把單原子抓進“阱”里給冰芯測年齡

科考隊在青藏高原羌塘冰川鉆取冰芯。極地未來供圖

　　青藏高原海拔5900米處鉆取的109米冰芯，遇上一種基于量子精密測量的新的定年方法，會碰撞出怎樣的火花？

　　近日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授盧征天、蔣蔚帶領的單原子探測團隊與云南大學（以下簡稱云大）研究員田立德帶領的冰川學團隊合作，在美國《國家科學院院刊》發表研究成果。團隊在國際上首次對冰芯進行了氬-39同位素定年測量，為青藏高原羌塘冰川冰芯建立了上千年的精準年代標尺。

　　大氣環境的“獨特檔案”

　　所謂冰芯，就是以打鉆方式從冰川內部取得的芯。一般而言，冰芯從底部越向上年代越新。

　　“這些冰芯記錄了多種氣候環境變化指標，通常分為三大類：第一類是冰本身，水分子中氫、氧同位素比例可以反映溫度變化；第二類是冰芯中的大氣成分和含量，如二氧化碳、甲烷等溫室氣體，它們可以揭示大氣成分變化的過程。”田立德介紹道，第三類是冰芯中含有的各類雜質，比如肉眼可見的塵土，可以推斷出當時沙塵暴活動較多；還有實驗室儀器檢測出的各種化學成分，可以提供自然活動和人類活動的相關信息。

　　因此，冰芯堪稱保存大氣環境的“獨特檔案”，掌握冰芯準確的年代信息是解碼“檔案”的第一步。而我國青藏高原被譽為世界第三極，是中低緯度古氣候研究的寶庫。

　　“不同于南極北極，青藏高原積累雪量大，冰芯分辨率更高。其所處緯度人類聚居，活動軌跡多，冰芯記錄的歷史與人類生存環境息息相關。”田立德說，這使青藏高原冰芯研究工作顯得尤為重要，也正因為如此，青藏高原吸引了來自世界各地的科學家，成為國際冰芯研究的“角逐場”。

　　2014年5月，田立德與同事在海拔5900米的青藏高原“羌塘一號”冰川頂部連續奮戰十多個通宵（白天溫度高，融化的冰屑容易將鉆機卡住），成功鉆取了兩根長達109米的透底冰芯，并常年保存在-17℃的云大冷庫里。

　　這兩根冰芯是什么年代的、包含了哪些信息、如何解碼這份來之不易的“檔案”等，是田立德團隊面對的課題。而中國科大盧征天團隊正好擁有打開這份“檔案”的“鑰匙”。

　　把氬-39抓進原子“阱”里

　　大氣中有三種稀有的放射性氣體同位素，分別是氪-85、氬-39、氪-81。早在1969年，瑞士地球科學家Hans Oeschger和Hugo Loosli就提出了氬-39等是山地冰川的理想定年同位素。

　　然而，檢測它們極為困難。“氬-39同位素豐度極低，可低至十億億分之一。并且這些原子混合在比它多17個數量級的氬原子里。”盧征天說，這種檢測難度就好比在海灘上找到一粒特別的沙子。因此，近半個世紀以來，冰芯中氬-39的定量分析一直是個難題。

　　此次研究中，盧征天團隊采用了“原子阱痕量分析（ATTA）”的方法。該方法是盧征天早年在美國阿貢國家實驗室工作時發明的。其原理是使用精確控制的激光來操縱氬-39原子，把它們捕捉到由六束激光構成的“原子阱”中。原子在阱中會發出熒光，用靈敏的EMCCD相機探測到單個的氬-39原子，并一個一個“數”出來。

　　氬-39的半衰期為268年，它可以對1800年前到50年前的環境樣品定年。

　　盧征天以1公斤的現代冰為例。“它里面大概有1萬個氬-39原子。經過一個半衰期以后，氬-39原子數量就會減少一半，變成5000個；再過一個半衰期，就會再減少一半，變成2500個。隨著時間的推移，氬-39原子數量會越來越少。因此冰芯里氬-39的豐度可以告訴我們冰形成的時間，也就是它的年齡。”

　　那么，問題來了。保存在云大冷庫的109米、約700公斤的冰芯，如何運到中國科大實驗室做研究？

　　“當時，我的同事Florian Ritterbusch博士帶著像高壓鍋的裝置去云大田立德老師實驗室，取出冰芯里面的氣體并帶回中國科大。”蔣蔚說，這是冰芯定年的第一步。

　　為什么要叫它“高壓鍋”呢？“因為它的密封性能好，此外我們真的在鍋底下點火，將冰融化，取出氣體。”蔣蔚笑著說，“你別小看這口‘高壓鍋’，為了取樣，它去過青藏高原、上海、法國巴黎和韓國首爾。”

　　第二步是提純。蔣蔚解釋說：“因為取回的氣體里有各種各樣的化學成分，需要先把其他氣體反應掉，只留下氬氣。”

　　最后把分離出的氬氣放到原子阱痕量分析儀器里，測量氬-39同位素的豐度，算出樣品年齡。

　　在這項研究中，中國科大和云大團隊利用氬-39定年法，最終獲得了整根冰芯的年齡分布，其底部的年齡達到了1300年。

　　“最新合作成果首次證實了氬-39在千年冰芯絕對定年研究中的巨大潛力。”田立德說，氬-39定年技術還可用于青藏高原其他冰芯的定年，解決地球科學家多年無法攻克的冰芯絕對定年難題。

　　計劃建立面向全球的同位素檢測中心

　　在中國科大激光痕量探測與精密測量實驗室，原子阱痕量分析儀器的光學平臺上擺滿了各種各樣的光學元件，令人眼花繚亂。

　　蔣蔚介紹：“這些光學元件都有固定位置，并非隨便擺放。學生們花了幾個月時間安裝調試，使得復雜光路產生用來抓捕和探測氬-39原子的特定頻率激光。”

　　而且，最新儀器的效率也大大提高。“2010年，我們在美國用自然豐度的氬氣做過一個實驗，當時5個小時才能看到1個氬-39原子。” 盧征天說，現在在中國科大，用最新的儀器測量同樣豐度的氬氣，每小時可以探測到10個氬-39原子，計數率比當時提高了約50倍。

　　這項研究中，科研人員還將氬-39定年結果與基于數年層法構建的冰芯年代標尺作了比對，對其進行修正，約束了冰川流動模型，最終建立了基于氬-39結果的新冰芯年標。

　　“這篇文章將會引起冰芯科學家、古氣候學家以及放射性同位素定年專家的廣泛興趣。”另一位審稿專家如是說。

　　盧征天、蔣蔚團隊長期以來致力于發展氪-81、氬-39等稀有氣體同位素的超靈敏檢測技術，使其真正應用于前沿地球科學研究。尖端的測量技術吸引了國內外科學家開展合作，在地下水、冰川和海洋等研究領域取得了一系列進展，顯示了新技術對創新性研究的推動作用。

　　盧征天表示：“下一步，團隊將繼續發展原子阱痕量分析儀器，提高各項指標性能，讓它成為地球科學領域不可缺少的工具。另一方面，團隊計劃在合肥建立一個面向國際的同位素檢測中心，與來自全球的研究小組開展合作，希望能助力我國地球科學家取得重大的原創性成果，在國際合作中起到主導作用。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2200835119