摘要：中国科学技术大学研究人员在古气候研究领域取得重大突破，他们开发的全新技术使用仅1公斤的南极冰样本就能进行精确的年代测定，可追溯至150万年前的气候历史。《自然通讯》期刊刊登了这一成果，为理解地球气候变化历史开启了新篇章。
我国科学家开发出突破性氪-81精确年代测定技术
中国科学技术大学研究人员在古气候研究领域取得重大突破，他们开发的全新技术使用仅1公斤的南极冰样本就能进行精确的年代测定，可追溯至150万年前的气候历史。《自然通讯》期刊刊登了这一成果，为理解地球气候变化历史开启了新篇章。
冰芯是研究员从冰川或冰盖钻取的柱状冰样本，它们就像地球的"时间胶囊"，封存了过去大气中的气体、尘埃和水的化学特征。通过分析这些特征，科学家们可以重建过去的气温、降雨量、大气成分等气候信息。
要从冰芯中获取有价值的气候信息，首先必须确定冰的形成年代。传统上，科学家们通过计数冰层、地层对比或轨道调谐等方法来建立冰芯的年代序列。然而，这些方法在处理底部冰层时往往面临困难，因为这些古老冰层可能已被扰乱或变得极薄。
氪-81是一种在自然界中极其稀少的放射性同位素。它由宇宙射线在地球大气层中与稳定氪同位素发生核反应而产生，在整个大气中均匀分布。这种同位素有一个特殊属性：半衰期为22.9万年。这意味着每过22.9万年，氪-81的数量就会减少一半。通过测量冰样本中气泡里封存的氪-81含量，并与现代大气中的含量相比较，科学家们可以计算出冰的形成年代。
论文的作者之一，中国科学技术大学物理学院，合肥微尺度物质科学国家研究中心的卢征天教授表示："氪-81是理想的放射性计时器，适用于测定3万年到150万年前的冰样本年代。作为惰性气体，氪-81不参与地球化学过程，所以能够保存未被干扰的年代信息。"
虽然氪-81早已被认为是理想的年代测定工具，但它在自然界中的丰度极低：每公斤冰中仅含有约2500个氪-81原子。这一特点使得传统技术需要收集大量冰样本（约40-80公斤）才能进行测量。
中国科学技术大学的研究团队通过开发"全光学原子阱痕量分析"技术克服了这一挑战。该技术使用高亮度、窄带宽的真空紫外光源（124纳米波长）有效地激发氪原子到亚稳态，然后通过激光冷却和捕获技术检测单个原子。
1 千克冰样品进行 81Kr 和 85Kr 分析
研究团队的另一位负责人蒋蔚教授解释道："我们通过开发高亮度、窄带宽的真空紫外光源，显著提高了亚稳态氪原子的产生效率，并将样本之间的交叉污染降低了两个数量级，这使我们能够使用仅100纳升的氪气进行测量，相当于约1公斤的冰，同时将年代测定上限延长到150万年。"
南极泰勒冰川测定
为验证这一新技术的有效性，研究团队与美国普林斯顿大学的冰川学家合作，对来自南极泰勒冰川的两个1公斤冰样本进行了测试。这些样本的年代已通过独立的地层对比方法确定，可以作为验证新技术准确性的基准。测试结果显示，氪-81测定的年代约为13万年前，与地层年代学结果高度一致。
参与研究的普林斯顿大学莎拉·沙克尔顿博士说，"这些冰样本形成于上一次间冰期，大约13万到12万年前，那时地球气候与现在类似，但海平面更高，准确测定这一时期的冰样本对理解当今气候变化具有重要意义。"
这项技术突破为地球科学研究开辟了新途径。研究人员现在可以对以下关键问题进行探索：
青藏高原冰川演变：古里雅冰帽的底部冰层可能超过50万年，而其他青藏高原冰川似乎主要形成于全新世（近1.2万年）。通过氪-81测年可以解决这些冰川的形成时间问题:
格陵兰冰盖稳定性：格陵兰冰芯底部冰层的年代对于了解格陵兰冰盖在过去间冰期是否完全消融具有重要意义。这对预测未来海平面上升至关重要。
西南极冰盖历史：对西南极冰盖不同位置底部冰层的测年，可以提供上次间冰期西南极冰盖融化程度的线索。
寻找最古老的冰：该技术有助于寻找跨越中更新世转型期（约100万年前）的冰芯，这对研究这一重要气候转型期与大气二氧化碳水平的关系具有重要价值。
中科大研究团队目前正与国内外冰川学家合作，系统地将这一新技术应用于格陵兰、南极和青藏高原的冰芯样本。
随着技术的进一步提升，研究人员预计可以进一步提高氪-81检测的效率，从而达到由泊松统计学所决定的基本测年精度极限。简单来说，基本测年精度极限就是科学家在用放射性衰变来推算物品年龄时，精度能达到的最好程度。这个极限不是因为设备不够好或者方法有问题，而是因为衰变本身是随机的，就像掷骰子一样，没法完全预测。它相当于测年精度的极限，原因是放射性衰变是随机的。测到的衰变次数N 越多，精度越高，但 N 总有个上限。
技术力量认为，这一突破性研究是量子物理与地球科学交叉融合的产物，为我们更好地理解气候变化历史提供了新工具，也为应对当今气候变化挑战提供了更坚实的科学基础。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59264-6
来源：技术力量