浅析垂直冰川学气候研究第三维度的第二个发现

　　二十世纪气候研究 的历史特点是从以 地理 为导向的 二维方法 向以物理学为基础的 三维气候 概念的重大转变。
　　二十世纪初，占主导地位的方法都是区域性的。所谓的＂古典气候学＂侧重于地球表面的两个维度。限制范围的不仅是缺乏文书。气候学是一门异构学科，包括来自地理学、气象学、历史学和物理学的数据和方法。
　　但它传统上植根于地理思维方式：感兴趣的空间是人类居住的空间。因此，海洋和高层大气都没有引起人们的主要兴趣，这些空间也很难进入。然而，来自山区气象站或气球测量的经验数据仍然很少。
　　气候学
　　只有引入新技术，才能垂直向上延伸。
　　1930 年代，安装在气球上的无线电探空仪从高层大气中收集了空前数量的风速、温度、气压和湿度的经验数据。向上的焦点为急流或季风等气候现象提供了新的因果解释。
　　这种垂直扩展挑战了气候学迄今为止的＂表面导向＂特征。新数据可以证实物理学家和气象学家提出的动态大气理论，三维实证测量深刻地改变了气候研究的性质。
　　气球上的无线电探空仪
　　三十年后，大约在计算机建模进入气候研究领域，并从根本上改变了它的同时，气候引起了一个研究领域的注意，这个领域在那之前几乎没有与之相关
　　从二十世纪五十年代后期开始，地球物理学家开始通过深入钻探极地冰川来重建过去的气候。
　　为此，他们采取了＂向下破坏，向上重建＂的考古实践。作为气候深层历史档案的冰川深度的发现强烈影响了对气候行为的及时理解，冰芯古气候学的发展及其垂直方法导致冰川学和气候学研究实践发生重大变化。
　　冰川深处
　　作者认为：它有助于人们对气候作为一种全球性的、可能迅速变化的状况有了新的认识。因此，对从冰川深处取回的冰样本的研究开启了所说的气候研究中第三个维度的第二个发现，这次不是向上，而是向下。 将垂直线变成时间线
　　二十世纪头几十年，冰川主要由地质学家研究，地质学家开始关注地质：研究冰川的运动及其对侵蚀和地貌的影响，推测冰川体积，并在测绘方面投入大量精力。
　　1930 年 ，德国探险家 阿尔弗雷德·魏格纳 开始了他的 第三次（也是最后一次）格陵兰探险。 德国冰川学家  Ernst Sorge 是这个由四人组成的小型研究小组的成员，他也对研究 冰川动力学 感兴趣。
　　几年后，瑞典冰川学家汉斯·阿尔曼开始考虑冰川与气候的关系。在他 1930 年代和 1940 年代的极地冰川探险中，汉斯·阿尔曼观察到冰川迅速消退，并推测这是由于气候变暖造成的。
　　如下图所示，即使冰层的厚度发生变化， 汉斯·阿尔曼也注意到冰层保持水平。
　　对五个不同沟渠的冰雪层的垂直描述
　　垂直度 作为 时间指标 的概念本身并不新鲜，它于 十九世纪初 出现在 地质学领域 ，标志着该领域的 ＂认知突破＂ 。
　　同时在表明地球历史上不同时代的特定＂地层＂中发现了特定的化石群。
　　因此，地球有一段＂深厚的历史＂，表现为地质层中一系列特定的化石，地层学的发现帮助地质学家将地壳理解为档案。
　　底层分层
　　虽然只有最上面的几米与这些新的冰川化研究相关，但传统的冰川学家专注于整个冰川的体积和动态，热衷于深入研究。
　　然而如下图所示，如果没有适当的技术，就无法进入冰川内部。
　　佐尔格用手和铲子艰苦地挖掘，而探险家们从 1950 年代开始开发出方便的钻机，可以运送到遥远的极地冰川。其中一次探险是挪威-英国-瑞典莫德皇后地南极探险，由汉斯·阿尔曼发起，旨在研究气候波动对南极冰川的影响。
　　在朱诺冰原项目期间，在阿拉斯加塔库冰川上游使用的旋转金刚石钻头，用于从 45–89 米的深度取芯
　　用这台钻头取回的岩心直径为 8 厘米，但碎片很零碎，只有几厘米长如下图所示。
　　小组在钻井现场的一个简单但加热的现场实验室中分析了其中的一些；其余的被送到冷藏室。
　　然而，由于其碎片状态，岩心不允许进行地层学研究，就像其他探险中钻取的岩心一样。尽管如此，进行如此深的钻探的主要原因不是为了取芯，而是为了钻孔。在这些洞中植入了棍子、温度计或其他传感器，以观察变形过程并记录不同深度的冰的温度。
　　1950 年 8 月取自 73 米深处的带气泡冰的上塔库冰川岩心样本
　　作者认为：因此，大多数时候，这些钻探项目的重点都放在钻孔上，而不是岩心上。后者通常在钻孔过程中熔化。 冰中的气候
　　1953 年丹麦物理学家威利·丹斯加德 发表了一项研究，开创了气候科学第三维度的第二次发现，该论文是一份新的但即将成为主要的国际气象学杂志。
　　威利·丹斯加德是一位对放射性同位素感兴趣的地球物理学家。很快萌生了研究非常古老的冰的想法，方法是使用放射性碳测年法确定其年龄，然后重建这些冰以降水形式落到地球上时的气温。
　　这是扩大对冰川冰的学术兴趣并将其研究带入气候研究领域的关键一步。
　　气象杂志
　　随着冷战期间地球科学的普遍繁荣，冰川学得到了巨大的财政支持。
　　此外，随着人们对北极地区的兴趣日益浓厚，1957-1958年被宣布为国际地球物理年 。在这个保护伞下，一些国家，尤其是美国和欧洲国家，组织了极地科学考察。
　　美国为极地研究提供了特别大量的资金，这些研究通常是在军事背景下进行的。特别是在冷战初期，格陵兰岛因其地理位置而成为美国地缘战略的重点。
　　格陵兰岛在 1953 年不再是丹麦的殖民地，但作为一个自治省仍然是丹麦的一部分，因此美国的军事活动是在丹麦当局的同意下进行的。
　　北极地区
　　冰雪作为冰上和冰下军事基地的建筑材料，因此，了解冰川的动态和冰雪的变形过程至关重要。
　　为此，美国政府于 1949 年成立了雪、冰和永久冻土研究机构，从 1961年起更名为寒冷地区研究与工程实验室。
　　在此背景下，冰川学从一门地质科学转变为一门学科工程科学。冰雪力学以及冰上工程和运输是最紧迫的研究问题。这意味着一般方法仍然是地质学的，并且关注冰川体积空间的动态。气候不是这些冰川学研究的主要兴趣。
　　冻土地貌研究
　　随着研究主题范围的扩大，这些核心在庞大的项目中引起了越来越多的关注。
　　要在冰川内建造设施，了解更深层的冰力学也至关重要。因此，研究人员试验了新的钻孔设计，这些设计能够达到数百米的深度并提取未受干扰的岩心。
　　1957 年研究人员成功地在格陵兰图勒附近的美国军事基地 钻探了 400 多米。这个钻探项目的目标是＂以近乎连续的剖面研究高极冰川冰的物理和化学性质＂和＂为冰盖上雪下结构的建造和保护提供有价值的信息。＂
　　冰川
　　作者认为：正如在这些国际项目中常见的那样，不同的国家以不同的方式做出贡献，科学主题根据他们的兴趣和专业知识分配给参与者。 横向挑战：网络和政治策略
　　尽管 瑞士冰芯 采集员同意将样品送到哥本哈根，但瑞士代表 安德烈雷诺 的合作并不令 威利·丹斯加德满意。
　　1959 年 10 月 ， 威利·丹斯加德仍在等待钻井组的更多样本，他变得不耐烦了： ＂看在上帝的份上，所有要做的就是将一根棍子撞到地上，拉起来，然后扔掉挂在上面的东西装进瓶子里，＂ 他抱怨道。
　　然而，从数十米深的水下提取样品绝非易事。有必要确保它们在通过钻孔被提升时不会被来自更高层的雪＂污染＂。此外，储存它们的瓶子必须完全不透水，以防止蒸发并确保样品在从格陵兰经瑞士到哥本哈根威利·丹斯加德实验室的长途旅行中得到保护。
　　冰芯
　　然而，冰芯古气候学中的地层学概念并不像看起来那么简单，冰川一直在移动，一年一度的冰层在冰川上部发育。在那里，在所谓的积雪带，新降雪量高于夏季融化量，导致冰垂直向下移动
　　每年冬天，一层新雪会压住旧雪。不断增加的压力将空气挤出，将雪变成冰和冰。因此，随着时间的推移，雪和冰会垂直向下移向基岩。
　　如下图所示，在这个垂直的＂旅程＂中，层也被水平拉伸并变薄，越靠近基岩，岩层越薄。
　　冰芯（1966 年）的样本重建 1,700 年前的氧同位素比率
　　基于这种新的＂冷＂冰川流动模型，哥本哈根小组还可以对核心的深层进行年代测定，并确定 100,000 年期间氧同位素比率的变化。
　　通过绘制这个比率与时间的关系图如下图所示，他们将末次冰期结束和全新世开始的时间精确地确定为 12,000 年前。
　　基于新的流动模型
　　作者认为：冰川取芯不仅加强了冰川学的垂直方向，也拓展了学科方向。随着地球物理学的政治重要性和权威不断上升。
　　人们越来越有兴趣在冰川研究中使用基于核物理学的新测量技术，如辐射计数器和质谱法。通过对流体动力学、复杂的数学流动模型、放射性碳测年等的研究，冰川学的范围扩大到包括有影响力的新物理方法。 垂直地层学与水平可达性
　　在冰川内部，冰下坡流动的速度根据深度、压力和基岩​上的摩擦力而变化。
　　但也有可能不同的雪层在冰川的任何地方都没有以相同的方式保存下来，正如 下图所示的那样，它们可能会扭曲，时间层次可能会被破坏。
　　270 万年前的冰样本案例很好地说明了这个问题。有史以来最古老的冰还是于 2004 年在南极洲的钻探。3,270 米深处的岩心保存了覆盖约 80 万年的连续垂直冰层年代学。
　　＂冷冰川＂内冰流的简化可视化
　　为了钻探覆盖尽可能长的时间段的冰芯，必须找到合适的钻探点。
　　有两个因素对此很重要。首先是对冰川内部的认识稳步提高，理想的钻井地点是在冰盖较高部分的堆积区。冰川内部不应有太多运动以防止层扰动，夏季温度应足够冷以防止最新的雪层融化。
　　其次，钻探地点必须方便研究人员、技术人员以及所有必要设备和用品的后勤支持。这主要是一个财务问题。因此，优先考虑已经有研究站或军事营地和现有基础设施的地点，就像地点的情况一样。
　　钻头草图向下垂直的实际和纪律后果：仪器和网络
　　向下的垂直方法具有重大的技术意义。通过巨大的资金和技术努力从冰川深处打捞出来的冰芯一直是极其罕见和有价值的研究对象。
　　仪器、物流和协作曾经获得它们的先决条件。从二十世纪五十年代开始，当岩心与钻孔一样受到关注时，重点从钻井本身转移到设计不会破坏岩心的钻头。
　　正如所知道的那样，自气候变化以来，在长达数十万年的更小和更大的周期中，具有未受干扰的＂事件地层学＂的深部岩心已成为非常有价值的研究对象。为了达到这样的深度，钻探在冰芯古气候学中发挥了主导作用。
　　钻头
　　对冰芯的新研究兴趣不仅需要新型钻头，还需要其他学科的仪器，例如质谱仪和放射性碳计数器。
　　得益于纵向延伸，这些物理和地球化学仪器在冰川学和气候科学中找到了新的应用范围，并帮助冰川学传统的领域导向学科也成为一门以技术为基础的融合物理和地球化学方法和方法的实验室科学。
　　技术装备是冰川学成为一门垂直科学的重要因素。
　　技术装备
　　冰芯古气候学的案例也显示了水平维度对垂直维度成功的重要性。
　　寻找理想的钻井地点，以及将仪器、工作人员和冰样本运送到冰上，然后从那里运送到海外实验室，是一项要求高且成本高的工作。
　　如此高的成本是国际和机构间合作的最重要驱动因素之一。这种合作依赖于横向跨越多个研究小组、机构和国家的网络。研究任务和运输责任被分摊，费用可以分担。
　　南极冰层解析图
　　作者认为：除了科学网络，地缘政治也发挥了重要作用。冷战背景和地缘政治权力关系为极地地区的研究赋予了政治功能，特别是在格陵兰岛，由于其在美国和苏联之间的地理位置而具有重要的政治意义。 结论
　　从 1930 年代到 50 年代，气候学加强了对高层大气的关注。
　　新的测量技术，如无线电探空仪和飞机，提供了大量关于高层大气层的新观测数据。
　　他们为大规模气候现象的因果解释提供了经验基础。因此，经典的面向表面的二维方法似乎已经过时了。越来越多的气候学家开始将头顶上方的垂直空间纳入他们的研究，并发现它是一个重要的新维度。这是气候研究中三维度的首次发现。
　　无线电探空仪
　　在 1950 年代和 70 年代之间，冰芯科学形成了一个新的冰川气候学研究领域，它向下进入垂直维度，进入冰川。
　　通过采用地层学方法，并将物理和地球化学技术引入冰川学，地球物理学家发现冰川深处是深层气候历史的档案。
　　通过钻探和先进的基础设施，他们在地质时间尺度上重建了温度变化和大气中的二氧化碳含量。这是三次元的第二次发现，这次是向下。就像第一个向上的发现一样，它深刻地影响了气候学研究实践以及对气候及其行为的理解。
　　冰川
　　由于研究对象位于极地冰川深处，昂贵的技术和设备非常重要。
　　此外，与格陵兰冰芯的情况一样，该领土对美军至关重要。因此，从一开始，冰芯研究也强烈依赖于国际关系和合作。
　　获得冰芯是科学资本，而科学资本可能是政治资本。为了进入垂直方向的冰层，水平网络的有效运行至关重要。因此，作为垂直冰川学的冰芯研究使格陵兰岛在其完整的三维度方面具有重要的政治意义。
　　格陵兰岛冰川
　　作者认为：气候科学的纵向延伸也影响了气候的横向地理概念。从二十世纪 六十年代后期开始，冰芯结果有效性的地理限制被削弱。
　　虽然实地钻探的成功取决于当地的地形条件和单个冰川的内部结构，但对数据的解释越来越脱离当地特征。来自北极或南极冰川深处的证据表明，气候变化不仅发生在局部，而且发生在全球范围内。 参考文献：
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