是的，南極冰芯中的氣泡確實被譽為“古大氣的化石”，它們是研究過去百萬年地球大氣成分（包括氧氣含量）最直接、最寶貴的檔案之一。其原理和分析過程大致如下：
1. 冰芯如何形成并封存古大氣？
- 積雪成冰： 南極大陸年復一年降雪。新雪疏松多孔，包含大量空氣。
- 壓實與封閉： 上覆積雪的重量不斷壓實下方的雪層。隨著深度增加，壓力增大、溫度降低，疏松的雪逐漸變成粒雪（firn），最終變成致密的冰川冰。
- 氣泡形成： 在壓實過程中，粒雪層中的空氣通道逐漸被封閉。當冰達到一定密度（通常在雪層下方約50-120米深），空氣不再能自由流通，就被封閉在冰體中，形成微小的氣泡。
- 時間膠囊： 這些氣泡一旦被封閉，其內部的空氣成分就被“凍結”在那一刻，不再與外界大氣交換。隨著冰層不斷下沉和積累，更古老的冰層位于更深處，其中封存的氣泡也就代表了更古老時期的大氣。
2. 如何從中還原古氧氣含量？
氧氣（O?）含量是古大氣研究的一個重要指標。分析過程非常精密：
- 冰芯鉆取與處理： 科學家在南極冰蓋上鉆取深達數千米的冰芯。這些冰芯被小心地分段保存并運回實驗室，全程保持低溫，防止融化或污染。
- 氣泡氣體提取：
- 干法提取： 最常用的是在超高真空環境下，用特殊工具（如碎冰器或研磨器）在低溫下（通常低于-20°C）將冰樣破碎。釋放出的氣體被收集到真空系統中。
- 濕法提取（融化法）： 有時也會在嚴格控制下融化冰樣，并立即收集釋放的氣體（需考慮氣體在水中的溶解度差異）。
- 氣體成分分析：
- 質譜分析： 提取的氣體被送入高精度質譜儀。質譜儀可以精確測量混合氣體中不同分子（如N?, O?, Ar, CO?, CH?等）的相對豐度（通常是體積比）。
- 關鍵指標：氧氮比： 對于氧氣含量，科學家主要關注的是氧氣與氮氣的體積比（O?/N?） 或 δ(O?/N?)（表示與標準大氣的比值偏差）。選擇O?/N?的原因是：
- 穩定性： 氮氣（N?）在大氣中極其惰性，幾乎不參與生物地球化學循環，其大氣總量在萬年尺度上被認為基本恒定（有微小變化，但相對很小）。
- 基準： 因此，N?可以作為基準。測量氣泡中封存的O?相對于N?的比例變化，就能反映出當時大氣中O?的絕對濃度變化。
- 校正分餾效應： 在冰芯氣泡封閉過程中和之后，由于物理過程（主要是重力分餾和熱擴散），氣泡內的氣體組成會與當時的大氣組成有輕微偏移（主要是重同位素分子富集）。科學家通過精確測量惰性氣體氬（Ar）的同位素比值（δ??Ar）或氮同位素比值（δ1?N）來量化這種分餾效應，并據此對測得的O?/N?比值進行校正，從而得到更接近當時實際大氣組成的O?濃度值。
3. 還原古氧氣含量的意義與發現
- 追蹤地球系統變化： 大氣O?濃度是地球生物地球化學循環（主要是碳循環）的關鍵指示劑。它的變化反映了：
- 全球凈初級生產力（光合作用 vs 呼吸/分解）： O?的主要來源是光合作用，主要消耗是有機物氧化（呼吸、分解、燃燒）。
- 巖石風化作用： 硅酸鹽巖石風化會消耗大氣O?（通過氧化作用）。
- 火山活動與海底擴張： 釋放還原性氣體（如H?, CO）會消耗O?，新地殼形成也涉及氧化還原反應。
- 有機碳埋藏： 當有機碳（由光合作用固定）被埋藏到沉積物中不被氧化時，相當于凈產生O?。
- 化石燃料燃燒（工業革命后）： 顯著消耗O?。
- 主要發現（基于冰芯記錄）：
- 相對穩定： 在過去80萬年（甚至更久）的冰期-間冰期旋回中，大氣O?濃度表現出驚人的穩定性，變化幅度很小（通常小于0.2%）。
- 緩慢下降趨勢： 盡管穩定，但冰芯記錄顯示在工業革命前的幾千年里，大氣O?濃度存在一個非常緩慢的下降趨勢（約每百萬年下降0.03%）。這可能與緩慢增加的有機碳氧化（如濕地擴張）或硅酸鹽風化速率變化有關。
- 工業革命后的加速下降： 工業革命后，化石燃料燃燒導致O?消耗速率劇增。現代大氣監測清晰地記錄了這一加速下降（約每年下降百萬分之幾）。
- 冰期-間冰期波動： 在冰期-間冰期旋回中，O?濃度存在微小的、系統性的變化（通常在冰期時略高）。這被認為與冰期時海平面下降導致的大陸架有機碳暴露氧化（消耗O?）和低溫導致海洋溶解氧增加（間接影響O?溶解度）等因素有關。
4. 挑戰與極限
- 時間范圍： 目前最深的南極冰芯（如Dome C的EPICA冰芯）覆蓋了約80萬年。更新的項目（如Beyond EPICA - Oldest Ice）旨在獲取150萬年前的冰芯。超過百萬年的冰芯，氣泡可能會在巨大壓力下發生形變甚至溶解到冰晶格中（形成籠形化合物），提取和分析更加困難，數據的可靠性和分辨率會降低。
- 分辨率： 冰芯氣泡記錄的是“平均”大氣成分。由于氣泡封閉過程需要時間（在粒雪-冰轉化帶持續數十年甚至上百年），它代表的是幾十年到百年尺度的平均狀態，無法捕捉短期的瞬時變化。
- 測量精度： O?濃度的自然變化非常小，要求分析技術具有極高的精度（優于0.01%）。
- 分餾校正： 精確校正封閉過程和后期埋藏產生的分餾效應至關重要，是準確還原古O?濃度的關鍵。
結論
南極冰芯中的氣泡確實是封存百萬年古大氣的寶貴時間膠囊。通過高精度的氣體提取和分析技術（特別是測量O?/N?比值并進行分餾校正），科學家能夠相當可靠地還原過去數十萬至近百萬年的大氣氧氣含量。這些記錄揭示了大氣O?在長時間尺度上的相對穩定性和微妙的波動規律，為理解地球生物地球化學循環（尤其是碳循環）與氣候系統之間的相互作用提供了關鍵證據。它們是研究地球系統演化的不可替代的窗口。
