科学家在南极洲发现了600万年前的冰——它正在改写地球的气候历史
艾伦·希尔斯，2022-2023 年。图片来源：Julia Marks Peterson，COLDEX
（化石网cnfossil.com）据今日科学新闻：在南极洲东部的一个荒凉角落，风呼啸着荒芜的白色山脊，太阳低垂在地平线上，科学家们发现了一些非凡的东西——一个冰冻的时间胶囊，承载着古代地球的气息。在艾伦山，一组美国研究人员发现了地球上最古老的直接测年冰和空气，其历史可以追溯到惊人的六百万年前。
这一发现由伍兹霍尔海洋研究所的莎拉·沙克尔顿和普林斯顿大学的约翰·希金斯领导，代表了我们深入研究地球气候历史的能力的深刻飞跃。这片古老的冰层中被困着微小的气泡——微观遗迹，其中包含地球大气层的样本，就像现代人类的早期祖先刚刚开始出现在非洲时一样，当世界比今天温暖和潮湿时。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，标志着最古老冰层探索中心 （COLDEX） 的新里程碑，该中心由俄勒冈州立大学领导的 15 家美国研究机构合作成立。该团队在南极洲发现的不仅仅是旧冰，而是对一颗正在转型的行星的冰冻叙述，这一记录可能会重塑我们对地球气候如何经历深层时期演变的理解。
冰上时光机
“冰芯就像时间机器，”沙克尔顿说，回顾了她多年来在南极冰层中钻探的经历。“他们让我们看看我们的星球过去是什么样子。”
这并不是诗意的夸张。冰芯——从冰川和冰盖中提取的圆柱形样本——保存了降雪、灰尘、火山灰，最重要的是气泡的逐层档案。这些气泡是古代大气的密封碎片，每个气泡都含有有关二氧化碳和甲烷等温室气体的精确信息。
几十年来，冰芯一直是古气候学的黄金标准，提供了 80 万年前地球温度、大气成分和火山活动的详细记录。但艾伦山的冰层将这一记录扩大了六倍多，进入了全球条件截然不同的时代。
六百万年前的这段时间属于中新世晚期，当时地球气候更温暖，海平面更高，南极冰盖比今天小。通过研究这种古老的冰，科学家可以直接观察大气中的二氧化碳和温度在自然变暖的世界中如何相互作用，这为我们迅速变暖的现在提供了一个重要的比较点。
通往温暖地球的窗口
当研究小组分析艾伦山冰中保存的氧同位素时，他们发现了过去六百万年来长期降温趋势约12摄氏度的明确证据。这种逐渐变冷标志着从温室地球到我们现在居住的以冰为主的星球的转变。
这一发现使科学家们首次能够量化南极洲在大陆完全冰川化时冷却的急剧程度。在中新世，广阔的森林和苔原可能横跨现在被埋在数公里冰下的地区。通过了解南极冰盖是如何生长和稳定的，研究人员希望发现它在现代变暖条件下可能如何表现的线索。
冰还保存了一些更难以捉摸的东西——古老的空气。使用涉及氩气等惰性气体同位素的复杂技术，该团队能够直接确定冰的年代，通过冰中空气的特性来测量其年龄。与根据周围沉积物或流动模型推断年龄的间接方法不同，直接测年提供了特定时间地球大气层的明确快照。
正如联合领导人约翰·希金斯（John Higgins）所说，这些“气候快照”提供了对温室气体和全球气温如何在数百万年中共同演变的无与伦比的一瞥。
寻找世界上最古老的冰
艾伦山位于南极洲东部巨大冰盖的边缘，长期以来一直引起科学家的兴趣。与覆盖大陆大部分地区的光滑中央冰穹不同，艾伦山地区由崎岖的山脉和狂风雕刻而成。这些极端条件结合在一起，保存了地表附近异常古老的冰块——这些冰通过冰川的缓慢流动和年轻地层的侵蚀，从过去的深处向上抬起。
对于沙克尔顿和她的团队来说，到达这些古老的地层意味着要忍受地球上最恶劣的环境之一。即使按照南极标准，艾伦山也很偏远，只有经过数周的准备、乘坐小型飞机旅行以及建立孤立的野外营地才能到达，研究人员在气温降至零下 40 摄氏度以下的情况下在那里生活和工作数月。
“风吹走新雪，寒冷使冰变慢到几乎停滞不前，”沙克尔顿解释道。“这种结合使艾伦山成为世界上寻找浅旧冰的最佳地点之一，也是度过野外季节最困难的地方之一。”
该团队使用定制钻井设备提取了一到两百米深的冰芯——与在南极洲中部钻探的数公里岩心相比，冰芯的深度相对较浅。然而，这些样本所含的冰比以前通过这种浅层方法回收的任何冰都要古老得多。
超越预期
在执行任务之前，研究人员希望找到三百万年前的冰。“我们知道该地区的冰很古老，”俄勒冈州立大学古气候学家、COLDEX 主任埃德·布鲁克 （Ed Brook） 说。“但这一发现远远超出了我们的预期。”
600万年前的冰的发现震惊了科学界。到目前为止，最古老的连续冰芯记录——由欧洲团队深入南极洲内部钻探获得——仅达到约 120 万年。艾伦山样本虽然不是连续的，但将我们对地球大气层的看法扩展到了近五百万年前。
通过这样做，它们为地球气候历史上最重要的转变之一：南极冰川作用的开始提供了缺失的背景。通过分析气体浓度和同位素比率，科学家可以重建二氧化碳水平如何随着全球气温下降和冰层膨胀而波动。
这些数据不仅仅是好奇心，更是好奇心。它们对于测试预测未来变化的气候模型至关重要。过去被锁在这些冰冻的遗迹中，是了解地球如何应对温室气体上升或下降的终极实验室。
古代空气的科学
使科学家能够如此自信地确定冰的年龄的方法依赖于氩气的同位素组成，氩气是一种在冰内气泡中发现的微量惰性气体。随着时间的推移，放射性衰变会改变氩同位素的比例，从而提供自然时钟。
通过测量这些同位素比率，研究人员可以计算出空气（以及冰）被密封了多长时间。该技术非常精确，需要足够灵敏的超洁净实验室和仪器来检测原子质量差异，低至十亿分之一。
这些直接测量消除了困扰传统年龄模型的许多不确定性。因此，艾伦山岩心为重建地球的古老气候奠定了坚实的基础，补充和扩展了其他南极钻探地点的连续记录。
重建地球失落的气候
这一发现的影响远远超出了南极洲。在中新世，当这种冰首次形成时，二氧化碳含量高于今天——可能在百万分之 400 到 600 之间。海平面上升了数十米，全球气温升高了几度。
通过将古代气泡中的气体成分与现代测量结果进行比较，科学家可以量化地球气候对温室气体变化的敏感程度。这反过来又完善了对未来变暖的预测。
正在进行的分析旨在确定艾伦山岩心中保存的确切二氧化碳浓度，以及甲烷和一氧化二氮等其他温室气体。这些数据将有助于阐明人类活动开始改变大气之前气候变化的自然速度——这是理解我们当前轨迹的关键基线。
全球科学竞赛
这一发现还凸显了国际研究团队之间为突破冰芯科学界限而进行的激动人心的合作竞赛。当欧洲项目正在深入南极洲内部以获得跨越一百万多年的连续岩心时，美国领导的 COLDEX 团队专注于识别地表附近保存的不连续但更古老的冰。
每种方法都具有独特的优势。深层连续岩心提供了详细的逐年记录，而像艾伦山这样的浅古岩心则提供了对更早时代的一瞥，否则这些时代将无法访问。它们共同构成了地球气候历史的互补马赛克，每一块都为地球变化的宏伟图景增添了色彩。
希金斯说：“我们正在建立一个气候快照库，将我们对地球大气层的了解扩展到比以往任何时候都早六倍的时间。“每个样本都为我们的星球如何成为今天的样子的故事增添了新的篇章。”
地球上最寒冷的地方的人类挑战
每个冰芯的背后都隐藏着一个人类的故事——关于耐力、协作和好奇心。COLDEX 的科学家们在南极洲与世隔绝了几个月，与无情的卡塔巴风和零度以下的温度作斗争，以提取这些古老的样本。他们的野战营地是文明的小型前哨站，周围环绕着一望无际的冰层，在昏暗的极地阳光下，白天变得模糊不清。
这些难民营的生活需要复原力。研究人员在严寒中长时间工作，小心翼翼地处理脆弱的冰芯，这些冰芯必须保存在原始状态下进行分析。每一次演习都是对恶劣天气的胜利——这是一项微妙的作，可能会因一次设备故障或突如其来的风暴而受阻。
然而，科学家们年复一年地回来。发现地球上最古老的气候记录的诱惑胜过一切困难。每一块从深处打捞出来的冰块，都承载着人类从未见过的时间片段。
未来一瞥
了解南极洲的冰层如何对过去的温暖做出反应对于预测其未来的行为至关重要。如果冰盖在过去经历了高温室气体的时期，那么随着大气中的二氧化碳水平再次接近中新世时代的值，今天它的稳定性如何？
通过追踪冰层生长和退缩的历史，科学家可以确定可能发生快速融化的阈值——这些见解对于预测未来海平面上升至关重要。这片古老冰层中蕴含的教训可以决定沿海文明如何为未来几个世纪做准备。
在许多方面，艾伦山的发现不仅是关于过去的，也是对未来的警告。冰经历了六百万年的行星变化，在温暖时期、冰川周期和大陆变化中幸存下来。它能否在下个世纪的人为变暖中幸存下来仍然是一个悬而未决的问题。
走向迄今为止最古老的冰
受到成功鼓舞，COLDEX 团队已经在计划进一步的探险。“鉴于我们发现的极其古老的冰层，我们正在对该地区进行一项长期研究，以进一步延长记录，”布鲁克说。该项目计划于 2026 年至 2031 年之间到达可能超过 600 万年的冰层——也许可以追溯到永久南极冰盖存在之前的时代。
这样的发现将代表冰芯科学的最终目标：捕捉南极洲第一次结冰的时刻，改变地球的气候并塑造我们今天所知道的地球。
更多信息：S. Shackleton 等人，来自南极洲东部艾伦山蓝冰地区的中新世和上新世冰和空气，美国国家科学院院刊（2025 年）。DOI：10.1073/pnas.2502681122
