這是一份完整又高清的地球檔案，但它正被人類逐漸銷燬
張強弓
中國科學院青藏高原研究所
冰川是有記憶的，它將氣候變化和人類活動完整地冰封起來，形成了一份完整又高清的檔案。在SELF格致論道講壇上，中國科學院青藏高原研究所張強弓爲我們講述他的冰川記憶。
今天我講的故事叫“冰川記憶”。所謂“冰川記憶”有兩個層面的意思。第一，冰川本身有記憶；第二，我想分享過去幾年我做冰川研究的故事。
我相信隨着物質生活水平的提高，大家是有機會接觸到冰川的。比如，圖片中的雲南玉龍雪山，我們可以坐着纜車一直從山下上到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號冰川
如果去瑞士，我們可以乘坐小火車，它會一直把大家帶到冰川的表面。這是瑞士著名的少女峯，這是我們拍的阿萊奇冰川，這條冰川非常長，像河流一樣在流淌。
瑞士阿萊奇冰川
對於我們做科研的人來說，會有更多機會接觸到一些不常見的冰川，比如這條位於西藏東南部，名叫帕隆藏布4號的冰川。大家可以看到，這條冰川像一條瀑布一樣流淌下來，非常聖潔，非常壯美，如果你來到這兒，一定會拿起相機拍個不停。
藏東南帕隆藏布4號冰川
這是一條在甘肅青藏高原東北部的冰川，叫老虎溝12號，名字是冰川編目中給出的。它還有一個非常夢幻的名字——透明夢柯冰川，它的長度有10.1千米。或許大家覺得10.1千米已經很長了，但是在山地冰川界裏，它只是一個小字輩。世界上最長的山地冰川在帕米爾高原，是一條叫費德欽科的冰川，它的長度超過70千米，那可真是一條長冰川。
祁連山老虎溝12號冰川（透明夢柯冰川）@杜文濤
冰川有記憶嗎？
01
講到這兒，大家可能會問，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？
冰川實際是降水經過多年累積形成的，所以會有非常明顯的層理，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年我們在藏東南德木拉冰川的末端拍攝的。
藏東南德木拉冰川
我們在冰川上挖了一個一人多深的雪坑，裏面有非常明顯的紋層，紋層中的灰色是沙塵。因爲每年三四月份的氣候非常乾燥，大氣裏的沙塵沉澱下來，因此在冰川裏形成了這樣的紋路。
鑽取冰芯
通過挖掘雪坑，我們可以看到冰川季節性的變化。我們還可以通過鑽取冰芯來觀察到冰川每年的變化。這張圖片顯示的是我們在冰川上用冰鑽打冰柱的情景。每鑽大概能打一兩米深，然後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師康世昌研究員，他正在檢查冰芯。
冰芯：冰川的記憶棒
冰芯裏到底有什麼東西呢？我們怎麼來看“冰川的記憶”呢？事實上有很多指標。比如，我們可以把冰融成水，測試裏面的氫氧同位素比率，因爲氫氧同位素的高低代表氣溫的波動。
我們還可以把每年的冰融成水後測量水的體積，就能知道每年下了多少雨。當然，水裏面還有很多化學指標，包括沙塵、離子、金屬等，都是大氣環境的指示。
解讀冰川記憶
我們看一下這個小冰塊，它裏面有非常緻密的小氣泡，這些氣泡就是下雪的當年被壓實在裏面的，它們攜帶了遠古時代大氣成分的信息。
南極有世界上最大的冰蓋，冰蓋厚度超過3000米，科學家通過在南極鑽探冰芯，然後將3000米長的冰芯從上到下排列，就可以看到80萬年以來氣溫和大氣成分的變化。
我們可以看到，在自然歷史時期，冰芯裏面的一些信號是波動的，反映了冰期和間冰期旋迴的現象。氣溫雖然也是波動的，但總體很穩定。所以說，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多年前古羅馬的鬥獸場，古羅馬是一個偉大的帝國，它的繁盛是建立在強大生產力之上的，而強大生產力的標誌之一，是它有着非常成熟的冶金技術。
現在羅馬的博物館就陳列着當年冶金時代留下的痕跡，比如鉛製的水管。當時鉛的使用規模非常大，在冶金和提煉鉛的過程中會產生大量粉塵，並釋放到空氣中。
羅馬帝國時期的鉛製水管
那麼，這種空氣是否會隨着大氣環流飄到全球各個角落呢？冰芯給出了相應的答案。這張圖顯示了過去幾千年來冰芯中鉛含量的變化值。鉛含量的峯值恰恰對應了羅馬帝國最爲興盛的時期，而當羅馬帝國的鉛礦開採量下降以後，曲線也隨之下降了，所以冰芯完好地記錄了人類活動的歷史。
格陵蘭冰芯
Hong et al., 1994
進入近代，人類活動更爲劇烈。舉一個例子，1944年原子彈誕生，1945年美軍在比基尼島進行了兩次核爆炸試驗，其中一次是水下核爆炸。核爆炸以後，大量的放射性元素隨着大氣環流進入到全球各個地區。
二戰後期和冷戰時期密集的核試驗
這張表記錄了1945～2018年世界主要核試驗的次數，其中1958年、1962年和1963年全球進行核試驗的次數最多。我們可以看到，中國是在1964年進行了第一次核爆炸。
1945-2018期間世界主要核試驗
這跟冰芯有什麼關係？沒錯，核爆炸產生的相關信號都會沉降在冰川中，從我們鑽出來的冰芯裏也可以看到些信號。比如這支採自新疆和蒙古交界處的冰芯。大家看，圖中綠色和紅色的峯值處，大概對應的是10～20米深的冰層，這個地方也指向了1963年——核爆炸次數最多的時期。圖中藍色代表什麼信號呢？其中一個座標軸表示非陸源的硫酸根，這是一種火山的信號。
標誌層（Reference Layer）
Herren et al., 2013
冰川有記憶
02
如果說冰芯是一本沒有頁碼的書，那麼我們就可以找到標誌性的層位，從而把它的年齡序列建立好。所以，冰芯所反映出的核試驗峯值和火山爆發峯值非常重要，它會協助我們對這支冰芯進行完整地定年，然後再恢復其他的指標。
所以說，冰川是有記憶的，它將氣候變化和人類活動完整地冰封起來，可以說是一份完整又高清的檔案。事實上，中國青藏高原和它周邊的一些山體是非常大的冰川儲庫，佔據了中低緯度冰川2/3以上的數量和麪積。
這是我國第二次冰川編目時做出的統計數據，我們有48000多條冰川，面積超過5萬平方千米，它給我們做冰川研究提供了非常好的材料。
中國冰川情況
2004年我作爲首批學生進入剛剛成立的中國科學院青藏高原研究所進行學習。這之前，我的導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年他率隊在西藏中南部的念青唐古拉山鑽取冰芯的情景。照片上高高的像屋檐一樣的就是念青唐古拉山的主峯，它有7000多米高，打鑽的位置看上去非常平坦，但高度也有5800米左右。
2003年 念青唐古拉主峯 海拔7162米
這就是當時工作的場景，最終他們鑽取了一支120多米長的冰芯。
海拔5800處鑽取了124m冰芯
2004年我入學以後，隨着隊伍又去了一次青藏高原，因爲大家覺得高原中部僅有一支冰芯的話，空間代表性不夠。那次我們走到了長江的源頭——唐古拉山脈主峯格拉丹東峯，這個主峯的高度有6000多米。
這是早上我們的車隊在距離格拉丹東峯三四十千米的地方拍攝的一張照片。看上去道路還挺平坦，但實際上，拍照後我們整整花了三天的時間纔到達冰川末端，因爲行進過程中不僅沒有路，還有很多沼澤，車陷進沼澤很長時間，所以纔會這麼艱難地到達冰川末端。
2005年 格拉丹東峯 海拔6621米
我們在冰川末端大概海拔5100米的地方搭建了營地——三頂鮮豔的小帳篷。背上一些食物和設備，我們就向冰川進發了。
野外營地 海拔5100米
大家可能感覺冰川末端看起來很小，但當我們走近後，才發現上面有很多巨大的冰塊。
冰川末端
大家看，我手裏拿的這支竹竿有五六米長，主要用來測量冰川流動的速度（和冰面變化），對比一下就能知道，我背後的這個冰塊有十幾米高。
我們找到了一條比較好走的路，可以直達冰川表面。一路上我們一直拖着設備，到了5600多米高的位置後，終於找到了一個適合打鑽的平坦區域。
海拔5250米
海拔5650米
冰芯鑽取點 海拔5750米
可能有觀衆會問，5100米高的地方就有冰，爲什麼不在那打鑽，非要去那麼高的地方打鑽？這是因爲冰川的下部是消融區，它每年積累的雪會小於消融的雪，而冰川上部氣溫很低，每年會積累很多雪，因而叫作積累區，我們只有在積累區打下冰鑽，才能獲得完整的記錄。比如，我們2005年在這裏打鑽，那麼冰芯頂部記錄的就是2005年的自然資料，然後一直往下數，大概能追溯到兩千多年前。
冰川消融區與積累區示意圖
我們在格拉丹東峯工作了一個多星期，取出了一支147米長的冰芯。
海拔5800處鑽取了147m冰芯
在犛牛的幫助下，我們把冰芯運回到底部的營地，最後成功運回到實驗室。我們把147米長的冰芯鋸成了3000多個小塊，再將外層的一些污染物質刮掉。
犛牛託運冰塊
實驗室
實際上，這就是高分辨率的歷史記錄了。我們把樣品水送到實驗室，得到了一些化學指標。現在只差一步就可以得到完整的歷史記錄，那就是年代。
萬事俱備，只差定年
剛纔已經提醒了大家，我們需要找到核爆炸還有火山爆發等事件對應的年代。在我們的預想中，這些數值大概會在冰芯10～20米的地方出現，但我們反覆找，還是沒有找到對應的數值。難道是我們找的地方不對？於是我們向上找，沒有找到，向下找，還是沒有找到。難道從念青唐古拉山和格拉丹東峯取回的兩個冰芯都沒有記錄核爆炸事件嗎？
經歷了大概兩年的時間，找了各種指標，最後我們終於找到了。圖中紅色數值線對應的是格拉丹東峯的冰芯，我們預期峯值應該出現在20米左右的地方，事實上在5米的地方就出現了。不過，我們還是沒有在唸青唐古拉山的冰芯中找到對應核爆炸的數值，這給我們帶來了很大的困擾，問題到底出在哪裏？
2014年，我把冰芯帶到了瑞士的保羅希爾研究所，這裏是世界上最大的核能、化工實驗室。在這裏，我們測試了冰芯中的一些放射性同位素，將其與之前獲得的相關信息進行研究。
瑞士Paul Scherrer Institute
研究最終確定，格拉丹東這支冰芯的頂部對應的是1982年，也就是我出生的年份。可是這支冰芯是2005年打出來的，按理說，冰芯的頂部對應的應該是2005年，怎麼會是1982年呢？換言之，格拉丹東冰芯1982～2005年的記錄都不見了！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！到底發生了什麼？
冰川最後的記憶消失了？
03
我們來看看過去這些年到底發生了什麼事情吧。
聯合國氣候變化專門委員會每五年會組織一次評估。這是2013年發表的一份評估報告。報告顯示，從1980年開始，全球的氣溫持續升高，並且升高速度非常快。
在這種情況下，冰川會發生什麼？沒錯，冰川融化的速度也會加快。這是珠穆朗瑪峯的絨布冰川1921年和2007年的對比圖以及阿爾卑斯某冰川1933年和2012年的對比圖。
珠穆朗瑪峯1921
珠穆朗瑪峯2007
阿爾卑斯山1933
阿爾卑斯山2012
事實上，2018年11月中國科學院西北院聯合綠色和平組織發佈了一個報告，說明瞭中國冰川過去這些年發生的情況。報告顯示，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。而且基於我的研究，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，冰山每年減薄的過程，其中青藏高原和阿爾卑斯山地區的冰川，每年減薄的速度都非常快。這纔是我今天要強調的重點，那就是冰川不斷退縮，而且不斷減薄。
打個形象的比喻，以前的冰川就像長髮的貝克漢姆，非常飄逸、非常俊美，退縮的冰川就像短髮的貝克漢姆，而變薄的冰川就像剪了板寸的貝克漢姆。
造成全球變暖的原因是什麼？氣候學家和科學家給出了結論，是人類活動。大家看這張模擬圖，當我們把全部自然因子算上後，模擬出的結果無法複製所觀測到的值，但當我們把人爲因素加入到計算模型後，結果就跟我們的實測值相符了。這也證明，地球這些年的氣溫升高明顯是人類活動造成的。
近期全球氣溫快速上升是人爲的
關於這一點，我們還可以從溫室氣體的排放情況得到印證。這是我剛纔展示冰芯氣泡時給出的圖片，其中只取了二氧化碳濃度值。我們可以看到，過去80萬年以來，二氧化碳的濃度雖然有波動，但數值一直沒有超過300ppm。
大氣中CO2含量
圖表最右邊那條近乎垂直的線對應的是近些年二氧化碳濃度的變化值。從1950年以來，二氧化碳濃度在持續上升，截至2018年11月20日，二氧化碳的濃度已經達到了408.5ppm，相對於工業革命之前已經上升了100個ppm。
原來，是人類活動把冰川這些年的記憶給抹除了。以前冰川記錄了很長時間的人類歷史活動，但最近幾十年強烈的人類活動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
於我而言，今後冰芯的研究將何去何從？科學家預測，未來還有更多的小冰川會消失。對此，我一度陷入崩潰邊緣，一個研究者的研究對象都不在了，他還繼續工作什麼呢？於是我開始查找，冰川消退後，我們該如何研究。
這是南美的巴塔哥尼亞冰川，僅僅幾年的時間，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年一對比，它居然退去了這麼多。
瑞士Stein冰川和冰川湖
但是，在翻看這兩條冰川資料的時候，我注意到一個現象，冰川下面有湖，冰川退縮後，有沒有可能冰川中的一些記憶轉移到了湖中呢？這是一個很有意思的發現，正所謂“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，可能長時間做冰川研究，所以我的關注點一直只在冰川上，而沒有關注到整個生態系統。
這是Stein冰川和Stein湖之間的關係圖，1970年代，湖中污染物濃度出現了第一個峯值，這一峯值對應歐洲大量工業排放的年代。第二個峯值出現在2000年以後，那時歐美開始實施大氣減排措施，污染物濃度應該下降，爲什麼反而上升呢？原來，冰川快速消融後，有些記憶轉到了湖裏。
Stein冰川與Stein湖
我頓時感到很興奮，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的。我將這種想法和之前的資料彙總，然後提出了這樣一個觀點：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，冰川湖會擴大，也會接收到更多冰川帶來的記憶。
“冰川-冰川湖”此消彼長
短髮的“貝克漢姆”笑了，我也笑了。當我們衝出迷霧，找到了自己未來的研究方向所在的時候，我們確實感到非常高興。
最近幾年，我和課題組的同事一直從事冰川和冰川湖聯繫的研究，以及冰川的退縮給人類帶來的其他一些影響。
冰川俯瞰圖
每次我飛臨青藏高原和其他地區的時候，再次俯瞰這片冰川，我才真正體會到，冰川是流動的，記憶是流動的，冰川記憶消融的時候，也是科學思想開始流動的時候。謝謝大家！
《環球科學》2019年4月刊現已上市
