這是一份完整又高清的地球檔案，但它正被人類(lèi)逐漸銷(xiāo)毀
"冰川是有記憶的，它將氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)完整地冰封起來(lái)，形成了一份完整又高清的檔案。"
——張強(qiáng)弓 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所
今天我講的故事叫“冰川記憶”。所謂“冰川記憶”有兩個(gè)層面的意思。第一，冰川本身有記憶；第二，我想分享過(guò)去幾年我做冰川研究的故事。
我相信隨著物質(zhì)生活水平的提高，大家是有機(jī)會(huì)接觸到冰川的。比如，圖片中的云南玉龍雪山，我們可以坐著纜車(chē)一直從山下上到4000多米高的冰川上，可以在冰川上行走甚至撫觸冰山。
玉龍雪山白水1號(hào)冰川
如果去瑞士，我們可以乘坐小火車(chē)，它會(huì)一直把大家?guī)У奖ǖ谋砻妗＿@是瑞士著名的少女峰，這是我們拍的阿萊奇冰川，這條冰川非常長(zhǎng)，像河流一樣在流淌。
瑞士阿萊奇冰川
對(duì)于我們做科研的人來(lái)說(shuō)，會(huì)有更多機(jī)會(huì)接觸到一些不常見(jiàn)的冰川，比如這條位于西藏東南部，名叫帕隆藏布4號(hào)的冰川。大家可以看到，這條冰川像一條瀑布一樣流淌下來(lái)，非常圣潔，非常壯美，如果你來(lái)到這兒，一定會(huì)拿起相機(jī)拍個(gè)不停。
藏東南帕隆藏布4號(hào)冰川
這是一條在甘肅青藏高原東北部的冰川，叫老虎溝12號(hào)，名字是冰川編目中給出的。它還有一個(gè)非常夢(mèng)幻的名字——透明夢(mèng)柯冰川，它的長(zhǎng)度有10.1千米。或許大家覺(jué)得10.1千米已經(jīng)很長(zhǎng)了，但是在山地冰川界里，它只是一個(gè)小字輩。世界上最長(zhǎng)的山地冰川在帕米爾高原，是一條叫費(fèi)德欽科的冰川，它的長(zhǎng)度超過(guò)70千米，那可真是一條長(zhǎng)冰川。
祁連山老虎溝12號(hào)冰川（透明夢(mèng)柯冰川）@杜文濤
冰川有記憶嗎？01
講到這兒，大家可能會(huì)問(wèn)，冰川是否有記憶呢？如果它有記憶，我們又該如何找到這些記憶呢？
冰川實(shí)際是降水經(jīng)過(guò)多年累積形成的，所以會(huì)有非常明顯的層理，一層白一層灰，這就是冰川每一年年層的累積。這張照片是2008年我們?cè)诓貣|南德木拉冰川的末端拍攝的。
藏東南德木拉冰川
我們?cè)诒ㄉ贤诹艘粋€(gè)一人多深的雪坑，里面有非常明顯的紋層，紋層中的灰色是沙塵。因?yàn)槊磕耆脑路莸臍夂蚍浅８稍铮髿饫锏纳硥m沉淀下來(lái)，因此在冰川里形成了這樣的紋路。
通過(guò)挖掘雪坑，我們可以看到冰川季節(jié)性的變化。我們還可以通過(guò)鉆取冰芯來(lái)觀(guān)察到冰川每年的變化。這張圖片顯示的是我們?cè)诒ㄉ嫌帽@打冰柱的情景。每鉆大概能打一兩米深，然后我們從冰孔中取出冰芯。照片中手持冰芯的是我的碩士和博士導(dǎo)師康世昌研究員，他正在檢查冰芯。
冰芯：冰川的記憶棒
冰芯里到底有什么東西呢？我們?cè)趺磥?lái)看“冰川的記憶”呢？事實(shí)上有很多指標(biāo)。比如，我們可以把冰融成水，測(cè)試?yán)锩娴臍溲跬凰乇嚷剩驗(yàn)闅溲跬凰氐母叩痛須鉁氐牟▌?dòng)。
我們還可以把每年的冰融成水后測(cè)量水的體積，就能知道每年下了多少雨。當(dāng)然，水里面還有很多化學(xué)指標(biāo)，包括沙塵、離子、金屬等，都是大氣環(huán)境的指示。
解讀冰川記憶
我們看一下這個(gè)小冰塊，它里面有非常致密的小氣泡，這些氣泡就是下雪的當(dāng)年被壓實(shí)在里面的，它們攜帶了遠(yuǎn)古時(shí)代大氣成分的信息。
南極有世界上最大的冰蓋，冰蓋厚度超過(guò)3000米，科學(xué)家通過(guò)在南極鉆探冰芯，然后將3000米長(zhǎng)的冰芯從上到下排列，就可以看到80萬(wàn)年以來(lái)氣溫和大氣成分的變化。
冰芯中的氣泡：遠(yuǎn)古空氣的記憶
我們可以看到，在自然歷史時(shí)期，冰芯里面的一些信號(hào)是波動(dòng)的，反映了冰期和間冰期旋回的現(xiàn)象。氣溫雖然也是波動(dòng)的，但總體很穩(wěn)定。所以說(shuō)，冰川記錄了很多（氣溫）年代變化的信息。
冰芯記錄了氣溫和大氣成分變化
這是2000多年前古羅馬的斗獸場(chǎng)，古羅馬是一個(gè)偉大的帝國(guó)，它的繁盛是建立在強(qiáng)大生產(chǎn)力之上的，而強(qiáng)大生產(chǎn)力的標(biāo)志之一，是它有著非常成熟的冶金技術(shù)。
古羅馬
現(xiàn)在羅馬的博物館就陳列著當(dāng)年冶金時(shí)代留下的痕跡，比如鉛制的水管。當(dāng)時(shí)鉛的使用規(guī)模非常大，在冶金和提煉鉛的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，并釋放到空氣中。
羅馬帝國(guó)時(shí)期的鉛制水管
那么，這種空氣是否會(huì)隨著大氣環(huán)流飄到全球各個(gè)角落呢？冰芯給出了相應(yīng)的答案。這張圖顯示了過(guò)去幾千年來(lái)冰芯中鉛含量的變化值。鉛含量的峰值恰恰對(duì)應(yīng)了羅馬帝國(guó)最為興盛的時(shí)期，而當(dāng)羅馬帝國(guó)的鉛礦開(kāi)采量下降以后，曲線(xiàn)也隨之下降了，所以冰芯完好地記錄了人類(lèi)活動(dòng)的歷史。
格陵蘭冰芯
Hong et al., 1994
進(jìn)入近代，人類(lèi)活動(dòng)更為劇烈。舉一個(gè)例子，1944年原子彈誕生，1945年美軍在比基尼島進(jìn)行了兩次核爆炸試驗(yàn)，其中一次是水下核爆炸。核爆炸以后，大量的放射性元素隨著大氣環(huán)流進(jìn)入到全球各個(gè)地區(qū)。
二戰(zhàn)后期和冷戰(zhàn)時(shí)期密集的核試驗(yàn)
這張表記錄了1945～2018年世界主要核試驗(yàn)的次數(shù)，其中1958年、1962年和1963年全球進(jìn)行核試驗(yàn)的次數(shù)最多。我們可以看到，中國(guó)是在1964年進(jìn)行了第一次核爆炸。
1945-2018期間世界主要核試驗(yàn)
這跟冰芯有什么關(guān)系？沒(méi)錯(cuò)，核爆炸產(chǎn)生的相關(guān)信號(hào)都會(huì)沉降在冰川中，從我們鉆出來(lái)的冰芯里也可以看到些信號(hào)。比如這支采自新疆和蒙古交界處的冰芯。大家看，圖中綠色和紅色的峰值處，大概對(duì)應(yīng)的是10～20米深的冰層，這個(gè)地方也指向了1963年——核爆炸次數(shù)最多的時(shí)期。圖中藍(lán)色代表什么信號(hào)呢？其中一個(gè)坐標(biāo)軸表示非陸源的硫酸根，這是一種火山的信號(hào)。
標(biāo)志層（Reference Layer）
Herren et al., 2013
冰川有記憶 02
如果說(shuō)冰芯是一本沒(méi)有頁(yè)碼的書(shū)，那么我們就可以找到標(biāo)志性的層位，從而把它的年齡序列建立好。所以，冰芯所反映出的核試驗(yàn)峰值和火山爆發(fā)峰值非常重要，它會(huì)協(xié)助我們對(duì)這支冰芯進(jìn)行完整地定年，然后再恢復(fù)其他的指標(biāo)。
所以說(shuō)，冰川是有記憶的，它將氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)完整地冰封起來(lái)，可以說(shuō)是一份完整又高清的檔案。事實(shí)上，中國(guó)青藏高原和它周邊的一些山體是非常大的冰川儲(chǔ)庫(kù)，占據(jù)了中低緯度冰川2/3以上的數(shù)量和面積。
這是我國(guó)第二次冰川編目時(shí)做出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們有48000多條冰川，面積超過(guò)5萬(wàn)平方千米，它給我們做冰川研究提供了非常好的材料。
中國(guó)冰川情況
2004年我作為首批學(xué)生進(jìn)入剛剛成立的中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所進(jìn)行學(xué)習(xí)。這之前，我的導(dǎo)師康世昌研究員一直在從事冰芯的研究。
這張照片記錄了2003年他率隊(duì)在西藏中南部的念青唐古拉山鉆取冰芯的情景。照片上高高的像屋檐一樣的就是念青唐古拉山的主峰，它有7000多米高，打鉆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
這就是當(dāng)時(shí)工作的場(chǎng)景，最終他們鉆取了一支120多米長(zhǎng)的冰芯。
海拔5800處鉆取了124m冰芯
2004年我入學(xué)以后，隨著隊(duì)伍又去了一次青藏高原，因?yàn)榇蠹矣X(jué)得高原中部?jī)H有一支冰芯的話(huà)，空間代表性不夠。那次我們走到了長(zhǎng)江的源頭——唐古拉山脈主峰格拉丹東峰，這個(gè)主峰的高度有6000多米。
這是早上我們的車(chē)隊(duì)在距離格拉丹東峰三四十千米的地方拍攝的一張照片。看上去道路還挺平坦，但實(shí)際上，拍照后我們整整花了三天的時(shí)間才到達(dá)冰川末端，因?yàn)樾羞M(jìn)過(guò)程中不僅沒(méi)有路，還有很多沼澤，車(chē)陷進(jìn)沼澤很長(zhǎng)時(shí)間，所以才會(huì)這么艱難地到達(dá)冰川末端。
2005年 格拉丹東峰 海拔6621米
我們?cè)诒┒舜蟾藕０?100米的地方搭建了營(yíng)地——三頂鮮艷的小帳篷。背上一些食物和設(shè)備，我們就向冰川進(jìn)發(fā)了。
野外營(yíng)地 海拔5100米
大家可能感覺(jué)冰川末端看起來(lái)很小，但當(dāng)我們走近后，才發(fā)現(xiàn)上面有很多巨大的冰塊。
冰川末端
大家看，我手里拿的這支竹竿有五六米長(zhǎng)，主要用來(lái)測(cè)量冰川流動(dòng)的速度（和冰面變化），對(duì)比一下就能知道，我背后的這個(gè)冰塊有十幾米高。
我們找到了一條比較好走的路，可以直達(dá)冰川表面。一路上我們一直拖著設(shè)備，到了5600多米高的位置后，終于找到了一個(gè)適合打鉆的平坦區(qū)域。
海拔5250米
海拔5650米
冰芯鉆取點(diǎn) 海拔5750米
可能有觀(guān)眾會(huì)問(wèn)，5100米高的地方就有冰，為什么不在那打鉆，非要去那么高的地方打鉆？這是因?yàn)楸ǖ南虏渴窍趨^(qū)，它每年積累的雪會(huì)小于消融的雪，而冰川上部氣溫很低，每年會(huì)積累很多雪，因而叫作積累區(qū)，我們只有在積累區(qū)打下冰鉆，才能獲得完整的記錄。比如，我們2005年在這里打鉆，那么冰芯頂部記錄的就是2005年的自然資料，然后一直往下數(shù)，大概能追溯到兩千多年前。
冰川消融區(qū)與積累區(qū)示意圖
我們?cè)诟窭|峰工作了一個(gè)多星期，取出了一支147米長(zhǎng)的冰芯。
海拔5800處鉆取了147m冰芯
在牦牛的幫助下，我們把冰芯運(yùn)回到底部的營(yíng)地，最后成功運(yùn)回到實(shí)驗(yàn)室。我們把147米長(zhǎng)的冰芯鋸成了3000多個(gè)小塊，再將外層的一些污染物質(zhì)刮掉。
牦牛托運(yùn)冰塊
實(shí)驗(yàn)室
實(shí)際上，這就是高分辨率的歷史記錄了。我們把樣品水送到實(shí)驗(yàn)室，得到了一些化學(xué)指標(biāo)。現(xiàn)在只差一步就可以得到完整的歷史記錄，那就是年代。
萬(wàn)事俱備，只差定年
剛才已經(jīng)提醒了大家，我們需要找到核爆炸還有火山爆發(fā)等事件對(duì)應(yīng)的年代。在我們的預(yù)想中，這些數(shù)值大概會(huì)在冰芯10～20米的地方出現(xiàn)，但我們反復(fù)找，還是沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)的數(shù)值。難道是我們找的地方不對(duì)？于是我們向上找，沒(méi)有找到，向下找，還是沒(méi)有找到。難道從念青唐古拉山和格拉丹東峰取回的兩個(gè)冰芯都沒(méi)有記錄核爆炸事件嗎？
經(jīng)歷了大概兩年的時(shí)間，找了各種指標(biāo)，最后我們終于找到了。圖中紅色數(shù)值線(xiàn)對(duì)應(yīng)的是格拉丹東峰的冰芯，我們預(yù)期峰值應(yīng)該出現(xiàn)在20米左右的地方，事實(shí)上在5米的地方就出現(xiàn)了。不過(guò)，我們還是沒(méi)有在念青唐古拉山的冰芯中找到對(duì)應(yīng)核爆炸的數(shù)值，這給我們帶來(lái)了很大的困擾，問(wèn)題到底出在哪里？
2014年，我把冰芯帶到了瑞士的保羅希爾研究所，這里是世界上最大的核能、化工實(shí)驗(yàn)室。在這里，我們測(cè)試了冰芯中的一些放射性同位素，將其與之前獲得的相關(guān)信息進(jìn)行研究。
瑞士Paul Scherrer Institute
研究最終確定，格拉丹東這支冰芯的頂部對(duì)應(yīng)的是1982年，也就是我出生的年份。可是這支冰芯是2005年打出來(lái)的，按理說(shuō)，冰芯的頂部對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是2005年，怎么會(huì)是1982年呢？換言之，格拉丹東冰芯1982～2005年的記錄都不見(jiàn)了！而念青唐古拉冰芯的信息損失量更大，記錄最多就停留在1950年，冰川最近幾十年的記憶都消失了！到底發(fā)生了什么？
冰川最后的記憶消失了？03
我們來(lái)看看過(guò)去這些年到底發(fā)生了什么事情吧。
聯(lián)合國(guó)氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)每五年會(huì)組織一次評(píng)估。這是2013年發(fā)表的一份評(píng)估報(bào)告。報(bào)告顯示，從1980年開(kāi)始，全球的氣溫持續(xù)升高，并且升高速度非常快。
在這種情況下，冰川會(huì)發(fā)生什么？沒(méi)錯(cuò)，冰川融化的速度也會(huì)加快。這是珠穆朗瑪峰的絨布冰川1921年和2007年的對(duì)比圖以及阿爾卑斯某冰川1933年和2012年的對(duì)比圖。
事實(shí)上，2018年11月中國(guó)科學(xué)院西北院聯(lián)合綠色和平組織發(fā)布了一個(gè)報(bào)告，說(shuō)明了中國(guó)冰川過(guò)去這些年發(fā)生的情況。報(bào)告顯示，黃河源頭的阿尼瑪卿哈龍冰川在最近十年退縮了500多米，退縮速度非常快。而且基于我的研究，我想提醒大家，冰川不僅僅在退縮，而且它的表面積在縮小，厚度也在減薄。
沈永平 等 2018
這張圖顯示了1970年以來(lái)，冰山每年減薄的過(guò)程，其中青藏高原和阿爾卑斯山地區(qū)的冰川，每年減薄的速度都非常快。這才是我今天要強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)，那就是冰川不斷退縮，而且不斷減薄。
打個(gè)形象的比喻，以前的冰川就像長(zhǎng)發(fā)的貝克漢姆，非常飄逸、非常俊美，退縮的冰川就像短發(fā)的貝克漢姆，而變薄的冰川就像剪了板寸的貝克漢姆。
圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
造成全球變暖的原因是什么？氣候?qū)W家和科學(xué)家給出了結(jié)論，是人類(lèi)活動(dòng)。大家看這張模擬圖，當(dāng)我們把全部自然因子算上后，模擬出的結(jié)果無(wú)法復(fù)制所觀(guān)測(cè)到的值，但當(dāng)我們把人為因素加入到計(jì)算模型后，結(jié)果就跟我們的實(shí)測(cè)值相符了。這也證明，地球這些年的氣溫升高明顯是人類(lèi)活動(dòng)造成的。
近期全球氣溫快速上升是人為的
關(guān)于這一點(diǎn)，我們還可以從溫室氣體的排放情況得到印證。這是我剛才展示冰芯氣泡時(shí)給出的圖片，其中只取了二氧化碳濃度值。我們可以看到，過(guò)去80萬(wàn)年以來(lái)，二氧化碳的濃度雖然有波動(dòng)，但數(shù)值一直沒(méi)有超過(guò)300ppm。
大氣中CO2含量
圖表最右邊那條近乎垂直的線(xiàn)對(duì)應(yīng)的是近些年二氧化碳濃度的變化值。從1950年以來(lái)，二氧化碳濃度在持續(xù)上升，截至2018年11月20日，二氧化碳的濃度已經(jīng)達(dá)到了408.5ppm，相對(duì)于工業(yè)革命之前已經(jīng)上升了100個(gè)ppm。
大氣中CO2含量
原來(lái)，是人類(lèi)活動(dòng)把冰川這些年的記憶給抹除了。以前冰川記錄了很長(zhǎng)時(shí)間的人類(lèi)歷史活動(dòng)，但最近幾十年強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)造成了全球氣候變暖，所以冰川的記憶才被部分抹除了。
冰芯研究何去何從 04
于我而言，今后冰芯的研究將何去何從？科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)還有更多的小冰川會(huì)消失。對(duì)此，我一度陷入崩潰邊緣，一個(gè)研究者的研究對(duì)象都不在了，他還繼續(xù)工作什么呢？于是我開(kāi)始查找，冰川消退后，我們?cè)撊绾窝芯俊?/p>
Glacier Disappearing
冰川消失（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
這是南美的巴塔哥尼亞冰川，僅僅幾年的時(shí)間，它就退縮了很多。
南美巴塔哥尼亞
這是瑞士的一條冰川，2011年和2015年一對(duì)比，它居然退去了這么多。
瑞士Stein冰川和冰川湖
但是，在翻看這兩條冰川資料的時(shí)候，我注意到一個(gè)現(xiàn)象，冰川下面有湖，冰川退縮后，有沒(méi)有可能冰川中的一些記憶轉(zhuǎn)移到了湖中呢？這是一個(gè)很有意思的發(fā)現(xiàn)，正所謂“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”，可能長(zhǎng)時(shí)間做冰川研究，所以我的關(guān)注點(diǎn)一直只在冰川上，而沒(méi)有關(guān)注到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。
這是Stein冰川和Stein湖之間的關(guān)系圖，1970年代，湖中污染物濃度出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，這一峰值對(duì)應(yīng)歐洲大量工業(yè)排放的年代。第二個(gè)峰值出現(xiàn)在2000年以后，那時(shí)歐美開(kāi)始實(shí)施大氣減排措施，污染物濃度應(yīng)該下降，為什么反而上升呢？原來(lái)，冰川快速消融后，有些記憶轉(zhuǎn)到了湖里。
Stein冰川與Stein湖
我頓時(shí)感到很興奮，我又有了新的研究方向，即便全球氣候變暖，我的研究還是可持續(xù)的。我將這種想法和之前的資料匯總，然后提出了這樣一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：冰川和冰川湖所包含的信息是此消彼漲的。冰川快速消融的情況下，冰川湖會(huì)擴(kuò)大，也會(huì)接收到更多冰川帶來(lái)的記憶。
“冰川-冰川湖”此消彼長(zhǎng)
短發(fā)的“貝克漢姆”笑了，我也笑了。當(dāng)我們沖出迷霧，找到了自己未來(lái)的研究方向所在的時(shí)候，我們確實(shí)感到非常高興。
圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
最近幾年，我和課題組的同事一直從事冰川和冰川湖聯(lián)系的研究，以及冰川的退縮給人類(lèi)帶來(lái)的其他一些影響。
冰川俯瞰圖
每次我飛臨青藏高原和其他地區(qū)的時(shí)候，再次俯瞰這片冰川，我才真正體會(huì)到，冰川是流動(dòng)的，記憶是流動(dòng)的，冰川記憶消融的時(shí)候，也是科學(xué)思想開(kāi)始流動(dòng)的時(shí)候。謝謝大家！
原創(chuàng)： SELF格致論道講壇 SELF格致論道講壇