『壹』 達古冰川簡介
為你奉上，請參考！
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達古冰川是亞洲罕見的現代山地冰川，位於中國四川阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內（東經102.44.15-102.52.46，北緯32.12.30-32.17.06），距縣城30餘公里。海拔3800-5100多米，主要由三個核心區冰川組成。
1992年，日本科學家在衛星上發現了達古冰川，並於同年8月登上了達古冰川對其進行了一周的考察，認為：達古冰川是全球海拔最低，面積最大，年紀最輕的冰川；是離中城市最近的冰川，是冰川區域內目前（1992年）為止所見景色最美麗多姿的冰川。
『貳』 新知｜揭開遠古冰川的行蹤之謎
冰川之景壯麗、神奇，世界上有不少冰川久負盛名，吸引著大批遊客前去探險、觀賞。地球上現存的冰川主要分布在南極、北極和中、低緯度的高山區。只是很不幸，隨著全球氣候變暖，冰川的面積、體積明顯減少，有的甚至發生大規模塌陷或融化消失。
壯麗的冰川之景(圖片來自網路)
一般人並不了解：在漫長的 歷史 變遷中，地球表面的大片區域曾數次被巨大的冰川覆蓋，隨著地球氣候、地質環境的變化，冰川也在變化著、移動著。科學家們意識到冰川變化移動的行蹤里蘊含著對人類研究 地球發展史 有極為重要意義的信息。冰川的行蹤問題被關注已有200年了，只是有些謎題多年來一直未能得到圓滿的解釋。近些年，在某種技術的幫助下，冰川的行蹤之謎終於被揭開了，這個謎究竟是怎麼揭開的呢？
地質學家們說，是 粒子加速器 幫助他們了解了冰川行蹤的真相。
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冰川行蹤之謎
地球表面覆蓋有大規模冰川的地質時期稱為 冰期 ，地球地質史上曾發生過多次大冰期，最近的一次大冰期稱為「 第四紀冰期 」，約從距今200多萬年前開始直到現在。
地球冰期年代劃分(圖中顯示的是年代與溫度的關系)(圖片來自網路)
第四紀冰期的初期，規模巨大的冰川覆蓋了地球北部的大部分地區。由於氣候變化，冰川在經歷寒冷和變暖(稱為間冰期)的交替中有過多次大規模的進退，冰川的移動既有每天以快至30米的速度前進或後退之時，也有慢到以每年約半米的速度移動之時。冰川的移動不僅引起地球地貌的改變，同時還會引起海平面的變化、水系和水文條件的變化、氣候的變化、生物的滅絕及變遷等，對整個地球的環境變化有很大影響。
正因冰川的行蹤蘊含著豐富的地質信息，地質學家們對冰川移動的時間以及路徑的變化十分感興趣，追蹤冰期中冰川的移動信息對研究地球的 歷史 、了解近幾十萬年以來地球的氣候變化、人類生存環境的演變具有 極高的研究價值 。
近200年來，地質學家們對冰期中冰川移動的研究並非一帆風順。他們為理解冰期變化的周期，了解全球氣候波動的地理分布並確定時間年表，想方設法用芹則鋒各種技術手段研究著冰川的行蹤。
冰川行蹤中的某些謎題一直困惑著地質學家們。例如，在相當長的一段時間內，地質學界曾有過這樣一個共識：約18000年前，巨大的冰川覆蓋了愛嫌晌爾蘭三分之二的地域。與此相關的理論模型由當時測算的地質定年數據分析獲得，但直到20世紀初期，用各種技術手段得到的地質定年結果卻差別很大，這就使地質學家們一直對此共識心存疑點。
近些年來，地質學家們得以使用了一項最新的技術，他們得到的新結果令人十分意外：18000年前的愛爾蘭冰川要比原先測算分析的面積要大得多，不僅完全覆蓋了整個愛爾蘭，並且還延伸到離岸很遠的地方。這是一項什麼樣的神奇技術呢？
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地質定年方法
為地質事件確盯察定年代在地球發展史的研究中極為重要，科學家們一直在 探索 能准確地進行地質定年的技術手段。
20世紀50年代中期，美國布魯克海文國家實驗室的雷蒙德•戴維斯(Raymond Davis)(就是那位因研究來自太陽的電子中微子獲2002年諾貝爾物理學獎的戴維斯)與研究產生宇宙環境背景輻射的奧利弗•謝弗(Oliver Schaeffer)合作提出了一個用「 宇宙成因核素 (Cosmogenic Nuclides)」可以較准確地進行地質定年的思路。
雷蒙德•戴維斯(Raymond Davis)(圖片來自網路)
所謂「 宇宙成因核素 」是指來自外層宇宙空間的宇宙射線粒子通過轟擊暴露在地球外表的物質(包括大氣層和地表)在其內部發生各類核反應產生了新的 核素 (具有一定質子數和一定中子數的原子)，包括這類核素的一些 同位素 (即質子數相同中子數不同的一類原子)。
宇宙射線 直接轟擊 暴露在地表的岩石而產生的核素稱為 「原地生成核素」 ，包括 10 Be(鈹)、 26 Al(鋁)、 36 Cl(氯)、 3 He(氦)等。通過測定岩石中宇宙成因核素的濃度，並利用核素的生成量和因剝蝕、放射性衰變而引起的流失量函數可以計算出相應的岩石暴露時間從而確定其年代，這種方法被稱為 「宇宙成因核素測年法」 。
根據這個原理應可以測算出冰川的行蹤。冰川移動後地面或地物才暴露出來，在宇宙射線的照射下這些地面或地物中就會產生某些同位素(產生速率與緯度、高度及組成物的性質相關)。其中一些為 穩定同位素 ，它們的濃度會隨著時間的推移逐漸增高，根據其產生的速率與積累的濃度便可計算出的時間從而確定其年代。另外，還會產生一些 放射性同位素 ，它們的濃度隨著時間的推移在積累的同時又按自身的半衰期在衰減。綜合以上這些條件，測定這些地面或地物中宇宙成因核素的濃度即可確定其暴露的年代，由所測的一系列數據即可較精確地計算出冰川 移動的行蹤 。
20世紀50年代時，戴維斯和謝弗已對某些 原地生成核素 進行了研究，遺憾的是他們提出的這種可以用於測試地表岩石暴露年代的 新思路 在那時沒有引起人們的足夠重視。另一個原因是用這種思路進行研究需要更高靈敏度的粒子探測技術，這在當時還無法實現，地質學家們只能等待相關技術的發展。誰曾想，這一等就 等了幾十年 。
戴維斯和謝弗1955年在《Ann NY Acad Sci》上發表的「Chlorine-36in nature」(圖片來自網路)
20世紀70年代，斯里尼瓦桑(B. Srinivasan)以及橫山幸治(YujiYokoyama)等人對這種宇宙成因核素測年法的研究有了進展。斯里尼瓦桑發現了宇宙成因同位素Xe(氙)(包括 124 Xe、 128 Xe、 131 Xe)，估算了它們的形成速率。而橫山幸治等測定了宇宙成因同位素 22 Na(鈉)和 24 Na的形成，給出了各種鈉同位素形成速率的計算方法。
斯里尼瓦桑、橫山幸治20世紀70年代在《 Earth andPlanetary Science Letters》上發表的文章(圖片來自網路)
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新技術手段誕生
隨著地質學、考古學等研究的發展，對長壽命宇宙成因核素測量的需求越來越迫切，而當時用以進行宇宙成因核素測量的 質譜測量法 及 衰變計數法 靈敏度不夠高，相關領域的科學家們始終 期待著更新的技術手段 。
1977年，美國加州大學伯克利分校的理查德·穆勒(RichardA. Muller)提出了一個提高宇宙成因核素測年法靈敏度的新方法—— 用迴旋加速器來探測長壽命宇宙成因核素 (如 14 C(碳)、 10 Be(鈹)等)。而差不多就在穆勒提出建議的同時，美國羅切斯特大學的研究團隊提出了用 串列加速器 (由兩段或三段靜電加速器組成)測量 14 C的計劃(自然界中的 14 C是一種長壽命宇宙成因核素，對 14 C的精確測量對考古學、地質學、海洋學及生物醫學等領域均有重要的意義)。
理查德·穆勒(Richard A. Muller)(圖片來自網路)
穆勒1977年發表的「RadioisotopeDating with a Cyclotron」(圖片來自網路)
實際上，用粒子加速器來進行用同位素來測定地質年代的方法在1939年就有人嘗試過。路易斯·阿爾瓦雷斯(LuisW. Alvarez)(就是那位因發明氫泡室及其分析技術、發現共振態獲得1968年諾貝爾物理學獎的阿爾瓦雷斯)和羅伯特·科諾(RobertCornog)利用美國勞倫斯伯克利國家實驗室60英寸的 迴旋粒子加速器 測定了自然界中3He(氦)的存在。但由於當時的粒子加速器束流品質有限，加之粒子探測技術還不夠成熟，這方面的研究在此後近40年中無法更深入地開展。
阿爾瓦雷斯和科諾1939年在《Physical Review》上發表的「 3 Hein Helium」(圖片來自網路)
近40年之後，基於粒子加速器技術和粒子探測技術的不斷突破，在穆勒等人1977年再次提出用粒子加速器測量長壽命宇宙成因核素的建議後，各研究團隊的進展神速。加拿大麥克馬斯特大學和美國羅切斯特大學就在1977年在同一期《Science》上發表了用 串列加速器 測量自然界 14 C的結果。
這種新的核分析技術—— 加速器質譜技術 (AcceleratorMass Spectrometry，簡稱AMS)誕生在20世紀70年代末並迅速發展起來。
加拿大麥克馬斯特大學研究團隊1977年在《Science》上發表的「Carbon- 14: Direct detection at natural concentrations」(圖片來自網路)
美國羅切斯特大學研究團隊1977年在《Science》上發表的「RadiocarbonDating Using Electrostatic Accelerators: Negative Ions Provide the Key」(圖片來自網路)
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揭開冰川行蹤之謎
加速器質譜技術 是基於粒子加速器和粒子探測技術的一種高能質譜測量，大多數加速器質譜技術所用的粒子加速器為 串列加速器 。它克服了傳統質譜測量技術中的一些限制，具有極高的同位素 豐度靈敏度 (豐度指該同位素在這種元素的所有天然同位素中所佔的比例，以百分數表示；豐度靈敏度表示測豐度時相對誤差的大小)。普通質譜測量的豐度靈敏度最高為10 -8 ，而加速器質譜測量則達到了10 -16 ( 靈敏度竟然提高了數個量級 )，且樣品用量少(僅ng量級)、所需測量時間短，迅速成為一種 具有強大優勢的新技術手段 。
普通質譜測量示意圖。樣品電離後，通過電磁場選出特定荷質比來分析原子或分子的質量，但在分析所測核素時會受到有質量數相同的分子本底和同量異位素的干擾(圖片來自網路)
加速器質譜測量示意圖。可在離子源處引出負離子來抑制部分核素的同量異位素的產生，串列加速器可將負離子剝離成正離子，並利用核探測器鑒別出同量異位素，用於測量長壽命放射性核素十分有效(圖片來自網路)
美國普渡大學的加速器質譜研究裝置(圖片來自網路)
德國HZDR離子束中心的加速器質譜研究裝置(圖片來自網路)
中國原子能院的加速器質譜研究裝置(圖片來自網路)
加速器質譜技術出現之後， 宇宙成因核素測年法的精度大大提高 ，這引起了地質學界的廣泛關注，冰川行蹤的研究有了獲得突破的機會。
當冰川厚厚的冰層覆蓋大地時巨大的岩石被困在冰下，冰層阻擋了宇宙射線對岩石的攻擊。冰川消退的過程中有時會將一些巨石從地層深處推到地面，一旦巨石暴露出來，來自宇宙的射線就開始與岩石內的原子相互作用，迅速產生宇宙成因核素的稀有同位素，例如 3 He(氦)、 21 Ne(氖)或 10 Be(鈹)等。
冰川消退過程中一些巨石露出地面受到宇宙射線的轟擊(圖片來自網路)
為了確定某塊巨石是在何時被露出地面的，地質學家們用錘子、鑿子，或者用石鋸和小型爆炸裝置，設法從巨石上弄下一塊柚子大小的岩石樣品帶回實驗室。他們將樣品細細研磨後提取出某種特定的核素(例如以已知產生宇宙成因核素速率的石英，其主要成分是SiO 2 )，然後再向樣品中的原子中加入一個額外的電子(例如發射銫離子)形成帶負電荷的元素或分子離子。這些離子被送入 加速器加速 後再轟擊薄的金屬箔或氣體，剝離它們的電子並摧毀剩餘的分子，然後再進入 粒子計數探測器 。通過統計不穩定原子與穩定原子的比值，即可揭示宇宙成因核素的數量。根據樣品中宇宙成因核素的含量，即可較准確地推算出冰川推出巨石的時間。
地質學家們攜帶設備到採集岩石樣品的區域(圖片來自網路)
切割岩石表面10×10厘米的小塊岩石作為樣品，精確記錄每個取樣點的Gps定位坐標，用以確定其相對於周圍地貌結構和冰川沉積物的位置(圖片來自網路)
在格陵蘭島為宇宙成因核素測年採集巨石樣品(圖片來自網路)
用加速器質譜技術進行宇宙成因核素測年所獲數據可准確推算出 歷史 上覆蓋某處的冰層厚度，這是冰原理論計算模型的關鍵基礎數據(圖片來自網路)
美國能源部的《Symmetry》期刊在「用粒子加速器追蹤冰川(Trackingglaciers with accelerator)」一文中介紹了弗雷德•菲利普斯(FredPhillips)等地質學家用加速器質譜技術對冰川行蹤研究的進展。
《Symmetry》刊登的「Tracking glaciers with accelerator」(圖片來自網路)
菲利普斯是美國新墨西哥州礦業與技術學院的冰川運動年代測定專家。由於他在水文、地球化學和地質學之間的相互作用，特別是宇宙成因同位素和地表暴露年齡之間的相互作用方面開創了跨學科的工作，曾多次獲得國家和國際的獎項，並於2007年被授予美國科學促進會(AAAS)研究員的榮譽稱號。
菲利普斯在 地球科學領域 的大部分成就源於此項技術，即利用岩石和其它地貌中宇宙射線反應形成的Cl(氯)放射性同位素的測量比率，來更精準地確定過去百萬年的火山爆發、岩石雪崩、海嘯、流星撞擊、地震、山體滑坡和冰川運動等地質事件的年代。
弗雷德·菲利普斯(Fred Phillips)(圖片來自網路)
菲利普斯1986年在《Science》上發表的「The Accumulation of CosmogenicChlorine-36 in Rocks: a Method for Surface Exposure Dating」(圖片來自網路)
正因加速器質譜技術所具有的高靈敏度、小樣本量、快速樣品制備等優勢，地質學家們對用原有測年方法獲得的某些同位素的基準數據進行了重新測定， 糾正了原有各種測年方法存在的誤差問題， 在地質測年精度方面取得了 重要突破。 根據加速器質譜技術的數據測算，地球的年齡比此前測算的減少了約70萬年(夠驚人的！)。新的測年標准為地球誕生、大陸及礦床形成、生物演化以及氣候變遷等在內的種種地質過程列出了更為精確的時間表。
加速器質譜技術的出現有力推動了地球科學領域的研究進展，據不完全統計，20世紀80年代中期以來發表的關於冰川年代和其它地質年代這方面的研究論文已達數千篇。
通過宇宙成因核素測年獲得的希臘南部伯羅奔尼撒半島上的冰川行蹤圖(圖片來自網路)
近些年，不少地質學家忙於深入研究地球 南極 西部的冰川行蹤。這片冰川正處於緩慢崩塌的狀態，而這片冰川的崩塌很可能引起海平面的大幅度上升，還會改變海洋循環和氣候模式，引起乾旱和嚴重的風暴，這些對地球來說都將是毀滅性的災難。只有深刻了解 歷史 上冰川的行蹤才能更好地預見未來，才能研究出應對的辦法， 加速器質譜技術將在這項研究中起至關重要的作用。
南極西部的冰川正在加速融化(圖片來自網路)
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結語
縱觀 歷史 ， 加速器質譜技術 的發展大致經歷了以下幾個階段：
20世紀70年代末至80代末，大部分加速器質譜裝置是在核物理實驗研究的粒子加速器基礎上改造而成的，擁有大型粒子加速器的核物理實驗室均 配置 了從事加速器質譜研究的束線管道，可以測量的核素類型也大大擴展(從 14 C(碳)擴展到 10 Be(鈹)、 26 Al(鋁)、 32 Si(硅)、 36 Cl(氯)、 39 Ar(氬)、 41 Ca(鈣)、 59 Ni(鎳)、 81 Kr(氪)、 129 I(碘)、 236 U(鈾)和 239 U等)。當時的粒子加速器能量已較高，但用於加速器質譜測量時精確度和穩定性受到一定限制，而且僅有部分束流時間可提供給加速器質譜測量。
20世紀90年代初至21世紀初，由於考古、地質、環境等學科研究的發展，非專用裝置無法滿足用戶的需求，加速器質譜測量的 專用 裝置(大部份基於串列加速器)逐漸商品化，有些專用於 10 Be、 14 C、 26 Al、 36 Cl等宇宙成因核素的測量，有些則為海洋學或葯物學等某個研究領域專用。
近10年來，加速器質譜測量裝置加快向緊湊化、小型化、標准化發展，並在測量精度、靈敏度、測量效率等方面有很大提高，可測的宇宙成因核素不斷增加，同時還做到了耗電量低、成本低、維護方便，為更廣泛的應用奠定了堅實的基礎。
加速器質譜技術是隨著粒子加速器技術的發展而崛起的， 在地球科學領域的應用涉及地質、考古、水文、海洋、冰川、氣候、地磁等多個學科，在環境科學領域可用於城市污染監測(研究空氣中PM2.5的來源)及核污染監測、全球環境氣候變化等。除此之外，加速器質譜技術還在輻射防護、核安全、核廢料、放射生態學、生物醫學、毒理學和葯理學、材料學、植物學、營養學等領域取得了重要研究成果。
這是粒子加速器技術對世界 科技 發展作出的又一重要貢獻！
『叄』 古老的冰河時期，地球曾經寒冷到什麼程度
如果我告訴你：冰河時期既不古老，也不寒冷，你信嗎？