冰冻圈化学：解译气候与环境变化的秘钥

来源：中科院之声

冰冻圈是指地球表层连续分布且具有一定厚度的负温圈层，其显著的特点是巨大的冷储和相变潜热、以及表面具有高反照率。冰冻圈也是温室气体的源汇和气候环境的记录器，储量有巨大体积的淡水资源等，加之其变化过程、趋势和与其他圈层的相互作用，已成为当前气候系统和可持续发展研究中最活跃的领域之一。

随着全球气候显著变暖，格陵兰与南极冰盖融化、山地冰川退缩、海冰范围缩小、多年冻土退化等，导致人类赖以生存的地球环境状况急剧变化。冰冻圈萎缩导致的海平面上升、水资源格局改变、潜在的古病毒释放等等，与人类生存环境息息相关。

量化与评估全球变化背景下人类活动导致的环境污染与气候变化、以及生物地球化学循环过程等，是冰冻圈化学研究领域的热点与前沿。冰冻圈化学提供的“指纹信息”则从历史与现代视角多方位展现了冰冻圈各要素（如冰川、积雪、多年冻土、海冰等）中化学组分（如氢氧稳定同位素、黑碳、汞、持久性有机污染物等）的特征、时空格局、迁移转化归趋、以及对气候与环境变化的响应与反馈机制（图1）。冰冻圈化学是实现博古通今、将今论古的重要手段，在此基础上预测未来变化和服务人类发展，具有突出的科学意义和应用前景。

图1 冰冻圈化学研究框架以及化学组分来源与沉降示意图 （康世昌等，2020，中国科学院院刊）

全球变暖冰先知

由于受到现有器测资料时间短的限制，对于历史时期气温变化的认识多通过代用指标重建，比如冰芯、树轮、湖泊沉积物等。其中，冰川（冰盖）作为气候环境变化信息的天然档案库，其代用资料高分辨率地记录了远至近百万年的变化历史。

20世纪50年代开始，利用冰芯δ18O记录开始研究南北极气温变化，发现距今80万年以来气温存在约10万年的冷暖周期（冰期-间冰期旋回），其中末次冰期存在气候突变，即所谓的D-O事件，并在南北极存在“跷跷板”效应。

近期，随着气候持续变暖，全球冰川显著退缩，冰川物质持续亏损，其中全球最大的冰川负物质平衡出现在南安第斯山、高加索山和欧洲中部，亚洲高山区冰川负物质平衡最小。工业革命以来，不同地区冰芯也深刻记录了温度的显著上升。

青藏高原被誉为第三极，是亚洲水塔，被誉为是全球变化的驱动器与放大器。青藏高原地区近50年来变暖达到每10年0.3-0.4 °C，高于全球同期平均升温率的2倍。高原上已经钻取的数支冰芯记录结果进一步证实（图2），过去1000年来，12世纪中叶至14世纪末较为温暖，15~19世纪较为寒冷，20世纪以来气候快速变暖。

图2 青藏高原典型冰川末端显示的年层（左）以及高原不同区域钻取的冰芯气温记录的对比（右） （Zhang et al., 2016；图片来自郭军明）

捕捉人类活动的足迹

工业革命以来，随着科技进步、人类活动的急剧增加，大量污染物排放到环境中，并深刻影响冰冻圈地区的生物地球化学循环过程。由于冰冻圈地区远离人类活动密集区，人口稀少，工农业排放源较少，因此，可以将人类释放污染物在极地和山地冰川等冰冻圈环境中的变化过程，作为评价人类活动对全球和区域大气环境影响的代用指标。

冰冻圈地区化学成分的输送过程包括大气传输、冰冻圈区域的沉降、迁移和富集等，其中大气传输是影响雪冰化学组分形成的主要环境过程。以黑碳气溶胶为例，通过大气沉降输入到陆地冰冻圈（如冰川、积雪和河湖冰）中的黑碳气溶胶主要来自人类活动区化石燃料和生物质的不完全燃烧。譬如，青藏高原毗邻东亚、南亚及中亚，受大尺度的西风环流和南亚季风的影响，大气污染物通过大气环流远距离传输进入高原地区，并通过干、湿沉降过程进入冰冻圈。通过模拟发现非季风期间中亚和印度西北部的黑碳主要通过西风传输进入青藏高原。非季风期青藏高原黑碳约有61.3%来自于南亚地区人为排放的贡献；而季风期南亚人为源黑碳的贡献率为19.4%。青藏高原冰芯和湖芯亦共同记录了自工业革命以来尤其是二战之后，大气汞沉降通量快速增加。该记录与南亚地区近期人为汞排放的增长相对应，揭示出南亚地区人为排放污染物是影响青藏高原大气环境的主要原因。

以上事实表明，人类活动释放的污染物通过大气传输对全球环境已产生了重要影响，因此冰冻圈化学成为捕捉人类活动足迹、以及评价人类活动污染程度和历史变化的重要手段。

气候变暖和环境变化的助推剂

除轨道尺度、太阳活动以及火山喷发等影响因素外，冰冻圈化学成分的释放也是全球变暖和环境变化的助推剂。特别是全球变暖导致多年冻土退化，使得原本封存的有机碳融化分解，将大量温室气体（甲烷和二氧化碳等）释放到大气中，而大气中增加的温室气体进一步加速全球变暖，形成正反馈效应。多年冻土碳释放还会改变生态系统碳收支平衡，尤其是由于多年冻土快速退化，可使得生态系统从净碳吸收转变为净碳释放，植被的重新生长也可部分抵消碳释放。

沉降到雪冰表面的黑碳等吸光性成分可以降低反照率，通过雪冰表面变暗后吸收更多太阳辐射，使得雪冰增温和消融加强，进而影响区域乃至全球尺度的水循环。在亚洲高山冰冻圈的研究指出，沉降到雪冰中的吸光性杂质，其反照率反馈对地表气温具有显著增温作用，可达 0.1℃-1.5℃，这成为仅次于CO2的重要短生命周期气候强迫因子。由于黑碳和粉尘等吸光性杂质的反照率反馈效应，青藏高原地区冰川消融增加约20%，导致积雪期缩短3-4天。吸光性成分也可导致北纬66.5°以北每年7-9月海冰减少约1%，格陵兰冰盖消融增加8 Gt yr-1（约占总消融量6.8%）。

另一方面，冰川和多年冻土的快速消融，导致储藏的有毒污染物（如汞、持久性有机污染物）快速释放，产生二次污染。青藏高原纳木错地区受冰川融水补给的河流河水中全氟烷基酸（广泛应用于农药中）的浓度要显著高于非冰川补给河流，估计每年进入纳木错湖的全氟烷基酸总量约为1.81公斤。在过去40年内我国西部冰川已通过冰川融水释放出约2500 公斤汞污染物进入下游生态系统，而且增温背景之下的冰川表面冰尘积聚区极有可能是汞甲基化的新场所。在北极地区，由于北极多年冻土退化增加冻土区汞的释放和迁移，每年约有2万公斤的汞污染物会进入河流并输入到北冰洋中。这也说明，冰川融化和多年冻土退缩可以释放历史时期积累的污染物进入生态系统，其导致的环境风险需慎重评估。

图3 生物质和化石燃料燃烧排放对青藏高原雪坑BC的相对贡献(箭头代表不同区域的BC来源) （康世昌等，2019，科学通报）