青藏高原所产生祁连山敦德冰帽野性病科学考查和冰芯钻取

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作为全球变化最重要的研究载体之一,冰芯记录能够提供季节至年际分辨率的气候和环境变化信息。青藏高原是除南北极之外全球冰川分布最广泛的地区,青藏高原地区获取的冰芯记录能够为区域气候变化提供重要信息。1987年中美两国科学家合作在祁连山敦德冰帽完成了中国境内第一支深孔冰芯的钻取工作,在该冰川积累区海拔5325m处钻取了长度分别为139.8m、136.6m和138.4m的三支透底冰芯。关于敦德冰芯的研究成果于1989年在国际权威刊物美国Science杂志发表后引起了国内外学术界的极大反响。1987年的研究结果显示,敦德冰芯记录能够反映亚热带地区末次冰期以来的气候变化状况。但后续的工作中不断有学者对这个结果提出质疑。

姚檀栋院士在冰川上采集样品中科院青藏所供图

2012年徐柏青在西藏进行考察受访者供图

三十年来,随着研究工作的深入开展,一些新的科学问题逐渐产生:敦德冰帽究竟蕴藏了过去多少年的气候变化历史?在全球变暖背景下,1987年以来以敦德冰帽为代表的祁连山西部地区冰川发生了什么样的变化?在过去不同的气候阶段,敦德冰帽所在的祁连山西部古冰川是如何变化的?这一系列问题亟待冰川学家们给出科学的解答。在这些科学问题的驱动下,中国科学院青藏高原研究所、青藏高原地球科学卓越创新中心、中科院院士姚檀栋课题组于2016年10月到11月组织了对敦德冰帽的综合科学考察和冰芯钻取工作。考察队由青藏高原所、青藏卓越中心研究员徐柏青担当领队并全权负责这次野外科学考察工作,姚檀栋等人参加了本次野外工作。

“徐柏青将冰芯比作记录地球数千年乃至万年来环境演化历史的‘无字天书’,读千遍也不会厌。”

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10月初,科考人员兵分两路,在拉萨和兰州准备好科考物资之后,汇集到了青海省海西蒙古族藏族自治州的首府德令哈市。几次艰险的探路之后,徐柏青确定了从德令哈进敦德冰帽的最优考察路线。10日,考察队一行25人经历了一整天长途跋涉之后到达海拔4300米的科考大本营-祁连山圣虎雪山牧场。考察队将以此为基地开展为期一个月的冰川综合科学考察和冰芯钻取工作。

两三辆越野车一直开到不能再往上开为止。一群用户外装备从头武装到脚的人,卸下设备和物资,开始徒步迎着冰川进发。他们一般在海拔5000—6000米之间找地方安营扎寨,作为前进营地,然后三五个人还要各自背着几十公斤重的装备继续登高1000米左右,选择合适地点扎帐篷住下来。这是科研人员在青藏高原上研究冰川的日常。他们不畏高寒、缺氧、暴风雪、冰裂隙,冒着生命危险,就是为了钻取冰芯。

徐柏青,1969年1月出生,中国科学院青藏高原研究所研究员、博士生导师。他长期从事青藏高原气候环境变化研究,近20年来率队对青藏高原及周边地区冰川进行了系统的科学考察。

从大本营到冰川末端是长达15公里的崎岖山路,从冰川末端到冰川顶部冰芯钻取平台还有将近7公里没有探路,科考人员手上只有1987年和2002年的冰芯钻取点GPS数据。在缺少运输物资牲口的情况下,科考队员们只能通过人力向上运输科考物资。在运送物资的同时,徐柏青带领一批科考人员到冰川上探路并选择冰芯钻取点。18日,在科考人员们的艰辛努力下,数吨重的冰芯钻机等仪器设备、燃料、高山生活用品、食品等科考物资尽数安全运送到冰川末端海拔4920米的前进营地。21日,冰芯钻机、高山帐篷、食品和燃油等打钻物资全部送达海拔5320米的冰芯钻取点。

在冰川顶部的积累区,越往下冰层形成的年代越久远。年复一年,地球环境变化的信息随着冰川积累被封存起来。中科院院士、中科院青藏高原研究所研究员姚檀栋说,冰芯就像树的年轮一样,能准确记录过去数千年乃至万年的气候与环境变化信息,只待科学家来解码翻译。

大冰柜、咖啡机、小冰箱,走进中国科学院青藏高原研究所(以下简称青藏高原所)研究员徐柏青的办公室,感觉这个房间的主人“脑洞”很大。办公室冰柜旁的地上堆着长长短短几个大包裹。“里面是今年上珠峰打冰芯时用的钻。”徐柏青告诉科技日报记者。

十月下旬的北京秋意正浓,而此时的敦德冰帽却早已风雪交加,气温也已经到了-10度以下。尽管科考物资已经到位,但是几乎全部的考察工作都还没有开展。22日,在经历了几天风雪之后天气突然好转,徐柏青意识到开展冰芯钻取的时机到了。于是果断下达当晚开钻的指令。尽管当晚冰川上罡风肆虐,但经过一夜的努力科考队获取了86米的冰芯,这给失落中的队员们带来了希望的曙光。23日,连续赶路两天到达冰川末端前进营地的姚檀栋一刻也没有停歇,直奔海拔5320米的打钻营地。当晚,尽管风雪不息,但钻取工作异常顺利,24日凌晨4点半,第一根冰芯透底,总长度132米。这让在打钻点工作的科考队员们喜出望外。24日上午姚檀栋回到前进营地,开展冰川进退的考察工作。通过野外实地考察,姚檀栋认为敦德冰川在过去30年里相对稳定,并没有呈现出明显的退缩。这一考察结果对如何解释青藏高原北部冰川变化提出了新的课题。

1997年夏天,沿着油菜花盛开的青海湖畔,一辆老式巡洋舰越野车载着一群年轻人,驶向青藏高原南缘的希夏邦马峰。“我挤坐在副驾驶座位乘客的大腿上,一路低头弯腰,以一名‘超载客’的身份参加了中美希夏邦马联合冰芯考察队。”中科院青藏高原研究所研究员徐柏青还清楚记得第一次上青藏高原时的情形,当时他是姚檀栋的博士生。

此前曾与徐柏青聊过不少与青藏高原科考相关的科学问题,他总能用简明的语言把问题讲清楚。但这次,一涉及到个人话题,他倒不知该如何作答了。这是徐柏青少有的羞涩和尴尬时刻。

随着冰芯钻取工作的开展,科考人员们将精力腾挪出来开展一些其他方面的科学考察工作。高山自动气象站架设、布设冰川物质平衡测杆、采集表雪和雪坑样品、往下运输冰芯、采集岩石表层10Be样品等工作项目有条不紊地进行着。然而冰川表面的风雪一天天加大,气温也一天天降低。前往打钻点运输冰芯的科考队员们每天穿梭在风雪之中:早上从冰川末端出发还是艳阳高照,但往上走了不到一半路程天气开始变坏,乌云从冰川西北部黑压压的侵袭过来,霎时狂风肆虐,挟带着冰冷的雪粒呼啸而过,打在脸上犹如针刺。偶尔阵风袭来,能见度瞬时降低到不足10米,科考队员们只能选择蜷缩着身子一点点往前挪。到达打钻点后,所有人都冻得直打哆嗦,呼吸产生的水汽也在防护面罩上结上了一层厚厚的冰霜。在打钻点稍事休息之后,队员们用背包将冰芯包裹好,装在雪斗上向前进营地运输。运输至前进营地的冰芯用积雪覆盖储藏在冰川末端,然后再由人工往下运输至大本营冷冻保存。

这次也让徐柏青第一次接触到冰芯。他要做的工作之一,就是打冰芯——从冰川顶部自上而下钻取圆柱状冰样。在希夏邦马峰达索普冰川驻扎的近两个月时间里,徐柏青20多次往返于海拔5800米的前进营地与海拔7000米的冰芯钻探营地之间,送上去物资,带下来冰芯。

徐柏青不认为上冰川搞科研是一件多么了不起的事,也不认为自己比别人多付出了什么。

经过几个昼夜的繁忙工作,考察队在29日凌晨完成了第三支透底冰芯的钻取。然而天气也变得越来越差,冰川表面气温下降到了-20度以下,包括领队徐柏青在内的多名冰芯钻取人员都出现了不同程度的冻伤。徐柏青在和大家商议后作出决定,暂时搁置其他工作尽快保证将冰芯安全运送下山。科考队员们于11月1日顺利将所有冰芯和钻机等设备从打钻点运送到冰川末端。

冰芯得在夜里打。因为在帐篷里作业,夜里温度足够低。到了白天,阳光一照,帐篷内温度能达到十几度,打上来的冰芯会融化。冰川上光照尤其强,帐篷不能完全遮住光,白天又睡不踏实,一天下来能迷迷糊糊睡两三个小时就不错了。徐柏青说,驻扎在冰川上打冰芯的日子,基本就靠咖啡撑着。难怪科技日报记者接触到的“冰川圈”里的科研人员,无一不爱咖啡。

他就是喜欢冰川,喜欢研究冰芯。“冰芯里的信息量太大了!”徐柏青感慨道。

出人意料的是2日风雨消歇,天气竟奇迹般好转。徐柏青果断决定将科考队员分成两部分,一部分人员负责每天将冰芯由前进营地运往大本营冷冻保存,一部分队员继续留在冰川末端以趁好天气开展其他未完成的工作。最终,在3日下午顺利完成了冰川末端老冰样品的采集和气象站的架设调试等工作。至此,敦德冰帽冰面的科考工作全部结束。5日,在所有队员的努力下所有冰芯和科考物资全部下撤到大本营。科考队于6日撤至德令哈,稍事休整之后分批撤离。14日,徐柏青和副研究员赵华标押送冰芯到达拉萨。至此,本次敦德冰帽野外综合科学考察和冰芯钻取工作圆满结束。

“那次科考队钻取了总长480米、重5吨的冰芯样品,并将其安全运回兰州,创下了世界最高海拔冰芯钻取纪录。”徐柏青说,后来他通过研制装置、提取达索普冰芯气泡里包裹的气体,获得了全球中低纬度2000年来大气甲烷含量变化的唯一记录。由此,揭示了过去两千年自然变化时期中低纬度是全球大气重要的甲烷源。徐柏青将冰芯比作记录地球数千年乃至万年来环境演化历史的“无字天书”,读千遍也不会厌。

扎根冰川,解码“无字天书”

本次野外科学考察工作历时40余天,获取了丰硕的考察成果。科考队在冰川积累区顶部海拔5320米的钻取点共钻取了三支透底冰芯,冰芯总长度396米;在冰川消融区海拔4950米获取了三支透底冰芯,总长度45米;获取了敦德冰帽1米分辨率的钻孔冰温数据;在冰川末端架设自动气象站一套;在冰川表面沿科考路线布设冰川物质平衡测杆15根;获取了不同海拔梯度的数百个表雪和雪坑样品;采集了冰川末端末次冰盛期以来不同阶段的冰碛垄岩石10Be样品等。这些宝贵的资料将为后续的研究工作提供保障。

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