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这是一份完整又高清的地球档案,但它正被人类逐渐销毁

张强弓

中国科学院青藏高原研究所

 

 

冰川是有记忆的,它将气候变化和人类活动完整地冰封起来,形成了一份完整又高清的档案。在SELF格致论道讲坛上,中国科学院青藏高原研究所张强弓为我们讲述他的冰川记忆。

 

今天我讲的故事叫“冰川记忆”。所谓“冰川记忆”有两个层面的意思。第一,冰川本身有记忆;第二,我想分享过去几年我做冰川研究的故事。

我相信随着物质生活水平的提高,大家是有机会接触到冰川的。比如,图片中的云南玉龙雪山,我们可以坐着缆车一直从山下上到4000多米高的冰川上,可以在冰川上行走甚至抚触冰山。

玉龙雪山白水1号冰川

如果去瑞士,我们可以乘坐小火车,它会一直把大家带到冰川的表面。这是瑞士著名的少女峰,这是我们拍的阿莱奇冰川,这条冰川非常长,像河流一样在流淌。

瑞士阿莱奇冰川

对于我们做科研的人来说,会有更多机会接触到一些不常见的冰川,比如这条位于西藏东南部,名叫帕隆藏布4号的冰川。大家可以看到,这条冰川像一条瀑布一样流淌下来,非常圣洁,非常壮美,如果你来到这儿,一定会拿起相机拍个不停。

藏东南帕隆藏布4号冰川

这是一条在甘肃青藏高原东北部的冰川,叫老虎沟12号,名字是冰川编目中给出的。它还有一个非常梦幻的名字——透明梦柯冰川,它的长度有10.1千米。或许大家觉得10.1千米已经很长了,但是在山地冰川界里,它只是一个小字辈。世界上最长的山地冰川在帕米尔高原,是一条叫费德钦科的冰川,它的长度超过70千米,那可真是一条长冰川。

祁连山老虎沟12号冰川(透明梦柯冰川)@杜文涛

冰川有记忆吗?

01

 

讲到这儿,大家可能会问,冰川是否有记忆呢?如果它有记忆,我们又该如何找到这些记忆呢?

冰川实际是降水经过多年累积形成的,所以会有非常明显的层理,一层白一层灰,这就是冰川每一年年层的累积。这张照片是2008年我们在藏东南德木拉冰川的末端拍摄的。

藏东南德木拉冰川

我们在冰川上挖了一个一人多深的雪坑,里面有非常明显的纹层,纹层中的灰色是沙尘。因为每年三四月份的气候非常干燥,大气里的沙尘沉淀下来,因此在冰川里形成了这样的纹路。

钻取冰芯

通过挖掘雪坑,我们可以看到冰川季节性的变化。我们还可以通过钻取冰芯来观察到冰川每年的变化。这张图片显示的是我们在冰川上用冰钻打冰柱的情景。每钻大概能打一两米深,然后我们从冰孔中取出冰芯。照片中手持冰芯的是我的硕士和博士导师康世昌研究员,他正在检查冰芯。

冰芯:冰川的记忆棒

冰芯里到底有什么东西呢?我们怎么来看“冰川的记忆”呢?事实上有很多指标。比如,我们可以把冰融成水,测试里面的氢氧同位素比率,因为氢氧同位素的高低代表气温的波动。

我们还可以把每年的冰融成水后测量水的体积,就能知道每年下了多少雨。当然,水里面还有很多化学指标,包括沙尘、离子、金属等,都是大气环境的指示。

解读冰川记忆

我们看一下这个小冰块,它里面有非常致密的小气泡,这些气泡就是下雪的当年被压实在里面的,它们携带了远古时代大气成分的信息。

南极有世界上最大的冰盖,冰盖厚度超过3000米,科学家通过在南极钻探冰芯,然后将3000米长的冰芯从上到下排列,就可以看到80万年以来气温和大气成分的变化。

 

我们可以看到,在自然历史时期,冰芯里面的一些信号是波动的,反映了冰期和间冰期旋回的现象。气温虽然也是波动的,但总体很稳定。所以说,冰川记录了很多(气温)年代变化的信息。

冰芯记录了气温和大气成分变化

这是2000多年前古罗马的斗兽场,古罗马是一个伟大的帝国,它的繁盛是建立在强大生产力之上的,而强大生产力的标志之一,是它有着非常成熟的冶金技术。

现在罗马的博物馆就陈列着当年冶金时代留下的痕迹,比如铅制的水管。当时铅的使用规模非常大,在冶金和提炼铅的过程中会产生大量粉尘,并释放到空气中。

罗马帝国时期的铅制水管

那么,这种空气是否会随着大气环流飘到全球各个角落呢?冰芯给出了相应的答案。这张图显示了过去几千年来冰芯中铅含量的变化值。铅含量的峰值恰恰对应了罗马帝国最为兴盛的时期,而当罗马帝国的铅矿开采量下降以后,曲线也随之下降了,所以冰芯完好地记录了人类活动的历史。

格陵兰冰芯

Hong et al., 1994

进入近代,人类活动更为剧烈。举一个例子,1944年原子弹诞生,1945年美军在比基尼岛进行了两次核爆炸试验,其中一次是水下核爆炸。核爆炸以后,大量的放射性元素随着大气环流进入到全球各个地区。

二战后期和冷战时期密集的核试验

这张表记录了1945~2018年世界主要核试验的次数,其中1958年、1962年和1963年全球进行核试验的次数最多。我们可以看到,中国是在1964年进行了第一次核爆炸。

1945-2018期间世界主要核试验

这跟冰芯有什么关系?没错,核爆炸产生的相关信号都会沉降在冰川中,从我们钻出来的冰芯里也可以看到些信号。比如这支采自新疆和蒙古交界处的冰芯。大家看,图中绿色和红色的峰值处,大概对应的是10~20米深的冰层,这个地方也指向了1963年——核爆炸次数最多的时期。图中蓝色代表什么信号呢?其中一个坐标轴表示非陆源的硫酸根,这是一种火山的信号。

标志层(Reference Layer)

Herren et al., 2013

冰川有记忆

02

 

如果说冰芯是一本没有页码的书,那么我们就可以找到标志性的层位,从而把它的年龄序列建立好。所以,冰芯所反映出的核试验峰值和火山爆发峰值非常重要,它会协助我们对这支冰芯进行完整地定年,然后再恢复其他的指标。

所以说,冰川是有记忆的,它将气候变化和人类活动完整地冰封起来,可以说是一份完整又高清的档案。事实上,中国青藏高原和它周边的一些山体是非常大的冰川储库,占据了中低纬度冰川2/3以上的数量和面积。

这是我国第二次冰川编目时做出的统计数据,我们有48000多条冰川,面积超过5万平方千米,它给我们做冰川研究提供了非常好的材料。

中国冰川情况

2004年我作为首批学生进入刚刚成立的中国科学院青藏高原研究所进行学习。这之前,我的导师康世昌研究员一直在从事冰芯的研究。

这张照片记录了2003年他率队在西藏中南部的念青唐古拉山钻取冰芯的情景。照片上高高的像屋檐一样的就是念青唐古拉山的主峰,它有7000多米高,打钻的位置看上去非常平坦,但高度也有5800米左右。

2003年 念青唐古拉主峰 海拔7162米

这就是当时工作的场景,最终他们钻取了一支120多米长的冰芯。

海拔5800处钻取了124m冰芯

2004年我入学以后,随着队伍又去了一次青藏高原,因为大家觉得高原中部仅有一支冰芯的话,空间代表性不够。那次我们走到了长江的源头——唐古拉山脉主峰格拉丹东峰,这个主峰的高度有6000多米。

这是早上我们的车队在距离格拉丹东峰三四十千米的地方拍摄的一张照片。看上去道路还挺平坦,但实际上,拍照后我们整整花了三天的时间才到达冰川末端,因为行进过程中不仅没有路,还有很多沼泽,车陷进沼泽很长时间,所以才会这么艰难地到达冰川末端。

2005年  格拉丹东峰 海拔6621米

我们在冰川末端大概海拔5100米的地方搭建了营地——三顶鲜艳的小帐篷。背上一些食物和设备,我们就向冰川进发了。

野外营地 海拔5100米

大家可能感觉冰川末端看起来很小,但当我们走近后,才发现上面有很多巨大的冰块。

冰川末端

大家看,我手里拿的这支竹竿有五六米长,主要用来测量冰川流动的速度(和冰面变化),对比一下就能知道,我背后的这个冰块有十几米高。

我们找到了一条比较好走的路,可以直达冰川表面。一路上我们一直拖着设备,到了5600多米高的位置后,终于找到了一个适合打钻的平坦区域。

海拔5250米

海拔5650米

冰芯钻取点 海拔5750米

可能有观众会问,5100米高的地方就有冰,为什么不在那打钻,非要去那么高的地方打钻?这是因为冰川的下部是消融区,它每年积累的雪会小于消融的雪,而冰川上部气温很低,每年会积累很多雪,因而叫作积累区,我们只有在积累区打下冰钻,才能获得完整的记录。比如,我们2005年在这里打钻,那么冰芯顶部记录的就是2005年的自然资料,然后一直往下数,大概能追溯到两千多年前。

冰川消融区与积累区示意图

我们在格拉丹东峰工作了一个多星期,取出了一支147米长的冰芯。

海拔5800处钻取了147m冰芯

在牦牛的帮助下,我们把冰芯运回到底部的营地,最后成功运回到实验室。我们把147米长的冰芯锯成了3000多个小块,再将外层的一些污染物质刮掉。

牦牛托运冰块

实验室

实际上,这就是高分辨率的历史记录了。我们把样品水送到实验室,得到了一些化学指标。现在只差一步就可以得到完整的历史记录,那就是年代。

万事俱备,只差定年

刚才已经提醒了大家,我们需要找到核爆炸还有火山爆发等事件对应的年代。在我们的预想中,这些数值大概会在冰芯10~20米的地方出现,但我们反复找,还是没有找到对应的数值。难道是我们找的地方不对?于是我们向上找,没有找到,向下找,还是没有找到。难道从念青唐古拉山和格拉丹东峰取回的两个冰芯都没有记录核爆炸事件吗?

经历了大概两年的时间,找了各种指标,最后我们终于找到了。图中红色数值线对应的是格拉丹东峰的冰芯,我们预期峰值应该出现在20米左右的地方,事实上在5米的地方就出现了。不过,我们还是没有在念青唐古拉山的冰芯中找到对应核爆炸的数值,这给我们带来了很大的困扰,问题到底出在哪里?

2014年,我把冰芯带到了瑞士的保罗希尔研究所,这里是世界上最大的核能、化工实验室。在这里,我们测试了冰芯中的一些放射性同位素,将其与之前获得的相关信息进行研究。

瑞士Paul Scherrer Institute

研究最终确定,格拉丹东这支冰芯的顶部对应的是1982年,也就是我出生的年份。可是这支冰芯是2005年打出来的,按理说,冰芯的顶部对应的应该是2005年,怎么会是1982年呢?换言之,拉丹东冰芯1982~2005年的记录都不见了!而念青唐古拉冰芯的信息损失量更大,记录最多就停留在1950年,冰川最近几十年的记忆都消失了!到底发生了什么?

 

冰川最后的记忆消失了?

03

 

我们来看看过去这些年到底发生了什么事情吧。

联合国气候变化专门委员会每五年会组织一次评估。这是2013年发表的一份评估报告。报告显示,从1980年开始,全球的气温持续升高,并且升高速度非常快。

 

在这种情况下,冰川会发生什么?没错,冰川融化的速度也会加快。这是珠穆朗玛峰的绒布冰川1921年和2007年的对比图以及阿尔卑斯某冰川1933年和2012年的对比图。

珠穆朗玛峰1921

珠穆朗玛峰2007

阿尔卑斯山1933

阿尔卑斯山2012

事实上,2018年11月中国科学院西北院联合绿色和平组织发布了一个报告,说明了中国冰川过去这些年发生的情况。报告显示,黄河源头的阿尼玛卿哈龙冰川在最近十年退缩了500多米,退缩速度非常快。而且基于我的研究,我想提醒大家,冰川不仅仅在退缩,而且它的表面积在缩小,厚度也在减薄。

沈永平 等 2018

这张图显示了1970年以来,冰山每年减薄的过程,其中青藏高原和阿尔卑斯山地区的冰川,每年减薄的速度都非常快。这才是我今天要强调的重点,那就是冰川不断退缩,而且不断减薄。

 

打个形象的比喻,以前的冰川就像长发的贝克汉姆,非常飘逸、非常俊美,退缩的冰川就像短发的贝克汉姆,而变薄的冰川就像剪了板寸的贝克汉姆。

造成全球变暖的原因是什么?气候学家和科学家给出了结论,是人类活动。大家看这张模拟图,当我们把全部自然因子算上后,模拟出的结果无法复制所观测到的值,但当我们把人为因素加入到计算模型后,结果就跟我们的实测值相符了。这也证明,地球这些年的气温升高明显是人类活动造成的。

近期全球气温快速上升是人为的

关于这一点,我们还可以从温室气体的排放情况得到印证。这是我刚才展示冰芯气泡时给出的图片,其中只取了二氧化碳浓度值。我们可以看到,过去80万年以来,二氧化碳的浓度虽然有波动,但数值一直没有超过300ppm。

大气中CO2含量

图表最右边那条近乎垂直的线对应的是近些年二氧化碳浓度的变化值。从1950年以来,二氧化碳浓度在持续上升,截至2018年11月20日,二氧化碳的浓度已经达到了408.5ppm,相对于工业革命之前已经上升了100个ppm。

大气中CO2含量

原来,是人类活动把冰川这些年的记忆给抹除了。以前冰川记录了很长时间的人类历史活动,但最近几十年强烈的人类活动造成了全球气候变暖,所以冰川的记忆才被部分抹除了。

冰芯研究何去何从

04

 

于我而言,今后冰芯的研究将何去何从?科学家预测,未来还有更多的小冰川会消失。对此,我一度陷入崩溃边缘,一个研究者的研究对象都不在了,他还继续工作什么呢?于是我开始查找,冰川消退后,我们该如何研究。

这是南美的巴塔哥尼亚冰川,仅仅几年的时间,它就退缩了很多。

南美巴塔哥尼亚

这是瑞士的一条冰川,2011年和2015年一对比,它居然退去了这么多。

瑞士Stein冰川和冰川湖

但是,在翻看这两条冰川资料的时候,我注意到一个现象,冰川下面有湖,冰川退缩后,有没有可能冰川中的一些记忆转移到了湖中呢?这是一个很有意思的发现,正所谓“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,可能长时间做冰川研究,所以我的关注点一直只在冰川上,而没有关注到整个生态系统。

这是Stein冰川和Stein湖之间的关系图,1970年代,湖中污染物浓度出现了第一个峰值,这一峰值对应欧洲大量工业排放的年代。第二个峰值出现在2000年以后,那时欧美开始实施大气减排措施,污染物浓度应该下降,为什么反而上升呢?原来,冰川快速消融后,有些记忆转到了湖里。

Stein冰川与Stein湖

我顿时感到很兴奋,我又有了新的研究方向,即便全球气候变暖,我的研究还是可持续的。我将这种想法和之前的资料汇总,然后提出了这样一个观点:冰川和冰川湖所包含的信息是此消彼涨的。冰川快速消融的情况下,冰川湖会扩大,也会接收到更多冰川带来的记忆。

“冰川-冰川湖”此消彼长

短发的“贝克汉姆”笑了,我也笑了。当我们冲出迷雾,找到了自己未来的研究方向所在的时候,我们确实感到非常高兴。

最近几年,我和课题组的同事一直从事冰川和冰川湖联系的研究,以及冰川的退缩给人类带来的其他一些影响。

冰川俯瞰图

每次我飞临青藏高原和其他地区的时候,再次俯瞰这片冰川,我才真正体会到,冰川是流动的,记忆是流动的,冰川记忆消融的时候,也是科学思想开始流动的时候。谢谢大家!

本文转载自公众号“SELF格致论道讲坛”(ID:SELF_talks)

 

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