一项基于南极洲古老冰芯及其包裹空气的最新分析，正在重新描绘地球气候的历史图卷，并将科学家对过去300万年地球环境演变的认知推向更远的时间尺度。相关研究成果以两篇论文的形式，于3月18日发表在《自然》杂志上。研究指出，在此期间地球气候出现的长期变冷趋势，与大气中具有热捕获能力的温室气体浓度小幅下降相伴发生。
科学界早已清楚，大约300万年前，地球温度比现在高得多，海平面也显著上升。阿拉斯加和格陵兰地区曾生长着温带甚至亚热带的森林，而从美国佐治亚州到弗吉尼亚州的沿岸也留存着古老的海滩遗迹。然而，导致当时全球变暖及其后续降温的根本原因，长期以来一直难以解释。这主要是由于精确重建古代全球气温及大气温室气体水平的技术挑战巨大。
这两项研究由美国国家科学基金会（NSF）资助的“最古老冰层探索中心”（COLDEX）的科学家主导。COLDEX是一个全国性合作项目，专注于寻找地球上最古老的冰，其总部设在俄勒冈州立大学。研究的具体领导工作由俄勒冈州立大学的博士生朱莉娅·马克斯-彼得森，以及时任普林斯顿大学博士后、现为伍兹霍尔海洋研究所教授的莎拉·沙克尔顿博士承担。研究团队利用了近期在东南极冰盖边缘的艾伦山地区发现的形成于数百万年前的冰层样本。
艾伦山拥有独特的环境条件：来自南极内陆深处的古老冰层，在这里被山脉阻挡并露出地表。由于冰的流动模式导致原本水平的地层层序发生变形，因此难以获取连续的气候记录。但反过来，这些不连续的冰层却能提供关于特定地质时期平均环境状况的“快照”。
“这些‘快照’让我们能够借助冰芯数据，将气候记录的视野延伸至前所未有的远古时代，”COLDEX主任、俄勒冈州立大学地球、海洋与大气科学学院的古气候学家埃德·布鲁克解释说。“这些更长尺度的记录也提出了关于地球气候如何演变，以及我们究竟能将冰芯数据追溯回多久以前的崭新问题。”
通过精确测量冰层气泡中不同稀有气体的比例——这一指标能有效反映全球海洋温度的变化——沙克尔顿及其合作者发现，在过去300万年里，海洋的平均温度下降了约2至2.5摄氏度。此前的研究虽已广泛证实了全球海洋表面温度的下降趋势，但新研究表明，海洋表面与深海区域的降温节奏并不一致。
沙克尔顿表示：“冰中的稀有气体为我们提供了一个独特的视角来追踪海洋温度的变化。其他方法能给出特定地点的信息，而我们的方法则提供了更宏观的图像。”例如，全球海洋的平均温度降温主要发生在此期间的早期阶段，从约300万年前开始，持续了大约100万年，这与北半球冰盖开始形成的时期高度吻合。相比之下，海洋表面温度的下降则较为缓慢，直至约100万年前才显著。在论文中，沙克尔顿和合著者提出，这些差异可能源于地表海洋与深层海洋之间热量传输方式的改变。
马克斯-彼得森和她的同事们利用相同的冰芯样本，首次直接重建了过去300万年间两种关键温室气体——二氧化碳和甲烷——的大气浓度演变历史。数据显示，在这段漫长的冷却时期，大气二氧化碳的长期平均浓度可能始终低于300ppm（百万分之一）。测得的具体数值显示，在270万年前，二氧化碳浓度约为250ppm，此后直到约100万年前，才缓慢下降了约20ppm。同时，大气甲烷的长期平均浓度维持在约500ppb（十亿分之一）。
研究人员指出，一些基于古代沉积物化学分析的早期研究曾推测二氧化碳浓度比新数据更高，但并非所有此类研究结果都一致，这恰恰凸显了获取更早时期冰芯数据的必要性。作为对比，根据美国国家海洋和大气管理局的监测数据，在过去两个世纪里，现代大气中的二氧化碳和甲烷浓度急剧攀升。2025年，二氧化碳的平均浓度已达到425ppm，甲烷的平均浓度则为1935ppb。
这些研究结果意味着，驱动过去300万年全球变冷的原因，除了温室气体的关键作用之外，可能还涉及地球气候系统中其他组成部分的重要影响，例如地表反射率的变化、植被与冰盖的演变，以及海洋环流的调整。
“我们希望这项工作能够帮助我们更好地理解地球过去温暖时期的气候状态，并加深我们对于地球系统各个不同组成部分之间如何相互作用的认识，”马克斯-彼得森说道。
布鲁克教授补充说，这些成果已经催生了新的科学问题，其中许多问题目前正由COLDEX项目的其他成员积极研究。该中心的科研人员最近在其中一个冰芯的底部发现了可能距今600万年的更古老冰层，并正在从这些更古老的样本中获取新的数据。近期完成的新冰芯钻探项目也有望获取更多古老的冰层。此外，研究人员还在探索不同的二氧化碳重建测试方法、分析冰芯中的其他气体，并深入理解能使极度古老冰层得以保存的特殊条件，这有助于确定未来的钻探目标。
本次研究及COLDEX中心的资助方包括美国国家科学基金会极地项目办公室、NSF综合活动办公室的科学与技术中心项目，以及俄勒冈州立大学。南极的野外考察工作得到了美国南极项目和美国国家科学基金会的支持。冰芯钻探工作由NSF美国冰芯钻探项目提供支持，冰样本则由位于科罗拉多州丹佛的NSF冰芯设施负责管理。
本文译自：sciencealert（编译 / 整理：olaola）
封面图片：unsplash/Maxim Potkin ❄