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超快速南极钻机助力气候记录研究

发布时间:2020-03-07 22:34编辑:科技浏览(178)

    千米冰层几日穿 超快速南极钻机助力气候记录研究

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    冰芯使科学家得以分析过去的降水和温度变化。图片来源:Nick Cobbing/Shutterstock/REX

    钻探冰盖是一项乏味的工作,因为取回长长的冰芯需要数年的现场工作。冰芯保持了可回溯至几万年前的连续气候记录。

    如今,深入探索地球历史有了一种更加快捷的方法。气候研究人员急于获得拥有150万年历史的冰盖,这几乎是最古老的现存冰芯年龄的两倍。为此,他们研制了新一代“快速进入”冰钻。其中,一些钻探用具在从10月开始的南极野外考察季期间进行了首次大规模测试。

    用这些快捷的工具穿透几千米厚冰层仅需花费约一周而非数年时间。它们闪电般地穿过冰盖最上层,然后到达下面的古代冻结层。在那里,被困住的微小气泡充当了已消逝环境的“时间胶囊”。

    最大和最具雄心的机器之一是一个名为“快速进入冰钻”的项目。11月,它将从位于美国犹他州盐湖城的建造工地被运送到南极麦克默多站。12月,“英国南极考察”则将在南极半岛的蓝天站测试一个小很多的钻机。它的名字也叫RAID,是“快速进入同位素钻探”之意。

    不过,这些钻机为追求速度而牺牲了细节。它们在行进时会将冰凿碎或融化,因此提取一块完好无损的冰芯是不可能的。然而,这些快捷的钻机将能对研究人员在未来的野外考察季有可能返回的地方进行快速考察,使其以更加从容的节奏提取完整冰芯。例如,耗资1005万美元的美国RAID钻机,旨在约一周的时间里穿透超过3千米厚的冰层。这种速度使其得以在南极附近“四处游走”,并且在每个考察季都能钻探若干勘探点,而不是在几个考察季里只能钻一个孔。

    即便如此,找到地球最古老的冰层并非易事。“我们正在寻找使极其古老的冰层得以保存下来的一系列非常偶然的环境。”斯克里普斯海洋研究所古气候学家Jeffrey Severinghaus表示。在理想状况下,科学家将发现一个厚厚的冰层序列。它们未受到流动冰川的干扰,并且没有被下面的岩石加热太多。可能的位置包括一些高海拔南极冰穹,比如靠近中国昆仑站的冰穹A,或者冰穹C——欧洲研究人员用5年时间在此提取了一块到达拥有80万年历史冰层的冰芯。

    如今,研究人员想进一步推进,到达至少拥有120万年历史的冰层。这将提供关于地球气候一次重要转变的数据。当时,地球上的冰期周期从由10万年模式主导变成一个4.1万年的周期。

    知道是什么控制了这一转变以及上升的二氧化碳浓度是否起到一定作用,再加上诸如地球旋转倾角的变化等因素,将帮助科学家更好地理解随着全球变暖冰盖将会如何表现。“如果我们不能弄清楚这一点,就真得无法了解我们今天拥有的气候。”Severinghaus表示。

    美国和英国的钻机采取不同方法深入探察南极的过去。一旦美国的RAID到达冰盖底部,它能钻探进下垫岩石的50米深处。分析这些岩石,能揭示它最后一次暴露于宇宙射线中是在何时,而这反过来又能揭示覆盖其的南极冰盖部分的年龄。RAID的首次全面野外考察定于2016~2017年开展。

    英国RAID是一个更加“温和”的项目,耗资不到50万英镑,并且利用的是改进后的传统冰芯钻机。它只能穿透至冰盖约600米深处,也就是到达有着3万~4万年历史的冰层。然而,不像美国RAID,它无须使用钻井液,而液体的重量会为移动一台钻机增加很多成本。

    规模与美国机器相似的第3台钻机是正在法国约瑟夫:傅立叶大学处于研制中的SUBGLACIOR探测器。这个耗资320万欧元的项目,旨在融化而非凿开通往冰盖的道路,并且在行进中测量融化雪水的化学同位素,以计算冰层的年龄。约瑟夫:傅立叶大学极地工程师Olivier Alemany介绍说,这台钻机能穿透至几千米的深处,全面试验则定于2016~2017年在南极康科迪亚站开展。

    第4个项目名为RADIX,将利用一个很窄的洞——直径仅有2厘米——在数天内行进到3千米深处。团队负责人、瑞士伯尔尼大学气候学家Jakob Schwander表示,它已在格陵兰岛经过了极限测试。

    没有人确切知道这些钻机在向下探底时将遇到什么。它们可能穿透进冰盖下面的原始湖泊,而微生物学家能对此进行研究。或者它们可能揭示从基岩向上辐射出的热量,以科学家未曾料到的方式融化着冰层。

    《中国科学报》 (2015-11-02 第3版 国际)

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