冰芯粉尘微粒的X射线光电子能谱-扫描电镜研究——粉尘对冰芯SO2-4记录的影响

用X射线光电子能谱(XPS)表面分析技术和配有X射线能谱分析仪的扫描电镜(SEM/EDAX)对提取于希夏邦玛峰冰芯的不溶粉尘微粒样品进行测定分析,结果显示,微粒物表面的SO2-4及SO2-3含量明显高于内部(有机硫化物除外),这种差异源于大气粉尘在沉积到雪冰中以前对SOx的捕捉,因而与微粒本身的含硫物质成分属于不同的来源. 微粒物中富含具有催化能力的过渡金属(如Fe,Ti等),它们的氧化物在冰芯记录形成之前可能对大气中的SOx氧化成为硫酸盐沉积物的过程产生光催化作用. 分析表明粉尘对SOx的吸附运载和催化作用,是造成冰芯中SO2-4与粉尘微粒记录相关的重要原因之一.     

冰芯粉尘微粒的X射线光电子能谱扫描电镜研究——粉尘对冰芯SO42-记录的影响

用Ｘ射线光电子能谱表面分析技术和配有Ｘ射线能谱分析仪的扫描电镜对提取于希丰邦玛峰冰芯的不溶粉尘微粒样品进行测定分析,结果显示,微粒物表面的ＳＯ＾２－４及ＳＯ＾２－０３含量明显高于内部,这种差异源于大气粉尘在沉积到雪冰中以前对ＳＯｘ的捕捉,因而与微粒本身的含硫物成分于不同来源。     

末次间冰期以来古里雅冰芯微粒记录与极地冰芯的对比

通过古里雅冰芯中δ18O与微粒含量的研究, 恢复了末次间冰期以来青藏高原大气粉尘和环境变化的历史. 记录显示, 青藏高原在末次间冰期时处于低粉尘值, 105 ka时高原上的粉尘浓度开始升高. 约75 ka左右进入冰期后, 微粒浓度大幅度剧增, 并在末次冰期早期(MIS 4阶段)达到了最高水平. 在末次冰盛期, 古里雅冰芯中微粒含量的增加并不显著, 与南极和格陵兰不同. 在轨道时间尺度上, 温度和北半球高纬夏季太阳辐射与微粒记录都有良好的相关性, 但也存在幅度和相位上的差异. 青藏高原及其外围山地的冰芯记录反映的是中亚粉尘源区以及粉尘传输起始阶段的变化, 而格陵兰冰芯记录反映的是粉尘最终的沉积状况, 二者的意义是不同的.     

慕士塔格冰芯中大气粉尘记录的季节变化

根据帕米尔东部的慕士塔格冰芯中氧同位素比值和微粒记录, 揭示了过去近40 a来该地区大气粉尘的季节变化特征. 研究显示, 慕士塔格冰芯中粉尘浓度的高值和较粗的粒径具有与氧同位素比值相似的变化趋势, 约有50%~60%的高粉尘浓度样品出现在氧同位素比值的高值时段, 即夏季高温期, 而在春季和冬季出现的频率较低. 气团反轨迹追踪结果表明西亚(如伊朗-阿富汗高原)和中亚地区是慕士塔格粉尘的主要源区, 这些源区的尘暴频发期出现在夏季(5~8月份). 而中国西部和北部的尘暴频发期出现在春季(3~5月份), 两者在时间上存在差异. 亚洲粉尘传输路径上不同地点(如日本、北太平洋和格陵兰)的粉尘浓度出现的季节与中国西北部地区一致, 其浓度峰值出现在春季(尤其是4月). 亚洲干旱区的不同区域在尘暴频发季节上存在显著差异, 这将有助于深入理解其对北半球粉尘的贡献及其气候效应.     

扩扩色勒冰芯污化层记录的青藏高原西部过去100年来大气粉尘的变化特征

冰芯粉尘记录是重建大气粉尘特征的良好指标.本文利用慕士塔格山扩扩色勒冰芯污化层重建青藏高原西部近百年来大气环境变化特征.研究发现,污化层等级和污化层厚度比率两个指标与该冰芯Ca~(2+)离子具有较好的一致性,说明其可以作为陆源粉尘的良好指标,为快速获取冰芯大气环境特征提供新手段.污化层比率与中亚粉尘源区和青藏高原北缘粉尘源区的现代沙尘观测记录具有较好的一致性,说明其能够反映近期沙尘事件的变化趋势,冰芯粉尘可能来源于两个源区的共同输入.该地区沙尘天气在1900~2010年间的发生频率呈现逐渐减少的趋势,其原因可能与粉尘源区因降水增多而引起的沙尘事件减少、西风增强引起的局地降水增多,以及青藏高原地面风速减少等方面因素共同作用有关.     

珠穆朗玛峰东绒布冰芯微粒来源示踪

首次通过Sr-Nd-Pb同位素示踪方法, 研究了珠穆朗玛峰(以下简称: 珠峰)东绒布冰芯中不溶性微粒的来源. 结果表明, 冰芯污化层样品中的微粒主要来源于局地粉尘源; 而非污化层样品的同位素组成和印度西北干旱区的结果接近. HYSPLIT模式的空气轨迹分析表明, 印度西北部发生尘暴时, 到达冰芯采样点的气流首先要经过该地区, 进一步验证了东绒布冰芯中微粒来源于印度西北部的可能性.     

古里雅冰芯中钙离子与大气粉尘变化关系

通过青藏高原古里雅冰芯的研究, 发现陆源的Ca²⁺离子是可溶气溶胶中的主要阳离子, 可以作为中、低纬干旱区周边山地冰芯中反映大气成分和环境变化的指标. 在古里雅冰芯中, 末次间冰期以来Ca²⁺离子浓度存在明显的变化, 有两个较强的增高时期和两个较弱的增高时期, 这些变化总体与气候变化相关. 即气候变冷时, Ca²⁺离子浓度升高; 气候变暖时, Ca²⁺离子浓度降低. 但Ca²⁺离子浓度变化并非总是在气候变暖时降低和在气候变冷时升高, 与温度记录在变化相位和幅度上也不完全一致. 大气环流、高原下垫面以及大气湿度的变化可能是除温度以外的重要影响因素.     

南极冰芯定年综述

定年研究是冰芯研究的基石.为此,本文综述了南极冰盖冰芯定年研究的最新研究进展.南极冰芯定年的主要方法有:利用季节性参数(δ18O、主要离子和微粒等)的季节变化特征,参考层位(如放射性物质参考层和火山事件参考层)、放射性同位素、理论模型、冰孔内古温度记录和同其他记录比较等.各种定年方法适用的时间尺度不同,精度也不一样.在实际应用中,应利用各种方法对冰芯进行综合交叉定年,才能得到较为精确的时间序列.     

青藏高原冰芯高分辨率气候环境记录研究进展

青藏高原冰川高分辨率连续记录了过去气候环境变化信息.通过多种代用指标的分析可以重建气候变化历史.稳定同位素是冰芯记录的重要指标之一,通过青藏高原现代降水同位素过程的研究明确了大气降水中稳定同位素与气温的关系,奠定了青藏高原冰芯古气候学研究的理论基础.通过青藏高原不同地区冰芯稳定同位素记录研究,恢复了末次间冰期以来不同时间尺度的气候演化历史,冰川积累量变化揭示了过去降水量的变化过程;青藏高原冰芯中也保存了一系列的近代人类活动记录.此外,从青藏高原冰芯记录中提取了冰芯微生物种群及数量变化的信息,有助于进一步解释过去气候环境变化,获得了冰芯中古气候环境变化研究的新指标.     

青藏高原希夏邦马冰芯中的环境变化信息

1996年8月中美联合冰芯考察队在青藏高原希夏邦马峰达索普冰川(长105ｋｍ,面积2167ｋｍ2,28°24′Ｎ,85°46′Ｅ),攀登到海拔7000ｍ以上的冰雪平台,利用手摇钻钻取了18和20ｍ2根冰芯,首次取得世界山地冰川海拔最高的冰芯,这对该地区大气环境和气候研究都具有重要意义.由于该地区海拔高、气候寒冷、消融微弱,所以粒雪年层保存完好,成冰作用以重结晶为主,是该地区冰芯研究的理想部位.本文根据20ｍ冰芯的分析结果,探讨了冰芯记录的希夏邦马地区的环境变化信息.图1　达索普冰川海拔7000ｍ冰芯中δ18Ｏ,ＳＯ2-4,ＮＯ-3和Ｃａ2 随深度的变化1　离…     

慕士塔格冰芯中近百年来NH4+浓度的变化

NH₃作为大气中主要的碱性气体, 在大气化学中扮演着重要的角色. 为研究历史时期大气NH₃含量, 借以冰芯中NH4+浓度变化来反映大气NH₃含量的变化. 2003年在东帕米尔高原慕士塔格峰海拔7010 m处钻取了一支长54.6 m的透底冰芯, 分析了该冰芯上部51.6 m近百年来NH₄⁺浓度记录. 结果表明, 慕士塔格冰芯中NH₄⁺浓度自20世纪初突然降低后平缓过渡至1930s, 其后缓慢增加, 在1966/1967年略有下降后呈持续增长趋势, 至1990s末达到最大. 冰芯中NH₄⁺浓度的增加与邻近气象站和北半球升温趋势相似, 反映了温度对NH3排放的影响. 慕士塔格地区大气中的NH₃主要受中亚及周边地区排放源的影响.     

慕士塔格冰芯记录的近50年来碳质气溶胶含量变化

应用热分析方法对慕士塔格冰芯中1955~2000年的碳质气溶胶含量进行了分析, 结果显示, 冰芯中有机碳(OC)和元素碳(EC)的含量较高, 其平均值分别达到61.8和32.9 ng·g^-1, 并且呈现强的年际变化, 其波动范围分别为17.7~216.7和6.5~124.6 ng·g^-1. 尽管该冰芯平均32.9 ng·g^-1的EC含量较同时段的阿尔卑斯冰芯EC记录(100~300 ng·g^-1)要低, 但却是格陵兰冰芯记录(2~6 ng·g^-1, 平均2.3 ng·g-^-1)的14倍, 这对该区46 a来雪冰反照率有重要的影响. 该期间慕士塔格冰芯碳质气溶胶含量经历了2个高值期(1955~1965和1974~1989)和2个低值期(1966~1973和1990~1995), 并在近期呈现上升趋势. 通过对该冰芯SO₄^2-含量的分析及与OC/EC含量的比较, 初步断定沉降于该区雪冰中的碳质气溶胶的来源是以化石燃料燃烧排放为主.     

马兰冰芯细菌菌群结构变化与气候环境的关系

为了解冰芯细菌菌群结构与过去气候环境变化的关系, 我们利用直接PCR和DNA分子克隆技术从代表不同温度变化时期的3个马兰冰芯样品中, 克隆并构建了3个含有马兰冰芯细菌的16S rDNA基因的文库, 从中筛选出94个阳性克隆, 获得了11个克隆序列, 并与已报道的另8个DNA序列一起构建出它们的系统发育树. 结果表明, 马兰冰芯细菌菌群具有一定限度的基因多样性, 包括α, β, γ-Proteobacteria; CFB, 和其他细菌组等5个大的类群. 其中相当大一部分属于嗜冷细菌和新的细菌属, 可能代表了在马兰冰川极端环境中生存的细菌. 对这一部分细菌菌群在冰芯剖面上的数量分析结果表明, “典型的马兰冰川细菌”菌群数量与氧同位素记录的温度变化呈现负相关的对应关系, 与冰层中的污化层具有密切的关系. 说明, 大气温度变化对冰芯中微生物记录的作用主要是通过影响“典型的马兰冰川细菌”(嗜冷菌和耐冷菌)菌群数量的消长而起作用的. 同时, 冰川中的营养物质也是影响冰芯微生物记录的一个重要的限制因素. 此外, 马兰冰芯细菌优势类群的垂直分布表现出明显的层状分布特征, 反映了微生物对冰芯深度所代表的不同时期的气候环境变化的响应.     

冰芯记录的南印度洋“南极绕极波”近期信号

利用 1996 年中国南极考察期间在东南极冰盖Princess Elizabeth地区钻取的冰芯(DT001), 对1745~1996年冰芯δ ¹⁸O和海盐气溶胶离子变化进行了分析研究, 研究表明可以用主要化学离子的经验正交函数分析的第一特征向量(EOF1)代表海盐气溶胶传输强度, 是南印度洋准稳态低压带平均海面气压(SLP)的代用指标; δ ¹⁸O则反映该低压带中海表气温(SST)的变化; 冰芯近20年的记录反映了SST和SLP的4次连续波列, 分别对应于NCEP/NCAR资料再现的4列“南极绕极波”(ACW), 且冰芯中SST和SLP代用指标间存在的1~2年位相差也与ACW中SST和SLP间的位相差一致. NCEP/NCAR再分析资料和DT001冰芯记录表明1958~1980年间没有连续和显著的ACW信号. DT001冰芯过去252年长期记录中SST与SLP之间没有1年的位相差关系,不具备ACW基本特征, 从而反证了南印度洋没有ACW的长期连续信号, 1980s后的ACW极可能是ACW启动区发生气候转型后新出现的气候波类型. 但从Na⁺与δ ¹⁸O十年平均变化和位相关系看, 极可能还存在周期约21年的年代际气候振荡.     

青藏高原古里雅冰芯中的现代大气环境记录

1992年在西昆仑山古里雅冰帽海拔6400m处钻取的古里雅冰芯,连续记录了大气对流层中上部气溶胶的干、湿沉积,为研究青藏高原西北部高空大气环境提供了独特的契机.根据对冰帽的粒雪成冰和冰内化学物质的沉积过程以及冰芯物理学研究,现已探明冰芯内主要特征层位的形成机制和季     

青藏高原马兰冰芯记录的近百年来气温变化

可可西里马兰冰芯中δ ¹⁸O记录表明, 该地区近百年来的气温变化与全球气温变化具有相一致的上升趋势, 估计自19世纪末以来该地区夏半年(5~10月份)气温的上升幅度约为1.2℃左右. 然而, 自20世纪70年代末期以来尽管全球明显升温, 该冰芯记录却表现出相对降温趋势, 认为该冰芯记录所反映的可可西里及青藏高原北部边缘地区的气温变化与北大西洋涛动存在遥相关关系. 同时, 还发现马兰冰芯记录的气温变化趋势与青藏高原南部地区的气温变化趋势在百年级时间尺度上是一致的, 而在多年代际时间尺度上存在反相关关系.     

≈37 kaBP大气中宇宙成因同位素含量增加的古里雅冰芯证据

证实了≈37 kaBP青藏高原古里雅冰芯记录中宇宙成因同位素36Cl含量峰值的存在,并认为该峰值是36Cl在大气中产生速率增加导致的,而不是净积累速率变化影响的结果. 与其他地区10Be及36Cl记录的对比,指出宇宙成因同位素这一时期的峰值事件具有全球性,可作为冰芯等沉积物定年的时标. 发现这一峰值事件与气候变冷相伴出现.     

敦德冰芯气泡中记录的甲烷浓度变化

通过对极地冰芯中气泡包裹气体的分析,可以恢复过去大气中的甲烷等温室气体浓度变化.敦德冰芯中包裹气体的提取及甲烷含量的分析是对山地冰川这一研究的新的尝试     

青藏高原北部马兰冰芯记录所揭示的近200年来沙尘天气发生频率变化趋势

通过对青藏高原北部马兰冰芯污化层状况的分析, 提出该冰芯中污化层厚度比率是沙尘天气 发生频率的良好指标, 并揭示出近200年来马兰冰芯中污化层厚度比率呈降低趋势, 指示了这一时期沙尘天气发生频率呈减少趋势. 降水增加以及由气候变暖所引起的西风环流强度的可能减弱, 是马兰冰芯记录所揭示的近200年来沙尘天气发生频率呈减少趋势的主要原因. 研究还发现, 马兰冰芯中污化层厚度比率与δ¹⁸O值之间存在着显著的负相关, 这对研究大气尘埃含量与气候变化之间关系具有重要意义.     

珠穆朗玛峰东绒布冰芯1800 AD以来的火山活动记录

通过元素Bi的含量, 研究了珠穆朗玛峰东绒布冰芯记录的1800 AD以来的9次强火山活动的信号. 结果表明, 东绒布冰芯中Bi含量的变化对关键区域的强火山活动有很好的记录, 这为山地冰芯定年提供了很好的标志层, 并为开展更长时间序列的山地冰芯火山记录研究提供了基础.