【科學講堂】分析冰塊氣體含量 探「冰河周期」延長之謎

眾所周知，地球在過去曾經歷過周期性的冰河時期，有規律地進入廣泛結冰的狀態。然而，大約在一百萬年前的更新世中期（Mid-Pleistocene），冰河期的周期由大約四萬年延長至十萬年左右。驅使此周期改變的背後因素為何，一直是科學界關注的焦點。近期，有研究團隊從南極冰芯中取得了更多相關數據，本文將就此進行探討。

南極的冰層「封存」了遠古時期的空氣與水分子，是探索過去地球環境狀況的珍貴資料庫。以南極的艾倫丘（Allan Hills）為例，該處的強風會將較年輕的表層冰雪吹蝕，使得年代久遠的古老冰層更容易在淺層表面被發現。

2019年至2023年期間，研究團隊在艾倫丘鑽取了三段冰芯。這些冰芯最深達地下二百米，涵蓋了距今六百多萬年前生成的冰層，為研究一百多萬年前冰河周期的轉變提供了關鍵數據。

然而，由於冰層在該區域的流動較為複雜，導致這些冰芯中不同年代的冰層分布呈現不連續且混亂的狀態。

為此，研究團隊運用了氬-40（Argon-40）這種穩定同位素來測定每個冰芯樣本的年齡。由於氬-40會在大氣中以相對固定的速率累積，因此透過測量冰芯氣泡中氬-40的濃度，便能推斷冰層的年代：濃度愈高，代表冰層愈年輕。儘管此測年方法的誤差幅度約達百分之十，但仍足以讓科學家對冰層樣本進行相對可靠的年代排序。

此外，研究人員分析了冰芯氣泡中的二氧化碳濃度，發現在距今二百九十萬年前至一百二十萬年前期間，地球大氣的二氧化碳濃度下降了不到百分之十；且在冰河周期發生轉變的時期，二氧化碳濃度並未出現劇烈波動。

這一發現與過往的科學認知有所出入：過去涵蓋八十萬年的連續冰芯紀錄顯示，全球氣溫與二氧化碳濃度應與冰河周期的轉變密切相關；科學界曾推測，二氧化碳濃度的下降會增加冰川消退所需的能量，進而使冰河周期延長。但本次的研究結果卻暗示，大約一百萬年前出現的冰河周期轉變，可能與二氧化碳濃度的變化沒有太強的直接關聯。

利用惰性氣體估算海水溫度

另一方面，科學家也能利用冰芯樣本推算出古代海洋的平均溫度。由於不同的惰性氣體（Noble gases）在海水中的溶解度會受溫度影響而有所差異，因此透過比較冰芯氣泡中不同惰性氣體的相對濃度，便能推估當時海洋的平均水溫。

研究指出，從三百萬年前到二百萬年前，全球海洋平均溫度僅下降了約攝氏一度；而在冰河周期發生轉變的關鍵時期，海洋平均水溫亦無顯著變化。

這與近期的其他研究結果形成了對比。2024年一項針對海洋沉積物紀錄的分析指出，在一百萬年前冰河周期轉變時，海洋表面溫度曾出現大幅下降。這種「海洋平均溫度不變，但表層水溫下降」的現象，可能意味着當時有其他機制導致海洋的分層結構與洋流循環發生了重大改變。

小結

本文分享了兩項與過往認知有所不同的最新研究成果。這些新發現雖然仍有待科學界進一步驗證，但也為我們理解地球氣候的演變開啟了全新的視角與研究方向。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。