18O /16O比值和氣溫的關係到底夠不夠穩定呢?自從W. Dansgaard在1954發表那場降水中的氧同位素的文章後,他對這個問題持續抱著熱情,他知道不能用單單一場的雨水決定這兩者關係,畢竟形成雲雨有很多不同的機制。他檢查了許多水氣中同位素比例的各項影響因素,也引發其他科學研究者的興趣,投入海水和降水各種組成同位素相關的研究。
隔了十年之後,1964年W. Dansgaard發表了一份擴及全球大多數地區的研究報告,收集分別取自熱帶海面上的6個島嶼、17個中高緯度陸地地區,還有5個格陵蘭和6個南極研究站的數據。一再檢驗氧同位素與氣溫的關係。圖四顯示這項結果,以年平均近地表氣溫為橫軸,縱軸代表全年歷次降水的氧同位素平均比值。兩相比較,很清楚地存在一個十分有趣的現象,δ18 in ‰(或寫作δ18O‰,代表18O /16O比值和標準值的差距)和赤道的平均海水組成相比都是負值,在平均溫越低的地表,降水中的18O /16O比值也就小越多。因此,我們找到了大自然在雨水及雪花留下的一個印痕,記載著同位素比例似乎會按著不同氣溫分配。明確建立這個關係之後,科學家就能透過氧同位素18的差異(δ18O)找到對應的氣溫。

圖四 建立降水中氧同位素與氣溫的關係
三、飄落的雪花為遠古大氣著書立述
與這項降水氧同位素研究同時並行的發展,是探究高緯度地區的科學研究,尤其是1957~58的國際物理年(International Geophysical Year)大工程,促使跨國科學團隊到達杳無人煙的冰冷遙遠地帶攜手合作,冰芯的研究在這個時期開始有大規模的國際整合計畫。在這段計畫中有14國投入北極圈研究,12個國家到達南極大陸,成就卓著的南極東方站(Vostok)是前蘇聯為主的團隊,就是在這個時期建立的。
飄落在格陵蘭和南極大陸上的冰雪,即使在夏天也難以融化。大多數的冰川有可能隨重力向下移動而逐漸遠離原地,但科學團隊仍然可以找到有些位置可能已持續千百年甚至更久的厚層積雪。東方站位在最接近地球南磁極的酷寒位置,海拔高度接近3.5公里,冬季氣溫往往達是攝氏零下65度,即使夏季也是低於冰點30度,最低溫還曾達零下89度的紀錄。
覆蓋的雪片彼此擠壓,在表面底下數十公尺深處(40~120公尺深)緊密成冰。挖掘這些冰層揭示了過去漫長歷史的氣候紀錄,雪花細縫間捕捉了當年的空氣(圖五),這些孔隙在上方一層又一層逐年冰雪重量積壓下變為緊密,氣體之間的通道逐漸封鎖,便成為儲存在冰層中的大氣樣本。越深處的冰層氣泡受壓也會越來越小(圖六) ,釋放出這些氣泡讓我們可以取得遠古的大氣,從其中分析出各項氣體的組成,特別是溫室氣體的濃度。

圖五 從飄雪到堅冰的過程

圖六 冰芯標本的薄片
建立研究站以來冰芯研究首要解決的是鑽冰技術的困難,經歷許多失敗和新的技術改進發明,1980年代起陸陸續續有許多關鍵的冰芯研究發表在「自然」等重要科學期刊上。1987年東方站的冰芯研究發表一篇涵蓋長時期(第一份完整包含最近一次冰期與間冰期)的論文出爐,直到1996年已鑽到3623公尺深,因顧慮深鑽可能汙染該站深處的地下湖被迫停止,據此發表了保存42萬年氣候紀錄的漂亮成果,讓我們十分訝異古代的氣候竟然有著不尋常的規律(圖七)。

圖七 鑽取冰芯和東方站冰芯研究成果
東方站歷經近40年在這樣既乾燥又凍寒的冰天雪地工作,若不是俄國人強韌的民族性,怎耐地起如此漫長時間且極端嚴酷的天氣考驗? 圖七這項成果還真值得我們多花點力氣詳細地了解! 首先從時間軸上來看,最上側靛藍色的曲線為二氧化碳濃度,中間的深藍色代表氣溫,底下的綠色曲線是大氣中的甲烷濃度。右圖的橫軸向左延伸代表時間越接近現代,最右端是距今42萬年前,我們竟然能夠說得出當時大氣中CO2的濃度不到300ppmv,氣溫(標示在右圖的左側)和現代很接近,而CH4的濃度約為720ppbv。三條不同顏色的曲線看起來好像一起隨著節拍上下共舞,都有接近十萬年的周期變化。
冰芯研究成果不僅讓我們訝異原來過去冰期和間冰期的間隔有規律的周期,我們也從中掌握到很多了不起的數值,距今14萬年前氣溫比現今至少低了六度,是所謂極冷的【冰期】;在距離現代13萬年到12萬年之間是一段短暫的溫暖時期,氣溫可能比近年的平均還溫暖攝氏一兩度,可稱為【最近一次間冰期】;接著地球又歷經一段漫長時期的寒冷【冰期】,直到兩萬年前這段最近一次冰期才結束。
更讓我們倒抽一口氣的發現,是大氣中溫室氣體的濃度變化,在過去冰期或間冰期中,大氣的溫室氣體濃度和氣溫竟然有非常一致的相關性,地球溫暖時期溫室氣體濃度高;地球冰冷時溫室氣體濃度也隨著下降。然而,過去的大氣中二氧化碳的濃度變動都在180~300 ppmv之間,最多就是300。近年來大氣中溫室氣體濃度遽增,目前最新紀錄在2010年已達388ppmv。這讓我們不得不思考人類帶大量排放溫室氣體,究竟會讓地球面臨何等氣溫的改變?
你可能想追問,我們怎麼知道每一層冰的年齡? 這是一個很棒的問題,也是一項重大的科學研究問題,年代是如何決定的呢?不少人都聽說放射性元素可以定年這個技術,很可惜的是冰芯裡不容易找到放射性元素,我們知道的氧同位素都不具有放射性。說起來定年是另外一門大學問,最簡單地說,冰芯是有年輪的。因為季節交替的關係,一年中相對有明顯的降雪期與乾燥期,冰層會蒸發或在乾燥時期有較多灰層覆蓋,只要積雪足夠(一般而言,若可達到平均每年4公分的程度),就能看到明顯的冰雪年輪(圖八_C)。當然,科學結論往往不是單一結果就能說服大眾,冰芯研究上也用盡各種其他證據來檢驗年代,不論依據大的火山爆發事件或者其他沉積物的特徵全都拿來派上用場,分別據以獨立地檢驗冰層的年代。

圖八 冰芯標本可從年輪取得年代、從冰晶的氧同位素推算氣溫,並從封存的氣泡中釋出古老大氣分析各項組成濃度。
同樣的,古代氣溫的詮釋並非只有冰芯【氧同位素】單一的證據,氣溫和大氣濃度也不是東方站僅此一家的研究結果,另一個在南極大陸的歐盟團隊 (EPICA)獲得了接近80萬年的冰芯記錄,其中近40萬年的紀錄和東方站非常雷同(圖九)。
虛無飄渺的遠古大氣,竟然保留著這麼多精采的記載,不會讓你感到很驚喜嗎?然而仔細回想,能從冰芯找到這麼豐富的詳情記載,這項極為獨特的遠古氣候典藏紀錄,是建立在前人聰明的腦袋和鍥而不捨的研究精神上。或許你也聽說,關於氣候變遷目前存在很多強烈的爭議,這倒是真的! 你得謹記不論誰說甚麼,科學精神就是不願意道聽塗說,輕易地被人牽著走。你可以提出很多問題,必定也能找到許多管道去探究,因為科學的價值就在於所有公開的結果人人都能仔細地再三檢驗。

圖九 從南極兩處不同地點得到的冰芯,有近似雷同的紀錄
參考資料出處
圖四 (左) W. DANSGA4RD(1964), Stable isotopes in precipitation, Tellus XVI. (右) W.F., Ruddiman(2001) Earth’s Climate Past and Future, W.H. Freeman and Company, P.152.
圖五 修改自 www.sciencelearn.org.nz
圖六 C.C., Jr., Langway(2008), The history of early polar ice cores. Hanover, NH, US Army Corps of Engineering.
圖七和圖八圖片綜合自
http://nicl.usgs.gov/. http://en.wikipedia.org/wiki/Ice_core , http://en.wikipedia.org/wiki/Vostok,_Antarctica , http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore.html及,http://en.wikipedia.org/wiki/European_Project_for_Ice_Coring_in_Antarctica 等
圖九 http://en.wikipedia.org/wiki/File:EPICA_delta_D_plot.svg
|