是的，南极冰芯中的气泡确实被誉为“古大气的化石”，它们是研究过去百万年地球大气成分（包括氧气含量）最直接、最宝贵的档案之一。其原理和分析过程大致如下：
1. 冰芯如何形成并封存古大气？
- 积雪成冰： 南极大陆年复一年降雪。新雪疏松多孔，包含大量空气。
- 压实与封闭： 上覆积雪的重量不断压实下方的雪层。随着深度增加，压力增大、温度降低，疏松的雪逐渐变成粒雪（firn），最终变成致密的冰川冰。
- 气泡形成： 在压实过程中，粒雪层中的空气通道逐渐被封闭。当冰达到一定密度（通常在雪层下方约50-120米深），空气不再能自由流通，就被封闭在冰体中，形成微小的气泡。
- 时间胶囊： 这些气泡一旦被封闭，其内部的空气成分就被“冻结”在那一刻，不再与外界大气交换。随着冰层不断下沉和积累，更古老的冰层位于更深处，其中封存的气泡也就代表了更古老时期的大气。
2. 如何从中还原古氧气含量？
氧气（O₂）含量是古大气研究的一个重要指标。分析过程非常精密：
- 冰芯钻取与处理： 科学家在南极冰盖上钻取深达数千米的冰芯。这些冰芯被小心地分段保存并运回实验室，全程保持低温，防止融化或污染。
- 气泡气体提取：
- 干法提取： 最常用的是在超高真空环境下，用特殊工具（如碎冰器或研磨器）在低温下（通常低于-20°C）将冰样破碎。释放出的气体被收集到真空系统中。
- 湿法提取（融化法）： 有时也会在严格控制下融化冰样，并立即收集释放的气体（需考虑气体在水中的溶解度差异）。
- 气体成分分析：
- 质谱分析： 提取的气体被送入高精度质谱仪。质谱仪可以精确测量混合气体中不同分子（如N₂, O₂, Ar, CO₂, CH₄等）的相对丰度（通常是体积比）。
- 关键指标：氧氮比： 对于氧气含量，科学家主要关注的是氧气与氮气的体积比（O₂/N₂） 或 δ(O₂/N₂)（表示与标准大气的比值偏差）。选择O₂/N₂的原因是：
- 稳定性： 氮气（N₂）在大气中极其惰性，几乎不参与生物地球化学循环，其大气总量在万年尺度上被认为基本恒定（有微小变化，但相对很小）。
- 基准： 因此，N₂可以作为基准。测量气泡中封存的O₂相对于N₂的比例变化，就能反映出当时大气中O₂的绝对浓度变化。
- 校正分馏效应： 在冰芯气泡封闭过程中和之后，由于物理过程（主要是重力分馏和热扩散），气泡内的气体组成会与当时的大气组成有轻微偏移（主要是重同位素分子富集）。科学家通过精确测量惰性气体氩（Ar）的同位素比值（δ⁴⁰Ar）或氮同位素比值（δ¹⁵N）来量化这种分馏效应，并据此对测得的O₂/N₂比值进行校正，从而得到更接近当时实际大气组成的O₂浓度值。
3. 还原古氧气含量的意义与发现
- 追踪地球系统变化： 大气O₂浓度是地球生物地球化学循环（主要是碳循环）的关键指示剂。它的变化反映了：
- 全球净初级生产力（光合作用 vs 呼吸/分解）： O₂的主要来源是光合作用，主要消耗是有机物氧化（呼吸、分解、燃烧）。
- 岩石风化作用： 硅酸盐岩石风化会消耗大气O₂（通过氧化作用）。
- 火山活动与海底扩张： 释放还原性气体（如H₂, CO）会消耗O₂，新地壳形成也涉及氧化还原反应。
- 有机碳埋藏： 当有机碳（由光合作用固定）被埋藏到沉积物中不被氧化时，相当于净产生O₂。
- 化石燃料燃烧（工业革命后）： 显著消耗O₂。
- 主要发现（基于冰芯记录）：
- 相对稳定： 在过去80万年（甚至更久）的冰期-间冰期旋回中，大气O₂浓度表现出惊人的稳定性，变化幅度很小（通常小于0.2%）。
- 缓慢下降趋势： 尽管稳定，但冰芯记录显示在工业革命前的几千年里，大气O₂浓度存在一个非常缓慢的下降趋势（约每百万年下降0.03%）。这可能与缓慢增加的有机碳氧化（如湿地扩张）或硅酸盐风化速率变化有关。
- 工业革命后的加速下降： 工业革命后，化石燃料燃烧导致O₂消耗速率剧增。现代大气监测清晰地记录了这一加速下降（约每年下降百万分之几）。
- 冰期-间冰期波动： 在冰期-间冰期旋回中，O₂浓度存在微小的、系统性的变化（通常在冰期时略高）。这被认为与冰期时海平面下降导致的大陆架有机碳暴露氧化（消耗O₂）和低温导致海洋溶解氧增加（间接影响O₂溶解度）等因素有关。
4. 挑战与极限
- 时间范围： 目前最深的南极冰芯（如Dome C的EPICA冰芯）覆盖了约80万年。更新的项目（如Beyond EPICA - Oldest Ice）旨在获取150万年前的冰芯。超过百万年的冰芯，气泡可能会在巨大压力下发生形变甚至溶解到冰晶格中（形成笼形化合物），提取和分析更加困难，数据的可靠性和分辨率会降低。
- 分辨率： 冰芯气泡记录的是“平均”大气成分。由于气泡封闭过程需要时间（在粒雪-冰转化带持续数十年甚至上百年），它代表的是几十年到百年尺度的平均状态，无法捕捉短期的瞬时变化。
- 测量精度： O₂浓度的自然变化非常小，要求分析技术具有极高的精度（优于0.01%）。
- 分馏校正： 精确校正封闭过程和后期埋藏产生的分馏效应至关重要，是准确还原古O₂浓度的关键。
结论
南极冰芯中的气泡确实是封存百万年古大气的宝贵时间胶囊。通过高精度的气体提取和分析技术（特别是测量O₂/N₂比值并进行分馏校正），科学家能够相当可靠地还原过去数十万至近百万年的大气氧气含量。这些记录揭示了大气O₂在长时间尺度上的相对稳定性和微妙的波动规律，为理解地球生物地球化学循环（尤其是碳循环）与气候系统之间的相互作用提供了关键证据。它们是研究地球系统演化的不可替代的窗口。
