位置，”俄勒冈州立大学古气候学家克里斯托·布伊泽特说，他领导 COLDEX 冰分析团队。但在从大陆边缘钻取的冰芯中，“这就像有人拿起拼图并将所有碎片混在一起。”
为了确定混杂冰层中冰的年龄——从而将它们按顺序排列——该团队将利用氩年代测定等技术的最新进展，仔细分析每一层以寻找线索。由于元素钾随着时间的推移以稳定的速率自然衰变为氩，因此冰中的氩含量可以准确地确定其年代。此外，机器可以拍摄多波长光层图像，以发现冰芯中的褶皱和其他不连续性，这有助于科学家将各层连接起来并进行排列。“这对我们来说是一个全新的挑战，弄清楚如何处理受扰动的冰，”布伊泽特说。“我们总是尽可能避免它，因为它只是困难得多。但最古老的冰可能只能在这种真正受扰动的状态下保存下来。我们将别无选择，只能学习解读它，弄清楚如何将拼图碎片重新组合在一起。”
COLDEX 科学家还计划在南极大陆内部，靠近南极点的地方钻取一个传统的连续冰芯，该冰芯将追溯到 150 万年前。这也是欧洲和澳大利亚钻探工作的年龄目标。然后，COLDEX 团队将添加按时间顺序排列的艾伦山脉冰层，有望将记录延长至总共三百万年前。
NSF 冰芯设施的冰芯存储。来源：Peter Neff/COLDEX
COLDEX 团队有可能在靠近南极点附近冰盖最底部的地方找到更古老的冰层。但与大陆边缘的冰层一样，当它流过下方的岩石地壳时，它很可能已被磨碎，或者被地球深处散发出的地热融化——这可能会使它像艾伦山脉的冰一样难以分析。为了在南极点附近寻找最古老的可获取的连续样本，该团队已开始一项为期五年的任务，使用机载冰穿透雷达技术来精确定位一个降雪率高且位于地球地壳相对较冷区域上方的区域。
一旦他们获得他们可以获得的任何混杂的较老冰层并确定了它们的年代，团队成员将使用一项新技术来改进对内部捕获的气泡中气体的分析。以前，研究人员会每隔几米取一块冰芯切片，融化它们，然后测量释放的二氧化碳和其他气体的量。然后，科学家们可以推断出中间各层的气体水平，因为他们只使用了连续冰芯，各层按时间顺序排列。但是，这种方法不适用于层序混乱的冰芯；科学家需要对混杂冰的每一层进行采样，以获得每层的准确气体测量值。使用新方法，他们可以融化跨越冰芯全长的窄条，然后分析其中包含的气体。这应该为他们提供每一层的精确测量值，他们可以将其与该层的年龄联系起来。
“我们梦想这样做已经很久很久了，因为冰芯界的每个人都清楚，最重要的优先事项是将我们的冰芯记录进一步追溯到过去，”布伊泽特说。现在他们实际上正在这样做，COLDEX 科学家们牢记所有这项工作背后的“原因”——了解我们正在快速接近的更温暖的世界。“我认为说‘哦，我们找到了最古老的冰’这是一个引人注目的标题，但我们对这些早期时间间隔感兴趣是有原因的，”沙克尔顿说。“那是因为它们更温暖。”
本报道由普利策中心资助。