冰凍圈化學(xué)與氣候環(huán)境變化及人類活動(dòng)

冰凍圈化學(xué)組分與人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化密切相關(guān)。在極少人類活動(dòng)干擾狀態(tài)下，冰凍圈化學(xué)組分及其變化由自然環(huán)境過程所主導(dǎo)。然而，當(dāng)人類活動(dòng)深刻影響和改變自然環(huán)境的背景下，冰凍圈中化學(xué)成分及其變化則受到人類排放污染物的主導(dǎo)。冰凍圈化學(xué)組分的時(shí)空格局、遷移、轉(zhuǎn)化和歸趨等過程與氣候和環(huán)境產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)，很大程度上已重塑冰凍圈化學(xué)組分的生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律。冰凍圈化學(xué)在氣候和環(huán)境變化研究中有諸多應(yīng)用，起到了重要的支撐作用，本文僅列舉比較典型的研究例證。

 冰凍圈化學(xué)與氣候環(huán)境變化

冰凍圈環(huán)境介質(zhì)如冰川是記錄全球氣候變化信息的重要載體，其化學(xué)記錄作為一種獨(dú)特的氣候變化代用資料，使冰凍圈化學(xué)廣泛應(yīng)用于全球氣候變化研究之中，已取得一系列重要?dú)夂蜃兓l(fā)現(xiàn)。例如，20?世紀(jì)?50?年代研究人員發(fā)現(xiàn)高緯度冰凍圈地區(qū)降水中穩(wěn)定同位素與氣溫之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，正是這一發(fā)現(xiàn)，使氣候變化研究邁入新的里程。迄今已有大量冰芯氫氧穩(wěn)定同位素歷史重建結(jié)果與近百年來器測(cè)資料研究結(jié)果相一致，表明全球氣候正在經(jīng)歷快速變暖過程。

冰凍圈化學(xué)中氧及硫元素同位素的非質(zhì)量分餾（MIF）效應(yīng)在氣候環(huán)境變化研究中受到研究人員的極大關(guān)注，其在大氣（包括古大氣）的氧化能力及氧化過程、礦床成因、火山活動(dòng)對(duì)氣候的影響，以及硫循環(huán)等研究中顯示出了強(qiáng)大的示蹤能力。近年來，MIF?效應(yīng)也被成功應(yīng)用到冰凍圈相關(guān)研究領(lǐng)域。通過分析格陵蘭冰蓋計(jì)劃?2（GISP2）深冰芯中硝酸鹽?δ¹⁷O?信號(hào)，重建了過去?10?萬年大氣氧化能力的變化情況，揭示了大氣（古大氣）氧化能力隨氣候變化的關(guān)鍵信息；通過對(duì)珠峰南坡墎其爾（Gokyo）湖泊沉積物中硫酸鹽?δ³³S?及?δ³⁶S?信號(hào)的分析，重建了過去?200?年珠峰地區(qū)硫循環(huán)歷史，進(jìn)一步促進(jìn)了人們對(duì)高海拔地區(qū)環(huán)境變化特征的認(rèn)識(shí)。

此外，冰芯中粉塵及其他化學(xué)組分不但記錄干旱化等自然過程，而且能夠敏感地記錄大氣環(huán)流模態(tài)和強(qiáng)度的變化，在反映氣候系統(tǒng)演化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。全球冰凍圈區(qū)域冰芯中粉塵化學(xué)記錄反映出大氣粉塵荷載量和大氣環(huán)流等變化歷史異同。例如，冰芯粉塵記錄表明青藏高原中部和南部?20?世紀(jì)以來粉塵活動(dòng)由于環(huán)流強(qiáng)度變化而呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)。

 冰凍圈化學(xué)與人類活動(dòng)

冰凍圈化學(xué)記錄就像是一部史書，記錄了不同時(shí)期雪冰的化學(xué)狀況，這為“解讀”過去的氣候和環(huán)境變化提供了基礎(chǔ)。工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)在加速改變社會(huì)發(fā)展歷史進(jìn)程的同時(shí)，也給環(huán)境造成了巨大破壞，并逐漸成為影響環(huán)境中化學(xué)元素再分配的重要因素?；瘜W(xué)污染物組分一般以很低的天然含量廣泛存在于自然界中，但人為排放污染物的增多已經(jīng)造成了全球范圍的環(huán)境污染。冰凍圈主要處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，人口相對(duì)稀少且遠(yuǎn)離工、農(nóng)業(yè)排放源區(qū)，受人類活動(dòng)直接干擾較小。因此，可以將人類釋放污染物在極地和山地冰川等冰凍圈環(huán)境中的變化過程，作為評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境影響的代用指標(biāo)。

冰川（冰蓋）和高山湖泊作為冰凍圈的重要組成部分，其化學(xué)成分主要來自大氣的干濕沉降，是大氣成分的天然檔案庫。與其他資料相比，冰川和高山湖泊的相關(guān)研究資料具有記錄連續(xù)、分辨率高、保真性強(qiáng)、沉積后變化微弱的優(yōu)勢(shì)，能夠較為準(zhǔn)確地記錄人類釋放污染物的變化歷史。

冰芯和冰凍圈高山湖泊化學(xué)記錄是解密人類排放污染物歷史變化的重要“指紋”。以重金屬汞（Hg）污染物為例，全球已有多支冰芯和湖芯歷史記錄研究。從圖?2?來看，自工業(yè)革命以來，全球冰凍圈區(qū)域大氣汞沉降均呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，與全球人類活動(dòng)大量生產(chǎn)汞和快速釋放汞污染物密切相關(guān)。隨著人類的環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，近幾十年來歐洲和北美發(fā)達(dá)國(guó)家采取強(qiáng)力減排措施，這些地區(qū)的人類活動(dòng)釋放的汞污染物也呈一定的下降趨勢(shì)（圖?2）。然而，亞洲地區(qū)阿爾泰山和各拉丹冬冰芯汞濃度在最近幾十年仍表現(xiàn)為顯著增加趨勢(shì)，這與亞洲快速的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展密切相關(guān)。研究表明，亞洲已成為人類活動(dòng)汞排放的最重要的源區(qū)，約占全球總排放量的一半以上。

青藏高原冰芯和湖芯亦共同記錄了自工業(yè)革命以來尤其是二戰(zhàn)之后，大氣汞沉降通量快速增加；該記錄與南亞地區(qū)近期人為汞排放的增長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，揭示出南亞地區(qū)人為排放污染物是影響青藏高原大氣汞本底和沉降通量的主要原因。以上事實(shí)表明，人類活動(dòng)釋放的污染物通過大氣傳輸對(duì)全球環(huán)境已產(chǎn)生了重要影響，因此冰凍圈成為評(píng)價(jià)人類活動(dòng)污染程度和歷史變化的理想研究場(chǎng)所。通過冰凍圈介質(zhì)忠實(shí)記錄的事實(shí)，可以警示各國(guó)政府應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格管控和削減大氣污染物的排放。