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高分辨率雪坑离子记录的南极Dome A地区近期气候环境特征研究

项目名称: 高分辨率雪坑离子记录的南极Dome A地区近期气候环境特征研究
项目类型: 2011年中国极地考察战略基金资助项目
项目负责人: 史贵涛
项目成员: 姜苏; 马红梅; 安春雷; 李院生
项目编号:
父项目编号:
规划期: 十二五规划
立项时间: 2011-10-01
预期结束: 2013-09-30
实际结束:
金额(万元): 2
目录

详细描述

立项依据与研究基础:

1.1 立项依据

冰川表面不断接受大气中各种物质,如气溶胶微粒、火山尘埃、放射性物质、可溶性微粒等,因此可以通过冰川表面向底部的连续采样获取过去大气环境的多种记录[1]。南极冰盖是地球表面最大的冰雪堆积区,平均厚度超过2400m,其中储存了高分辨率的全球气候和大气环境变化的记录,其最长记录时间可能超过百万年[2]。目前所研究的存在于南极冰盖雪冰中的信息主要包括各种可溶性阴阳离子(SO42-,NO3-,Cl-,Na+,Mg2+,K+和Ca+等)、稳定同位素比值(δ18O,δD)、温室气体、微粒含量、生物有机酸、痕量金属元素等[3]。在各种气候环境代替指标中,雪冰中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标;净积累速率是降水量大小的指标;雪冰气泡中的气体成分和含量可以揭示大气成分的演化历史;宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据;雪冰中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果,可以提供不同的时期大气气溶胶、水汽来源、大气环流强度、火山活动、陆地表面沙漠演化、植被演替、生物活动等信息;同时,雪冰也记录人类活动对气候环境影响的各种信息。利用雪冰中记录的相关信息,目前已经成功获取了近80万年来的气候变化记录[4]。

同冰芯相比较,雪坑一般是对几年、几十年的积雪的物理和化学特征进行研究,提取短时间的气候变化记录。对雪坑的研究可以积累有关冰盖物质平衡变化、降雪化学成分变化、大气物质来源及其构成变化、冰盖温度场变化及气候情况的第一手资料。利用雪坑记录同时可以研究雪气界面的现代过程,也可以研究积雪沉积后的物理化学变化以及这种变化对气候环境记录真实性影响的程度。已有研究发现降雪、积雪沉积和积雪沉积气候存在着一系列的物理化学过程,有些过程改变了降雪中的原始气候记录,从而影响到冰芯气候记录的真实性[5],利用雪坑研究可以对冰芯记录进行修正,确保其气候记录的准确性。此外,随着研究的深入需要提取高分辨率的气候记录,这些都需要通过雪坑研究以对冰芯记录进行完善。

南极Dome A地区极低的风速、表面雪特征和明显的垂直下降流特点,说明该地区直接接受平流层的沉积,这里的气候环境代用指标可以代表地球气候变化的平均状态。同时Dome A是南极冰盖的最高点,也是东南极冰盖分冰岭的最高点,是地球气候动力系统中的重要驱动源,因此我国即将在该区域开展深冰芯钻探项目。由于Dome A被称为“不可接近之极”,我国直到2005年才第一次到达南极Dome A顶点区域,2007/2008年第二次到达Dome A顶点区域,目前针对Dome A地区开展的研究仍非常少,同时受到低积累率和采样要求的影响,目前仅进行过积累率等相关研究,采样密度较小,尚未进行过时间分辨率为季节的气候变化特征研究。虽然在距离中山站1100km的边缘区域曾进行过雪坑离子分析,但该区域积累率相对于Dome A顶点核心区域高很多[6, 7],对该雪坑研究发现近20年来离子浓度总体为升高趋势(这一结论在Dome A区域尚未研究证实),同南极冰盖其它区域表现出不同的变化趋势[6],因此急需在Dome A地区开展相关研究工作以弥补该区域的研究空白。

   虽然目前在南极冰盖已开展了较多雪坑离子分布特征的相关研究,但由于南极冰盖广袤的面积和气候状况的区域复杂性,在不同区域进步一开展类似研究仍是必要的,甚至是在过去开展过研究的地区,仍然有必要进行不同时间尺度和分辨率的相关研究。本研究拟以中国第26次南极考察期间在Dome A核心区域挖取的300cm深度雪坑,1cm间隔采样所获取的雪冰样品为研究对象,对其中的主要离子成分进行分析,以期获得近几十年来Dome A区域高分辨率离子浓度变化特征,进而揭示几十年来东南极高原中心地带的气候特征,明确该地区现代气候环境区域特征,对气/雪界面物质转化过程有深入了解,既可以填补地域上的空白,也为我国拟开展的深冰芯研究提供了重要的研究基础。


研究内容与工作目标:

2.1 研究内容

本项目研究内容分为以下4个方面:

(1)300cm深度雪坑定年

雪坑样品定年是开展相关气候记录研究工作的核心和基础,根据已有Dome A区域积累率的相关研究推断该雪坑跨越的时间尺度约为50年。已有研究发现Dome A边缘区域雪层中季节性参数δ18O变化不明显,本研究主要利用阴阳离子的季节变化特征来进行定年,在离子中优选Na+等含量稳定、季节变化特征明显的离子进行定年;同时结合可见的地层学剖面分析来确定年层。此外,由于一些火山喷发信号在南极雪冰中有明显的记录,相应的雪层给出了该年层积雪的绝对年龄,以此为定年辅助手段。

(2)几十年来Dome A积雪离子浓度变化特征

通过离子浓度分析和雪坑定年结果,研究几十年来Dome A地区积雪中离子浓度的变化特征,并同南极其它区域离子变化进行对比,结合近年来相关的气象和气候记录,进而探讨Dome A区域几十年来气候环境的变化特征,并对离子主要来源进行分析。

(3)Dome A地区积雪中NO3-沉积后过程

通过测定雪坑NO3-的含量探讨Dome A区域NO3-是否存在沉积后丢失过程;通过雪坑记录寻找NO3-的季节变化信号,探讨NO3-沉积后再分配过程对其季节分布的影响;通过与相关环境因子及样品中共存杂质的分析,寻找NO3-沉积后过程的主要影响因素。

(4)雪坑记录的火山信号

通过雪冰中nss- SO42-的浓度分析,寻找300cm雪坑中记录到的火山活动信息;通过nss- SO42-的在不同火山事件雪层中浓度的差异探讨不同区域和喷发强度的火山事件在东南极冰盖最高点Dome A区域记录的信号强度;同其它研究横相比较,探讨积累率、微地形、火山物质传输途径等对火山信号强弱的影响。

2.2 工作目标

本项目依托中国第26次南极内陆考察期间在Dome A采集的300cm深度雪坑样品开展相关工作。总的目标是通过离子分布特征明确Dome A区域气候环境的独特性,探讨该区域雪冰中主要气候环境替代指标的适用性和可靠程度。具体的工作目标有:

(1)高分辨率恢复几十年来Dome A区域积雪中可溶性离子的浓度变化特征,时间分辨率达到季节;对雪冰中主要离子进行溯源分析。

(2)明确Dome A区域NO3-沉积后过程,讨论NO3-沉积后再分配过程对季节变化信号的影响;

(3)寻找几十年来全球火山喷发事件在Dome A雪坑中的记录,探明火山信号记录强度的主要影响因素。