雪冰中NO_3~-浓度记录的研究进展

NO3-是雪冰中含量最高的含氮无机离子,雪冰中NO3-浓度记录的解读已成为研究全球变化的重要内容之一.近年来国内外已经就极地与中低纬高海拔地区雪冰中NO3-浓度记录开展了大量的研究,关于NO3-所指示的环境意义形成了一系列的认识.从雪冰中NO3-的可能性来源(包括太阳活动、陆源粉尘、闪电等自然源以及其他人类源)、时空变化特征以及气-雪-冰界面转化过程等方面综述了近年来该领域的研究成果,并结合全球变化的背景对其研究前景进行了展望.     

三极雪冰中铅浓度变化及其污染来源同位素示踪研究进展

铅是一种对人类危害极大的有毒重金属元素,示踪铅的来源是控制铅污染的前提。由于铅同位素在自然过程中难以发生明显的分馏而保留了污染源区的特点,成为追踪铅污染源强有力的“指纹”工具。雪冰作为冰冻圈重要的环境介质,因具有保存大气铅的特征,对雪冰的研究可以重建区域和全球的大气污染变化,探讨过去铅排放的活动历史。本文系统地总结了三极地区(南极、北极、青藏高原及周边地区)雪冰中铅浓度与铅同位素记录、空间分布以及使用铅同位素对雪冰铅源进行识别与解析的相关研究。结果表明：三极地区雪冰铅浓度呈现第三极>北极>南极的空间分布特征,其中第三极北部地区雪冰中铅浓度整体较南部偏高且拥有更低的²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值。冰芯环境记录表明,铅污染显著发生在古罗马和中世纪时期、工业革命时期(采矿、冶炼、燃煤)和20世纪下半叶(含铅汽油使用前后),三极地区雪冰中铅浓度峰值主要出现在20世纪70年代左右。铅同位素示踪显示矿物粉尘是三极地区雪冰中铅的主要自然来源,其中南极不同地点雪冰还受到火山活动不同程度的影响。南极雪冰中的铅污染主要来源于澳大利亚和南美洲国家,北极雪冰...     

三极地区雪冰中黑碳研究进展

黑碳被认为是除温室气体外对气候变暖贡献最大的辐射强迫因子.三极(北极、南极和青藏高原)地区是全球雪冰分布最集中的区域,沉积至雪冰中的黑碳可反映人类活动的历史变化,并可能导致反照率降低而影响物质能量平衡.通过系统回顾三极地区雪冰黑碳的研究方法、空间分布、时间变化及其造成的辐射强迫,得到的研究结果表明:由于处于不同的地理位...     

冰冻圈关键地区雪冰化学的时空分布及环境指示意义

采用雪冰常量化学元素示踪体系, 系统分析了冰冻圈关键地区的南极冰盖、北极格陵兰和北极中心地带、以及以青藏高原为中心的高亚洲地区现代降水(表层雪冰)化学的空间分布、季节变化特点. 研究表明, 两极和高亚洲地区雪冰化学反映了全球或局地大气环境本底:南极现代雪冰化学代表了南半球或全球本底, 北极格陵兰地区代表了北半球对流层中部本底, 青藏高原海拔5 000 m以上的高海拔地区雪冰化学则代表中纬度地区对流层中上部本底. 其中, 离子浓度在两极冰盖和喜马拉雅山高海拔地区接近, 而在青藏高原北部高海拔地区则高得多. 三个地区雪冰化学的季节分布特点是: 在南极冰盖, 海盐气溶胶的"丰"季形成雪层化学峰值, 在北极, 冬春季污染物(所谓"北极霾")和漂尘形成季节峰值, 在高亚洲, 主要是春季降尘形成明显污化层. 青藏高原上大风季节与干季重叠, 静风季节与湿季重叠, 决定了干湿沉积过程具有明显季节转换. 总之, 主要阴、阳离子在南、北极和高亚洲雪层中的时空分布揭示了大气气溶胶的源区和传输, 其形成过程与大尺度大气环流、季风和局地尘暴等事件密切相关.     

东南极冰盖内陆深处几个雪坑离子浓度的初步研究

对南极中山站-Dome A断面距海岸800～1 100 km(海拔2 850～3 760 m)的内陆深处3个雪坑进行了雪层剖面观测和雪样化学分析.氧同位素、可见层位特征与主要阴、阳离子浓度的剖面对比分析表明, 同位素季节变化信号不明显, 而太阳辐射冰壳与某些离子(如Na 、 Cl-等)浓度变化有较好的对应.研究区域主要的几种离子如Na 、 Cl-和SO2-4等与东南极内陆其它区域雪坑中的相似, 但NO-3和NH 4有较大差异.在高原中心区域, NO-3沉积后很大部分又逸散返回大气, 因而雪层中平均浓度很低但表面处的浓度却异常地高.在海拔2 850 m处, 各种离子的浓度随深度增加而增加, 在海拔3 750 m处则为相反趋势, 在海拔3 380 m处趋势不明显.如果离子沉降速率保持不变, 这种特征意味着近20 a来降雪积累速率在高原中心区域为减少趋势, 在海拔较低的区域则为增加趋势.在所有雪坑中, Na 和Cl-具有非常好的正相关性, Cl-/Na 为1.24～1.61, 略高于海水中的值(1.168), 说明Cl-虽然主要来源与于海盐, 但仍有一小部分为其它来源.非海盐SO2-4在不同雪坑中显示出不同特征, 对其是否能指示火山喷发等问题还有待于进一步探讨.     

雪冰中的黑碳记录研究的历史回顾

黑碳(Blackcarbon)是一类大气气溶胶,也是重要的气候驱动因子之一,它与人类活动密切相关.迄今发现,雪冰是保存和记录历史时期黑碳变化的最好介质.根据前人对南极冰芯、格陵兰冰芯、中低纬度山地冰川冰芯以及雪坑样品中的黑碳记录的研究成果,讨论了不同研究地区雪冰中黑碳含量的变化,黑碳对气候环境突变、大气环流变化的响应,总结了人类活动与雪冰黑碳记录之间的关系.雪冰黑碳记录还可以获得如森林大火这样的特殊事件的信息.     

天山东部冰川雪坑离子浓度特征的对比研究——以奎屯河哈希勒根51号冰川和哈密庙尔沟平顶冰川为例

对2004年获取的天山奎屯河哈希勒根51号冰川1个雪坑和哈密庙尔沟平顶冰川4个雪坑的离子浓度特征进行了研究,结果表明:Ca2 、NO3-和SO24-是哈密庙尔沟平顶冰川雪坑雪层和积累区雪坑底部冰中的主要离子(尤其是Ca2 ),其雪层中的主要阳离子关系可在底部冰中得以较好的反映,但雪层中各离子浓度与海拔的相关性不明显,可能与海拔的跨度较小和挖取的雪坑较疏有关;雪坑底部冰中的离子浓度与海拔间明显的相关性说明淋融作用随着海拔升高、气温降低而逐渐减弱。SO24-和Ca2 是奎屯河哈希勒根51号冰川雪坑中的主要离子(尤其是SO42-),其雪坑离子化学特征与哈密庙尔沟平顶冰川差别较大,可能与哈密庙尔沟平顶冰川处于塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠和鄯善沙漠的下风向相关,还可能与雪层内淋融作用的强弱和沉积通量的高程效应有关。哈密庙尔沟平顶冰川积累区雪坑中NH4 、NO3-和K 的Cs/Ci较Ca2 、Mg2 和Na 要大,奎屯河哈希勒根51号冰川Na 和NH4 的"雪冰比"较Cl-、SO42-、Mg2 和Ca2 要大,说明这两条冰川雪坑中的Ca2 和Mg2 信号较其它离子可能更易于在冰芯记录中保存下来,为冰芯研究和古气候记录的恢复提供了保障。     

青藏高原东南部冰川雪冰重金属元素特征

雪冰可以很好地记录大气重金属元素的含量水平。基于2015年6月在青藏高原东南部（藏东南）地区采集的4条冰川的雪坑和表层雪冰样品,分析并讨论了雪冰重金属元素特征。结果显示,Pb、Cd等重金属元素含量与高原其他地区雪冰中一致,含量总体较低,显著低于天山和阿尔卑斯山雪冰中Pb和Cd含量,与格陵兰地区雪冰Pb和Cd含量大致相当,但显著高于南极地区雪冰中Pb和Cd含量,这表明藏东南雪冰中元素含量仍代表全球背景地区大气环境状况。元素富集因子结果显示,Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、Mo、Sn等发生强烈富集（EFs>10）,而以地壳源为主的元素如Fe、Ti、Mn、Th等则富集较弱。主成分分析表明,不同重金属元素的污染来源存在差异;结合后向气团轨迹分析,推断藏东南地区雪冰元素含量不可避免地受到南亚地区人类活动排放污染物的显著影响。目前,藏东南地区冰川呈显著退缩状态,强烈的冰川消融可释放大量的重金属元素进入河流,可能对下游地区的人类生产生活以及生态系统产生重要影响。     

青藏高原南部枪勇冰川雪冰中痕量元素的组成特征及其环境意义

为了认识青藏高原南部雪冰中痕量元素的组成特征、背景含量水平以及人为污染的可能影响,利用高分辨电感耦合等离子体质谱仪首次对2009年4月19日采自枪勇冰川一个40 cm 雪坑中 Al、 Fe、 Ba、 Cd、Co、Cr、Cu、Li、Ni、Zn、Pb、Sb、Sr、U 和 V 共15个痕量元素的浓度进行了测试和研究.分析表明,不同痕量元素之间浓度变化很大,从 Cd 的0.004 ng/g 变化到 Fe 的8628 ng/g;同一痕量元素的浓度变化范围也较大,最大值/最小值从13(Cd)变化到94(Sr).研究表明,不同痕量元素记录反映了人类活动与自然活动的不同影响.对痕量元素地壳富集系数分析表明,岩石和土壤粉尘是 Ba、Fe、Sr、Co、Cr、V 和 U 的主要来源;而人为污染是枪勇冰川中 Pb、Zn、Cu、Li、Ni、Cd 和 Sb 的一个重要来源.对比研究表明,无论是以粉尘源为主要来源的痕量元素,还是以人为源为主要来源的痕量元素,它们的浓度明显高于中亚有关地区冰川中痕量元素的浓度,更远远地高于格陵兰和南极雪冰中的相应浓度,揭示了该地区大气中痕量元素受到粉尘和人为源污染物带来的显著影响     

梯度淋洗法在雪冰样品有机酸测试分析中的应用

离子色谱法是分析有机酸的有效方法之一,而梯度淋洗可一次分离与固定相亲合力差异较大的多种有机酸和无机阴离子,改善离子的色谱峰形,提高分离度和选择性.雪冰是记录有机酸的良好载体,对雪冰中有机酸的研究可认识过去大气中相应化合物含量及其变化,从而恢复过去生态环境和气候变化.利用Dx-600离子色谱仪及外加水梯度洗脱程序对南极雪冰样品中的有机酸离子组分进行了测试和分析,初步探讨雪冰中有机酸离子特征及其对雪冰化学记录的影响.     

Geological Drilling in Polar Regions: Progress and Perspectives

The Antarctic and the Arctic regions play a key role in global sea level change and carbon cycle, and reserve key information of the Cenozoic transition from a green-house to an ice-house Earth. They have become hot spots in earth science studies. The geological drilling projects in both polar regions (e.g., DSDP/ODP/IODP/ICDP) have achieved remarkable successes, which have freshened the knowledge of global environmental and climatic evolution. Along with the Cenozoic global cooling, the timing of glaciation was almost synchronous on both the Antarctic and the Arctic. Accompanied with the Antarctic ice sheet build-up and increased terrestrial weathering, the enhanced formation of Antarctic Bottom Water exerts significant impact on global ocean circulation. The volume of unstable West Antarctic Ice Sheet fluctuates during glacial-interglacial periods showing 40 ka obliquity cycles, its volume significantly reduced or collapsed during several peak interglacials or long warm intervals. The Southern Ocean plays a significant role modulating atmospheric CO₂ concentration, global deep water circulation and nutrient distribution, productivity at different time scales. Sea level responses to the waxing and waning of polar ice sheets at different time intervals were tested, which provide valuable clue for predicting future sea level changes. The upcoming IODP drilling projects on polar regions will keep focusing on the high latitude ice sheet development, Southern Ocean paleoceanographic evolution, land-ocean linkages in the Arctic, and the impacts on the global climate, which will provide important boundary conditions for predicting global future climate evolution.     

南大西洋渐新世初碳酸盐记录(ODP 1263站)

渐新世初期,南极大陆在短时间内出现永久性冰盖,地球由两极无冰进入到单极有冰的特殊时期。越来越多的研究表明,这一重大气候转型事件与大气CO2及大洋碳储库的变化密切相关。南大西洋ODP 1263站碳酸钙软泥的粒度分析揭示了在渐新世初期发生的强烈碳酸盐溶解事件,碳酸盐溶解超前于底栖有孔虫氧同位素重值约100 ka,显示碳酸盐溶解事件先于南极冰盖的形成。由于碳酸钙泵的作用,碳酸盐的溶解会消耗大量的大气CO2,从而可能驱动了气候的快速变冷,导致南极大陆永久性冰盖发育。     

对流层活性卤素化学:充满机遇和挑战的研究领域

活性卤素物种(RHS)参与大气对流层中许多化学过程,影响许多重要物种的源和汇,在大气对流层化学中起着十分重要的作用,因此对流层活性卤素化学成为近年来国际大气化学研究的重要前沿研究领域。RHS在对流层的外场观测方法主要包括化学放大、大气压化学电离质谱（APCIMS）、长程差分吸收光谱（DOAS）、雾室和湿法化学分析法、光解法、碳同位素的比率法等。各种观测方法表明大气边界层中存在着不同种类的RHS,特别在海洋边界层、极地边界层和盐湖地区。RHS的浓度有较大的变化范围（10-12~10-10）。RHS可引起一些VOCs的氧化,影响HOx和NOx的反应,减少对流层O3,并对硫的氧化和汞化学有较大的影响。对流层RHS的源主要为有机卤素化合物的排放和海盐气溶胶的释放。在讨论RHS在对流层的循环转化的基础上,归纳总结出一个示意图;提出了现有的主要科学问题,进而展望了今后的研究前景。     

南极洲伊丽莎白公主地区250年来气候环境变化研究

利用 1996 / 1997年中国首次南极内陆冰盖考察获得的 5 0m雪芯资料 ,恢复了南极洲伊丽莎白公主地区 2 5 0年来的气候变化情况 :2 5 0年来 ,伊丽莎白公主地区的积累率和气温大致可以 186 0年为界分为两段 ,186 0年以前气温和积累率都呈现上升趋势 ,而 186 0年以后气温明显降低 ,积累率变化不明显。同时 ,从 2 5 0年的时间尺度考察近半个世纪以来气温和降水的结果表明 ,虽然目前两者都呈现上升的趋势 ,但都不是历史上的最高值。 2 5 0年来的大气环境变化研究表明 :δ18O与NO-3 、nssSO2 -4 浓度变化表现出一定程度的负相关性 ,即冷期时这两种离子的浓度都较高 ,暖期时浓度低 ,这可能是冷期经向环流加强从而有利于其从中、低纬度传输的缘故 ;而海盐离子Cl-、Na+ 和Mg2 + 与δ18O无任何相关关系 ,可能反映了本地区雪冰中的海盐离子主要来源于周边海洋地区的降水。     

Argon and nitrogen isotopes of trapped air in the GISP2 ice core during the Holocene epoch (0-11,500 B.P.): Methodology and implications for gas loss processes

Argon and nitrogen isotopes of air in polar ice cores provide constraints on past temperature and firn thickness, with relevance to past climate. We developed a method to simultaneously measure nitrogen and argon isotopes in trapped air from the same sample of polar ice. This method reduces the time required for analysis, allowing large numbers of measurements. We applied this method to the entire Holocene sequence of the GISP2 ice core (82.37-1692.22 m) with a 10-20 year sampling interval (670 depths). δ⁴⁰Ar and δ¹⁵N show elevated values in the oldest part of the dataset, consistent with a thicker firn layer and increased temperature gradient in the firn due to the legacy of the abrupt warming at the end of the Younger Dryas interval and the gradual warming during the Preboreal interval (11.5-10.0 ka). The Preboreal Oscillation and the 8.2k event are clearly recorded. The data show remarkable stability after the 8.2k event.Available data suggests that post-coring gas loss involves two distinct types of fractionation. First, smaller molecules with less than a certain threshold size leak through the ice lattice with little isotopic fractionation. Second, gas composition changes via gas loss through microcracks, which induces isotopic fractionation. These two gas loss processes can explain most trends in our data and in other ice core records.     

Ice-core records of global climate and environment changes

Precipitation accumulating on the Greenland and Antarctic ice sheets records several key parameters (temperature, accumulation, composition of atmospheric gases and aerosols) of primary interest for documenting the past global environment over recent climatic cycles and the chemistry of the preindustrial atmosphere. Several deep ice cores from Antarctica and Greenland have been studied over the last fifteen years. In both hemispheres, temperature records (based on stable isotope measurements in water) show the succession of glacial and interglacial periods. However, detailed features of the climatic stages are not identical in Antarctica and in Greenland. A tight link between global climate and greenhouse gas concentrations was discovered, CO₂ and CH₄ concentrations being lower in glacial conditions by about 80 and 0.3 ppmv, respectively, with respect to their pre-industrial levels of 280 and 0.65 ppmv. Coldest stages are also characterized by higher sea-salt and crustal aerosol concentrations. In Greenland, contrary to Antarctica, ice-age ice is alkaline. Gas-derived aerosol (in particular, sulfate) concentrations are generally higher for glacial periods, but not similar in both the hemispheres. Marine and continental biomass-related species are significant in Antarctica and Greenland ice, respectively. Finally, the growing impact of anthropogenic activities on the atmospheric composition is well recorded in both polar regions for long-lived compounds (in particular greenhouse gases), but mostly in Greenland for short-lived pollutants.     

格陵兰冰芯记录的大气环流变化及其与南极冰芯的比较(英)

The GISP2, central Greealand, glaciochemical series (sodium, potassium, ammonium,calcium, magnesium, sulfate, nitrate and chloride) provides a unique view of the chemistry of the atmosphere and the history of atmospheric circulation over much of the Northern Hemisphere. Interpretation of this record reveals the controls on both high and low frequency climate events of the last 110 000 years.Changes in insolation on the order of the major orbital cycles control the long-term behavior of atmospheric circulation patterns through changes in ice volume (sea level) and related positive feedbacks.Events such as the Heinrich events (massive discharges of icebergs first identified in the marine record)are found to operate on a 6 100 year cycle due largely to the lagged response of ice sheets to changes in insolation and consequent glacier dynamics Rapid climate change events (massive reorganizations of atmospheric circulation) are demonstrated to operate on 1 450 year cycle possibly in response to internal oscillations in the ocean-atmosphere system or due to changes in solar output. Changes in insolation and associated positive feedbacks related to ice sheets assist in explaining favorable time periods and controls on the amplitude of these massive rapid climate change events.Comparison of the GISP2 glaciochemical series with an ice record from Taylor Dome in Antarctica indicates considerable similarity suggesting that both polar regions experience marked changes in climate. While preliminary evidence points to similar phasing of several major climate events in the two polar regions exact phasing cannot as yet be determined, because dating of Antarctic ice core records is not as well-established as the dating for Greenland ice cores.     

Geomorphology and glacial history of Rauer Group, East Antarctica

The presence of glacial sediments across the Rauer Group indicates that the East Antarctic ice sheet formerly covered the entire archipelago and has since retreated at least 15 km from its maximum extent. The degree of weathering of these glacial sediments suggests that ice retreat from this maximum position occurred sometime during the latter half of the last glacial cycle. Following this phase of retreat, the ice sheet margin has not expanded more than ∼ 1 km seaward of its present position. This pattern of ice sheet change matches that recorded in Vestfold Hills, providing further evidence that the diminutive Marine Isotope Stage 2 ice sheet advance in the nearby Larsemann Hills may have been influenced by local factors rather than a regional ice-sheet response to climate and sea-level change.     

A review of changes monitoring in the Antarctic ice shelves北大核心CSCD

冰架是南极冰盖物质损失的主要出口。南极冰架动态变化和物质平衡的研究对揭示南极地区的气候变化具有重要的参考价值。本文从表面融化、冰流速、前缘崩解、底部融化和物质平衡五个方面入手,对近些年来南极冰架变化监测的研究进展进行梳理和归纳总结,综述了它们的观测方法、观测结果、机制分析及当前面临的问题。极地观测卫星和现场观测网络的发展、冰架多维度综合分析及数值模拟研究的推进,将有助于进一步揭示冰架变化因子之间的耦合作用及其演变机制,为全球增温影响南极冰盖/冰架的物理机制研究及其变化预测提供重要依据。     

南极地区晚第四纪环境及其与全球变化的关系

南极无冰区和冰芯的记录均表明,晚更新世以来南极地区的环境和气候变化是与全球变化一致的。在最近几十年,大气CO₂含量增加已引起南极地区气温升高,冰盖前缘缓慢消退。温室效应将促使南极冰盖（首先是陆缘冰）部分融化,但不可能崩溃。在今后50年内,南极冰盖部分消融引起的海面上升幅度将不超过2m。