地球上的水绝大部分由氢原子和氧原子组成，极少量是由氢原子和氧原子的同位素组成的重水。大气中的水蒸气从根本上说来自海洋。当水从海面蒸发时，重水不易蒸发，因此从海洋蒸发的水蒸气中，重水的比例比海水少，而减少量与气温直接相关。加上各地降雨对重水的影响，水蒸气随气流移动到两极变成冰雪而积成冰川时，实际上已经是留下来那个时期海洋水蒸气中重水比例的记录，这也就是关于当时气温的记录。

测试分析表明，温度每降低1℃，重水含量在格陵兰地区降低0.70%u，在南极地区降低0.75%，在青藏高原北部降低0.65%。根据这种关系，可以由冰芯中的重水含量推断温度变化。

对南极与格陵兰的冰芯研究证实了解释地球冰川变化规律的“米兰科维奇循环”。

通过南极冰芯，科学家还成功地了解了16万年以来地球大气中的二氧化碳和甲烷含量的变化情况，而这个变化的确跟气温变化同步，这就从侧面证明了大气温室效应的存在。

冰芯研究除了用于研究地球，还用于研究宇宙。在宇宙射线的作用下，大气中的氮、氧等元素会产生同位素；银河系超新星爆炸时产生的X射线，也可以使大气中的一氧化氮含量增加。这些大气中的元素含量变化都会被记录在冰芯里，那么冰芯也就间接记录了特定时期的宇宙事件。

地球系统的一环

通过分析从南极采集到的冰芯，我们了解到大气中的二氧化硫密度在近200年来的变化。在右图的记录中，可以看到在1815年有个非常明显的高峰。这是1815年印度尼西亚的Tambora火山爆发造成的。

你或许要问，南极距赤道附近的印度尼西亚有半个地球那么远，南极的冰芯里怎么会记录着Tambora火山爆发的信息呢?“赤道火山爆发、南极冰芯出现二氧化硫”的现象是怎样造成的?原来，地球上的各种工业污染物、火山爆发物和飘浮的花粉会先进入大气循环，然后通过降水或降雪堆积到冰川上。火山灰中富含的硫元素，沙漠热空气中含铁、铝、钙的灰尘，海洋水蒸气中的钠元素，还有森林中的花粉，等等，都会进入大气的流通，最后通过降雨或降雪回到地面。南极的气温极低，那里的冰川一直处于凝固状态，冰川里的各种成分都被稳定地保存下来，而且冰川记录的时间非常长，因为从极地冰川开始形成的时候，冰雪的沉积就开始了。科学家这才可以通过冰芯了解地球的历史，这些冰芯可以说是地球几十万年来详细的健康记录!而1815年的二氧化硫高峰，就像一次“高血压”。

不只是二氧化硫，生活在陆地和海洋中的各种生物与土壤、水体和大气之间不断进行着物质交换，并向大气排放有机物。这些有机物通过大气环流被带到冰川上空，沉降在冰的表面，最终形成冰川记录。通过分析冰芯中各种痕量有机气体、有机物和花粉等，可以揭示不同时期生物活动程度的强弱和植被演化。

冰芯研究并不局限在南极，许多终年积雪的山脉，如欧洲的阿尔卑斯山、中国的喜马拉雅山和祁连山，都已经成为冰芯研究的基地。

实际上，科学家通过分析冰芯来研究地球时，是把地球作为一个系统和整体来研究的。涵盖着地球万物变化的这个大系统，包括了大气圈、水圈、岩石圈、和生物圈(包括人类)等各个子系统。每一个圈里有很多体现因果关系的循环，圈与圈之间又相互牵制。比如水从蒸发为云到化雨化雪的循环，影响着气候的变化、山川的变迁和万物的生长；又比如碳循环，碳在大气、植物、有机物、动物、矿物之间的循环转化，这个转换可能导致地球温度升高。这些循环包含着一个又一个的环节，而里面的某一个环节的信息，在冰川的保护下保存了下来。

冰芯研究虽然只有几十年的历史，但是因为保真性强(低温保存),信息量大(温度、降水、大气化学、火山、植被、太阳活动、地磁场等),而且分辨率高(精确到年),时间跨度大(上百万年),而成为地球变化研究的一个重要领域。