南极冰盖中封存着一个地球过去环境情况——气候和大气污染残余的资料库。
过去10年间，南极冰盖已被证明是一个有关地球过去环境情况的资料库。锁入冰层中的杂质等于是冰最初以雪的形式降落地球时大气情况的一张快照。通过仔细的探测，冰川学家成功地将冰的组分同包括气温、大气尘埃含量、火山活动、太阳活动及许多空中污染物在内的范围广阔的重要环境特性联系到了一起。
南极冰盖厚达5公里，集中了世界淡水总量的90%左右。它远离任何工业中心，其中大部分又都远离海洋和浮露岩石。它由地球上纯净的天然水组成，即使是几种主要元素，含量也仅为10亿万分之几，其纯度足以与实验分析级的水相比。南极的许多地方是荒漠，有一半以上地区年降雪量还不抵10厘米的水。这些雪即使在夏季也不会融化。因此，每年都有一层新雪积压在上面。雪层沉入冰盖、凝结为冰。压在上面的冰产生一种水平应力，使冰层渐渐变薄，从而引起冰盖向外滑动。
南极的一部分地区，几乎没什么雪。100米深的钻孔便可穿透基督时期以来的冻冰。穿透90%冰盖的钻孔一般都为2万至20万年间的冰。在下伏基岩表面的不融化区，最古老的冰可能达100万年以上。雪降落时，带走了大气中的细烟粒——大陆尘埃、海盐、火山粒、宇宙尘和工业污染物，它们与捕获的大气气泡一起凝结在冰中，并被无限期地保存在里面，不再发生生物或化学变化，从而成为一份大气特性的地层学资料。其清晰度和稳定性超过地球上任何其他的沉积过程。
过去170万年间，地球表面的1/3常常都是类似今天南极和格陵兰那样的冰盖。我们目前的气候似乎是冰期之间一个异常温暖和比较短的全新世间冰期。美国James Hays和Johnimbrie同联合王国的Nick Shukleton对深海岩心的先行工程，为冰期时间的计算同地球轨道的几何学变化之间的联系提供了有力证据。但地球过去进入和脱离冰期状态的速度，不能仅仅归因于这些变化。我们还必须探寻其他原因，诸如太阳输出的变化，火山尘传播数量的变化，表面反照率的变化。这些变化与适宜的轨道几何学变化一起才可能激发冰期。在有文字记载的历史范围内各个地质年代的气候变化，尽管比转入冰期的变化要小，但对人类生活质量具有重要意义。人类活动本身现已成为气候平衡中一个重要因素。到本世纪末，空气中增加的二氧化碳含量对气候变暖的影响，可能会明显超过纯粹自然的变化。人类预报未来气候的能力，将大量依赖于对过去气候变化情况的了解。对自冰盖中挖出的冰核的研究，可使我们了解过去的气候情况，和同时发生的大气组分的变化。许多国家都在格陵兰和南极共同进行研究，因为这是确定全球范围有记录的变化，和确定这些变化是否同时发生所必不可少的。
南极的冰盖钻探
南极大陆第一个真正的科学探险队出现于19世纪40年代和50年代。科学家很快发现了钻探冰盖的潜在价值。至1950、1951年冬季，挪威、英国、瑞典三国联合组成的南极探险队，使用改进的凿岩设备凿得第一个长100米的冰核。这个冰核后来被带回到美国的实验室中进行了化学分析。南极科学家在钻透到冰盖深层之前还有许多问题需要解决。有时300米似乎可能是钻探的实际限度。因为捕获在这个深度中的气泡是高度压缩的，冰核一旦被移动，往往会破裂，不再受到上面冰的压力。此外，钻出的深孔中如果没有与冰同样密度的液体，如“南极柴油”充填的话，那么引起冰盖滑动的同样的力也会使它毁掉。
1966年，美国对格陵兰Century营的冰盖的调查促使钻探技术得到了极大提高。二年后，美国陆军寒带研究实验室在伯德站钻透到了2164米深处的下伏基岩。那二个冰核均深入到了距今最近的冰期（武木期或威斯康辛期——大约75000 ~ 10000年以前）。这个发现引起了科学界的想象，并刺激了进一步的钻探。自那时以来，在南极钻了大约150个孔。然而，钻探深度迄今没有超出500米，达到过基岩，钻探深度现正在改变为1000米，在这个技术要求略有降低的深度，可以获得化学上清洁的冰核。这些冰核适于进行微量杂质方面范围广阔的研究。只要仔细选择钻探场地，是能够达到这个深度，并获得威斯康辛期的冰样的。同时，在伯德站钻得的冰核——已在纽约州立大学附近的工业冷冻器的封闭管中储存了15年——随着新的分析技术的掌握，它依然能为人们提供有价值的资料。
气候资料
哥本哈根大学的Willi. Dansgaard教授，是认识到稳定同位素对冰核的研究极为有用的第一人。60年代期间，他完善了揭示冰核中气象记录奥秘的强大技术。他的方法是依据这样一个事实：雪中的煎稳定同位素，氧 - 18和氚的比率，主要是受水蒸气生成区的温度，与南极上空的最后冷凝温度之间的差异控制的。含有重同位素的水分子较难蒸发，而较易冷凝。生成水蒸气的大部分副热带地区，夏天和冬天的情况是一样的。因此，极雪的稳定同位素比明显遵循极地周围表面温度的季节变化。这一般是根据样冰中的同位素比，与海水中典型的同位素比的偏差来测定的，用“δ”来表示，以千分之几来计量。在雪量充足的地区，人们可以用往下计数雪层的方法来确定冰核上面部分的年代。就像通过数年轮可以推算出树龄一样。
当一个气团向较高纬度移动，或上升至较高高度，雪的δ值也随着含重同位素的水分子优先冷凝而下降。在许多南极冰盖上面，现今积雪的平均同位素成分同年平均气温之间几乎是一种线性关系。可是，同样的关系也适用于过去吗？我们能利用它来解释冰核中的情况吗？对这个问题，唯一满意的试验来自这样的研究：即根据冰盖深处的温度变化曲纹可算出表面处温度的长期趋势。
就以伯德站来说，最近退休的Gordon Robin便据此推知出过去4000年间的基本温度变化。它与根据同位素曲线计算出来的温度变化是一致的。因此，尽管一些冰川学家至今认为将δ值的变化直接转换成绝对的温度变化是没有道理的，但事实上两者之间可能存在着强有力的联系，即便是在数万年以前的冰川颤动年代。
伯德核在南极提供了同位素记录可追溯到距今最近冰川期的第一个机会。13000 ~ 11000年前δ值突然变化，它提供了随着地球脱离冰期，温度增加约7 ~ 8°C的明显证据。具有6万年左右历史的底冰是在温度稍比现在高些的时朔形成的。然而，任何人试图解释伯德核的详细特性都面临一些问题。
伯德核在移动冰中钻出，核底部的冰产生100多公里长的钻探场逆流。冰期期间，冰的厚度较大，考虑到表面高度对温度变化的影响，计算时使用了改正系数。杜敏高 · 雷诺（Doninique Raynaud）在大气压与捕获在冰中气泡里的气体数量之间建立了一种简单的，然而却是巧妙的联系。假如仅只几克冰，那么，确定它形成处的高度是可能的。
利用获自伯德核的经验，最近的深层钻探集中于具有简单冰流形式的地方。现在的钻探场主要是根据其科学上的适合性，而不是靠近观测站的后勤方便性来选择的。冰穹C位于南极东部地区一个主要的冰流中心，那儿冰的水平移动即使在几千年中间也是极微小的。
苏联的南极小组在东方站继续加深了钻孔深度。该钻孔不是位于冰穹上，而在冰盖的稳定部分，那儿的冰流不太可能发生过变化。
尽管对钻探来说，冰穹C在许多方面都是理想的，但就其他方面（3240米的海拔高度，-53.5°C的年平均气温）来说，它是一个令人生畏的地方。
无论是东方站还是冰穹C，迄今都还没像伯德核那样穿透到过威斯康辛冰期，但三个核的主要特性是一致的，都证实：它们是大规模气候变化的结果，而非地区现象。冰穹C核的年代特别准确。法国小组第一次将核中发现的情况与海洋沉积的资料联系到了一起。但只有当各种来源的气象变化证据，以这个方法集中到一起时，冰核资料才将有可能被充分利用。
原因和结果
大气组分的变化具有重要意义，它们可清楚地显现出由同位素分析所揭示的气候变化中的因果关系。冰穹C和伯德核都表明，寒冷期通常与大气中尘埃增加有关。最惊人的是，距今最近的冰蚀顶点期间，矿物尘和海盐的数量比冰后期增加8倍之多。大部分尘粒的大小都小于10 μm，这表明它们已历经了漫长距离。因此它们可能是在其他大陆产生的。二个可能性最大的尘埃来源是岩石与土壤的风化和火山活动。最近使用电子扫描显微镜与能分散X射线分析仪进行的研究表明，灰尘主要来自地壳。一般被认为完全是风化生成的石英，自间冰期至冰期的过渡时期，在冰穹C核中增加了20倍。这一情况与所观测到的威斯康辛冰期灰尘粒子较粗的情况——并起来考虑，使克劳德 · 洛里斯（Claude Lorius）得到启发：气候变化是冰期环境的结果，而不是原因。他争论说，冰期中间，由于从极地到赤道的温度梯度较大，大气循环也较活泼。同时，南半球大陆更加干燥，副热带沙漠地区——多半是灰尘的发生源——可能比现在大5倍。虽然大气尘埃的增加似乎遵循气候的变化，但其浓度达到它能通过散射和吸收太阳辐射而影响到气候之点，那也是可能的。石英粉尘的光学特性是如此强烈，以致它们可能引起地球表面冷却。因此，在威斯康辛冰期，和随空气污尘下降而来的较快变暖的时期中，都可能有一种正反馈作用。
尽管火山活动现在似乎不太可能作为对威斯康辛冰期中灰尘大量增加的解释。但海洋沉积岩心表明、在冰期最冷时期，火山的爆发活动大大增加。伯德核被钻出时，对其中几个火山灰夹层进行了试验性鉴定。俄亥俄州大学极地研究所的洛林 · 汤姆逊（Lonnie Thompson）现已对这些火山灰夹层进行了仔细得多的检查。他发现，大多数较大的粒子（60 ~80 μm）是火山玻璃碎屑，这些碎屑在威斯康辛冰期更为常见。火山玻璃在冰穹C核的后冰期段似乎也更加丰富。这些玻璃具有类似的化学组成，它们似乎来自一个当地的源泉，可能是离伯德站450公里左右的一个年轻火山。
人类活动的其他产物可能不会使大气负担增加到足以影响气候的程度，但这些产物极小的浓度对人类也是有害的。DDT，铅，放射性沉降物，和数以百计的其他无机和有机化合物释放进大气后、待留一会，最后都回降到地面和海洋。它们可能随着大气循环飞行几百公里：它们可能引起的酸雨和生态破坏已被认为是一个国际问题。
自美国城堡试验“Bravo”（一个特别肮脏的炸弹）1954年在比基尼环礁爆炸以来，在整个南极检测到了热核武器试验中产生的沉降物。这个沉降层和1964年苏联进行的核试验，为确定雪层的年代提供了参考水平。这些雪层可用比较简单的放射物计数器识认。更加惊人的结果是，一组来自加利福尼亚大学的科学家，在冰穹C的1965 ~ 1966年雪层中发现了非同寻常的同位素钚。科学家认为，这些同位素残余是溅落在印度洋的美国SNAP-9 A导航卫星中一公斤燃料元件燃烧的产物。在格陵兰雪层中也测到了同样的情况。
最近几年中，人们对重金属，特别是铅日益增加了研究。因为这些物质即使很低的浓度对人类也是有害的。大气中的放射物自工业革命以来明显增加了。大自然中存在着产生硫和重金属的源泉（如火山、岩石风化和海洋），因此，如果科学家要对人类活动的影响作出可靠的估计，他们必须对大气以前的自然状态确立一个参考水平，必须研究主要污染物在全世界的分布形式，以及随着工业化的进展，它们发生了怎样的变化。美国清洁空气地球物理监测台对现今南极烟雾的直接测量表明，烟雾的海洋和地壳灰尘成分中的重金属比正常比率高出1至4个数量级。这个富集是与全球污染相关？抑或是这些比较挥发的成分增加浓度的自然富集过程的结果？在英国南极考察队，我们对降雪的研究表明，雪的化学组成与表面附近清洁空气的组成之间具有密切关系。这个关系在几个世纪中不太可能发生过变化。因此我们只要将最近下的雪的组成，与工业革命前的极冰组成作一番比较，便能确定最近的污染量。
过去十五年中各种各样的小组多次做过这个显然简单的实验，但还是未获明确的结论。南极雪非常纯（100吨雪中仅含铅1至2毫克），因此，样冰在收集、储存和运至实验室进行分析中间，存在着许多遭污染的可能。研究小组必须研究出可靠的程序，以便使极微小的浓度能为现有最敏感的分析技术所察觉。英国南极考察队的科学家Eric Wolff现在能在仅汉2克的冰样中确定铅的含量。冰川和地球物理实验室的Claude Boutron从内陆南极获得了最可靠的历史资料。没有重要的迹象表明，在过去100年中，南极的重金属增加了。
可是在短时期中，重金属浓度却有高达5倍的大变动。鲍登（Boutron）暗示，其中一些数据资料相应于过去的火山活动。然而，我们在季节变化表上发现了类似数量级的变化。季节变化显然主要是受气候发展过程控制的。加利福尼亚州技术研究所的Clair Patterson最近对从伯德站挖出的一部分1500年的深层冰核进行了分析，她对古代南极冰的铅含量确定了一个新的上限：100吨雪中含0.12毫克。如果这块样冰是典型的话，那么自公元前大约500年以来，铅浓度可能增加了至少十倍。大部分可能是日益增加的工业活动，及最近几十年汽车中使用加铅燃油的直接结果。
虽然来自格陵兰的证据表明，在过去40年中，铅瓣的浓度增加了2 ~ 3倍，然而我们必须把这些看作为下限。因为这些增加参照的基准水平已被污染人为地提高。如果我们将目前的铅浓度，与最近在一个3000年之久的格陵兰冰核中心确定的浓度值进行比较的话，那么增加可能达300倍。因此、铅污染是一个全球性问题。我们应该尽一切努力，从单一的、特征鲜明的冰核中获得可靠的时间序列数据。以便提高我们对铅的地球化学旋回的认识。获自格陵兰和南极的不同结果可能反映了这样一个情况：释放到大气中的铅放射物90%发生在北半球，赤道对南北半球之间上部大气中烟雾的传是一道有效的屏障。
在南极，工业活动中产生的硫对相当稳定的硫酸盐自然背景影响不大。这个稳定的硫酸盐自然背景，主要是在海洋表面的生物所产生的含硫气体氧化所致，而本世纪开始以来，格陵兰的硫酸盐增加2倍却引起了人们注意。但是还有来自火山活动的零星输入，特别是在二次重大的火山爆发（一次是1883年，一次是1963年，二处都在印度尼西亚）之后的几年里，在雪层中观测到了硫酸盐的大量增加。
南极的非气体污染唯一明确的证据是DDT的发现：本文作者在哈利湾站的内陆冰盖表面附近的雪中辨认出了浓度为1/1013的DDT；不久前，加利福尼亚州大学的Robert Riseborough在南极半岛获得了类似的数值；在南极企鹅和海豹中测到了更高的浓度。但与周围环境相关的富集浓度与其他地方获得的数值是一致的。因此，空运似乎是BDT到达那儿的最重要途径。为此，Riseborough在彻底控制的条件下，仔细地使用预清洁设备，在冰穹C收集了样冰。遗憾的是，一个因素超出了他的控制范围——用于运输设备的飞机内部用DDT消了毒。
迄今为止，人类对南极环境似乎仅只有有限的影响。但现实是，我们已能在世界的这样一个遥远部分测出一些后果，这一点必须提醒我们注意污染问题的全球性。幸运的是在极地冰盖中保存着一个关于地球过去环境的详细资料库。只有认识我们祖先的活动对其后来环境的影响，我们才将能预报出未来发展的结果，从而也才有可能避免损害我们自己和地球的生物圈。
[New Scientist，1983年5月]