古老的南极冰层正在揭示地球气候史中令人惊讶的新篇章，这一篇章追溯至300万年前。通过分析截留的微小气泡和稀有气体，科学家发现，尽管地球——尤其是海洋——显著降温，但二氧化碳和甲烷等关键温室气体的水平仅发生了轻微变化。这一意想不到的不匹配现象表明，冰盖变迁、海洋环流和地球反射率等其他强大力量，在驱动长期气候变化方面发挥了主要作用。
发表在《自然》杂志上的两项新研究揭示了一个令人惊讶的模式。虽然在此期间地球逐渐变冷，但大气中捕获热量的温室气体水平仅略有下降。
一个长期存在的气候谜团
一个多世纪以来，科学家们已经知道大约300万年前地球明显更温暖。证据包括在阿拉斯加和格陵兰等地发现的温带和亚热带森林化石，以及从佐治亚州到弗吉尼亚州的美国东海岸沿线的古海岸线，表明当时海平面要高得多。
然而，这一温暖时期及其随后的降温背后的原因一直不清楚。一个主要的挑战是难以从如此久远的过去准确重建全球温度和温室气体水平。
在南极洲寻找最古老的冰
这项新研究来自美国国家科学基金会最古老冰层探索中心（简称COLDEX），这是一个由俄勒冈州立大学领导的合作项目。该团队致力于定位和分析地球上一些最古老的冰。
这些研究由俄勒冈州立大学博士生朱莉娅·马克斯-彼得森（Julia Marks-Peterson）和莎拉·沙克尔顿（Sarah Shackleton）领导，后者在普林斯顿大学担任博士后研究员期间进行了这项工作，现任伍兹霍尔海洋研究所教授。他们检查了从艾伦山（Allan Hills）回收的古老冰层，这是东南极冰盖边缘的一个独特区域。
与典型的冰芯站点不同，艾伦山包含因冰盖内部运动而被推起和扭曲的冰。这破坏了原始分层，因此研究人员获得的不是连续的时间线，而是过去不同时间点气候条件的“快照”。
“这些快照将冰层气候记录延伸到了比以前可能的更久远的过去，”COLDEX主任、俄勒冈州立大学地球、海洋和大气科学学院的古气候学家埃德·布鲁克（Ed Brook）说，“这些更长的记录现在也提出了关于地球气候演化以及我们能够利用冰芯数据追溯多久以前的新问题。”
封存气体揭示的海洋冷却
一项研究利用保存在截留气泡中的稀有气体的测量值来估算海洋温度随时间的变化。这些气体提供了海洋状况的全球信号。
结果显示，在过去300万年中，平均海洋温度下降了约2至2.5摄氏度。虽然早期的研究记录了海洋表面的冷却，但这项研究发现表层水和深层水的冷却时间存在差异。
“冰中的稀有气体提供了一种观察海洋温度变化的独特方法，”沙克尔顿说，“其他方法可以提供单一地点的海洋温度信息，但这提供了更全球化的视角。”
大部分整体冷却发生得较早，始于约300万年前并持续了约100万年。这一时期与北半球大冰盖的形成相吻合。相比之下，海洋表面温度下降得更为缓慢，直到约100万年前。研究人员认为，这种差异可能与热量在海洋表面和深处之间传递方式的变化有关。
温室气体水平仅显示出微小变化
利用相同的冰芯样本，马克斯-彼得森和她的团队提供了跨越过去300万年的二氧化碳和甲烷水平的首次直接测量数据。
他们的发现表明，在此期间二氧化碳水平总体保持在300 ppm（百万分比）以下。约270万年前，水平约为250 ppm，随后到100万年前略微下降了约20 ppm。甲烷水平则稳定在500 ppb（十亿分比）左右。
一些基于古沉积物的早期估算表明二氧化碳水平较高，但结果存在差异。这凸显了将冰芯记录向更久远的过去延伸以提高准确性的重要性。
相比之下，如今的温室气体水平要高得多。根据美国国家海洋和大气管理局的数据，2025年二氧化碳平均浓度为425 ppm，而甲烷达到1,935 ppb。
塑造地球气候的不仅仅是温室气体
研究结果表明，仅靠温室气体并不能完全解释长期的冷却趋势。其他因素可能发挥了重要作用，包括地球反射率的变化、植被和冰盖范围的改变，以及海洋环流的变动。
“我们希望这项工作能完善我们对过去温暖气候的认知，并加深我们对地球系统不同要素如何相互作用的理解，”马克斯-彼得森说。
更古老的冰可能蕴藏更多答案
这项研究已经引发了新的问题。参与COLDEX的科学家们正在继续探索更古老的冰芯样本，以将气候记录推向更久远的过去。
研究人员最近在一个冰芯底部发现了可能有600万年历史的冰层，目前正在分析这些样本。新的钻探工作也在进行中，以定位更多的古冰层。
科学家们正在致力于改进重建二氧化碳水平的方法，研究冰中封存的其他气体，并更好地理解极古老冰层是如何保存的。这些努力有助于确定未来钻探的新地点，并进一步扩展地球气候历史的记录。
COLDEX得到了美国国家科学基金会极地项目办公室、美国国家科学基金会综合活动办公室科学技术中心计划以及俄勒冈州立大学的支持。南极洲的野外工作由美国南极计划支持并由美国国家科学基金会资助。冰层钻探支持由美国国家科学基金会美国冰层钻探计划提供，冰芯样本管理由位于科罗拉多州丹佛市的美国国家科学基金会冰芯设施负责。