9月26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。團隊首次在國際上對冰芯進行了氬-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。
一位審稿專家表示，“我確信這篇文章將成為一個重要的參考工作，為未來的相關研究指引方向。”
新提取出來的羌塘冰川冰芯 極地未來 攝
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，也就是水分子中氫、氧同位素比例可以反映溫度變化；第二類是冰芯中大氣成分和含量，如二氧化碳、甲烷等溫室氣體可以揭示大氣成分變化的過程。”田立德介紹說。
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。
可以說，冰芯堪稱保存大氣環境的“獨特檔案”，而掌握冰芯準確的年代信息是解碼檔案的第一步。
2014年5月，田立德與同事們在海拔5900米青藏高原“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℃的冷庫里。
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。其次其所處緯度人類聚居，活動軌跡多，冰芯記錄的歷史、現實與人類生存環境更加息息相關。”田立德說，這使得青藏高原冰芯研究工作尤為重要，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”。
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”？是田立德團隊接下來面對的課題。而中國科大盧征天團隊正好擁有打開這份檔案的“鑰匙”。
科考隊在青藏高原羌塘冰川鉆取冰芯 極地未來 攝
半個世紀的難題
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。
“這些同位素是自然界的天然時鐘。”盧征天介紹說，一方面，它們均勻分布在大氣中，其惰性使它們免受化學反應。并且它們在大氣中的產生與其衰變處于平衡狀態，使其同位素豐度（稀有氣體同位素與穩定氣體同位素的比值）比較穩定；另一方面，一旦它們與大氣環境隔絕，比如被封閉在冰里，這時由于沒有新產生的同位素補充，其同位素豐度會按照核衰變規律逐年減少。
因此可以通過分析樣品里的放射性同位素豐度，反演出樣品年齡。這就是放射性同位素定年的原理。
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，在過去半個世紀以來，冰芯中氬-39的定量分析一直是個難題。
用于氬-39分析的單原子靈敏探測裝置 楊國民 設計
把氬-39抓進原子“阱”里
此次研究中，盧征天團隊采用了一種稱為“原子阱痕量分析（ATTA）”的方法。
這個方法是盧征天早年在美國阿貢國家實驗室工作時發明。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50到1800年前的環境樣品定年。
盧征天以一公斤的現代冰為例，“它里面大概有1萬個氬-39原子。經過一個半衰期（268年）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’樣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，其次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。”
第二步提純。蔣蔚解釋說，“因為取回的氣體里有各種各樣化學成分，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。
“我們前期估算了這根冰芯的年齡范圍在1400年左右，這一年齡段正好與理論上氬-39定年范圍接近。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它冰芯的定年，解決地球科學家多年無法攻克的冰芯絕對定年難題。
田立德表示，“新方法將提高中低緯山地冰川作為氣候檔案的價值。山地冰川不僅分布在青藏高原，還在歐洲的阿爾卑斯山脈、南美的安第斯山脈以及中亞等地區廣泛存在。作為古氣候記錄，它們是南北兩極冰川的重要補充。”
在中國科大激光痕量探測與精密測量實驗室，團隊成員在做實驗 蔣蔚 攝
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，看起來令人眼花繚亂。
蔣蔚介紹說，“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做了比對，對其進行了修正，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等稀有的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接連取得了一系列進展，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，團隊一方面將繼續發展原子阱痕量分析儀器，提高各項指標性能，讓它成為地球科學當中不可缺少的工具；另一方面，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研究。希望能助力我國地球科學家做出重大的原創性結果，在國際合作中起到主導作用。”