南極的冰裡，為什麼封存著80萬年前的空氣？
― 雪變成冰的時候，縫隙裡的空氣會變成氣泡被封住
把南極的冰往下鑽到3000公尺深，底部的冰裡就留有80萬年前的空氣，以小氣泡的形式保存著。那是人類還不能自由用火的年代的空氣，現在的研究者真的把它取出來測量。關鍵在於雪變成冰的途中「縫隙閉合」的那一刻，以及數十萬年都不會融化的極端寒冷。
仔細看冷凍庫做出來的冰塊，會發現有些地方白白混濁的。靠近一看，裡面有許多小氣泡。
那些氣泡裡面，是水結凍時被封住的空氣。也就是說，冰可以把當時當地的一小部分空氣「保存」下來。
那麼，如果冰一次都沒有融化，就這樣留存了數十萬年，會變成怎樣呢？在南極，這件事真的發生了。
原因只有兩個
剛下的雪到處都是縫隙。上面的雪不斷堆積，下面的雪就被壓實，到了大約100公尺深，縫隙就不再與外界相通。裡面的空氣就這樣變成氣泡被封住。
南極內陸即使在夏天也在零度以下，冰幾乎不會融化。而且降雪很少，一年堆積的量換算成冰只有幾公分。這些薄薄的層，疊了數十萬年份。
這兩個條件湊齊之後，冰就成了一座「上面較新、下面較舊的空氣罐頭層架」。我們依序來看看。
雪是怎麼把空氣封住的？
剛下的雪，體積大半是縫隙。在這個階段，縫隙裡的空氣可以和地表的空氣自由交換。
雪持續堆積，下方的雪會被上方的重量壓住。顆粒彼此黏在一起，一點一點變得緊密。這種介於「雪和冰之間」的狀態，稱為粒雪（firn）。
在數十公尺到100公尺左右的深度，緊密程度會超過某個限度。這時縫隙的通道被堵住，空氣再也無法逃到外面。請看圖1的上半部。空氣就在這裡變成氣泡，那個時代的空氣因此被封住。
要注意的是，氣泡裡的空氣比周圍的冰稍微年輕一點。因為即使變成冰的雪是數千年前下的，在縫隙閉合之前，新的空氣還是會持續滲入。研究者會用計算來修正這個年代的差距。
為什麼能疊上80萬年份？
第一個理由，是不會融化。南極內陸有許多地方平均氣溫低於零下50℃，即使夏天也在零度以下。只要融化過一次，氣泡就會消失，所以這份嚴寒守護著這份紀錄。
第二個理由，是降雪極少。南極內陸乾燥得像沙漠，一年堆積的量換算成冰，據說只有幾公分。即使冰層很厚，因為每一年都很薄，所以能塞進很多年份。
這裡還有一個令人驚訝的地方。如果照地表的3公分厚度一路疊上去，3200公尺的冰只有約11萬年份。但實際的底部卻是約80萬年前。深處的層在冰慢慢往側邊流出時被拉長，薄到只剩數毫米以下（圖1的右側）。
這樣取出來的冰柱稱為「冰芯」（ice core）。在南極圓頂C（Dome C）這個地點鑽取的冰芯，據報告記錄了約80萬年份的空氣。日本的富士圓頂（Dome Fuji）基地也鑽到約3000公尺的冰芯，據說約有72萬年份。
在比數百公尺更深的地方，強大的壓力會把氣泡壓扁，變成空氣與水結合而成的透明結晶。把冰運到地面後，結晶又會慢慢變回氣泡。因此據說有時會先把鑽出來的冰靜置一段時間，避免破裂後再測量。
氣泡中的二氧化碳，在寒冷的冰期約為180，溫暖時期約為280～300（每100萬份空氣中的比例），在兩者之間來回變動。據說80萬年來，從未超過300。而現在的大氣已經超過420。
總結
南極的冰裡留有古老的空氣，是因為雪變成冰的途中縫隙閉合形成氣泡，而且那些冰幾乎不曾融化，就這樣堆疊了數十萬年。愈深的層被拉長得愈薄，所以3000公尺的冰柱裡塞進了80萬年。
南極的冰，是雪封存空氣的罐頭。
往下鑽3000公尺，就是往回走80萬年。
冰如何往側邊流出，請看「冰河明明是堅硬的冰，為什麼會像河一樣流動？」；同在南極冰層底部發生的事，請看「地球上最冷的地方底下，為什麼有不會結冰的湖？」。南極為什麼這麼冷，也請看「南極為什麼比北極冷得多？」。
- 在兩個杯子裡裝水。一杯用自來水，另一杯用煮沸後放涼的水。
- 兩杯都放進冷凍庫結凍，取出後對著光看看。
- 自來水做的冰，中間應該比較容易聚集白色氣泡。因為從外側開始結凍時，溶在水裡的空氣會被擠到中心而被封住。
南極的冰不是水結凍而成，而是雪被壓實而成，所以氣泡形成的方式略有不同。不過，「把空氣封在裡面凝固」這一點是一樣的。
想知道更多的人 ― 用語・公式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，明確標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（冰雪學・古氣候學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者正在探討中的課題
國中用語：這個現象有名字
- 冰蓋（ice sheet）：覆蓋大陸、面積廣大又很厚的冰塊。現在存在於南極與格陵蘭。
- 冰芯（ice core）：把冰蓋鑽成筒狀取出的冰柱。深度對應年代。
- 粒雪（firn）：雪被壓實、變成冰之前的狀態。縫隙裡的空氣還和外界相通。
國中高中用公式確認：3200公尺的冰是幾年份？
堆疊的層所代表的年數，和地層一樣，可以用「整體厚度除以一年份的厚度」來估計。先照地表的厚度計算，再和實際年代比較看看。
| 用符號寫 | t ＝ z ÷ λ |
| 用文字寫 | 記錄的年數 ＝ 冰的深度 ÷ 一年份的層厚 |
| 這個公式的來源 | 根據下面的層比較舊的「地層疊覆律」，假設每年疊上一層，再數層數的公式。如果層在途中變薄，λ 就會隨深度而改變。 |
| t | 記錄的年數（年） |
| z | 冰的深度（公尺） |
| λ | 一年份的層厚（公尺）。換算成冰的數值 |
| 圓頂C冰芯的長度 | 據說約3200 m |
| 地表附近一年堆積的厚度（換算成冰） | 據說約0.03 m |
| 近底部冰的年代 | 據報告約80萬年（800000年） |
| 縫隙閉合成氣泡的深度 | 據說約100 m |
| 照地表厚度堆疊時的年數 | 3200 ÷ 0.03 ≒ 106667 |
| 由實際年代反推的一年份平均厚度（m） | 3200 ÷ 800000 ＝ 0.004 |
| 換算成毫米 | 0.004 × 1000 ＝ 4 |
| 比地表薄了幾分之一 | 0.03 ÷ 0.004 ＝ 7.5 |
| 氣泡閉合前所需的年數（大致的估計） | 100 ÷ 0.03 ≒ 3333 |
照地表厚度算的話只有約11萬年份，但實際是約80萬年份。平均來說，一年份已經薄到約4毫米，而在近底部應該還要更薄。另外，在氣泡閉合前的數千年間，空氣會持續交換，所以氣泡裡的空氣會比周圍的冰年輕數千年（實際上因為粒雪的密度較低，估計的時間會再短一些）。
高中高中＋從氣泡和冰，連過去的氣溫都能知道
高中高中的地球科學會介紹冰芯的二氧化碳濃度與氣溫變化，說明這是冰期與間冰期的反覆交替。大約每10萬年，寒冷時期與溫暖時期輪替一次，二氧化碳也跟著一起升降。
高中＋氣溫不是從氣泡，而是從冰本身的水來判讀。水分子裡混有一些含有比一般稍重的氧或氫的分子。愈是寒冷時代的雪，重分子的比例愈小，所以這個比例（氧同位素比、氫同位素比）就成了推測過去氣溫的依據。
大學粒雪的緻密化與氣體年代的差距
雪變成冰的過程，在冰雪學中稱為「粒雪的緻密化」。據說密度超過約0.83克每立方公分時，氣泡就會閉合，這個深度稱為氣泡封閉深度。氣泡中空氣的年代（氣體年代）與冰的年代之差稱為「Δage（delta-age）」，在降雪少的寒冷期會更大。深度與年代的關係，是用假設冰流動的奈伊（Nye）年代模型等來估計，再與火山灰層和其他紀錄對照後決定。深部的氣泡會變成空氣水合物（clathrate hydrate，籠形水合物）。
📖 公式的推導與更進一步的內容：冰芯（維基百科） ／ 南極冰蓋（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 有沒有比100萬年更古老的冰？ 歐洲的研究計畫在2025年發表，已鑽到超過120萬年的冰。目前正在分析，希望找出約100萬年前冰期週期為什麼從4萬年變成10萬年的線索。
- 底部的層亂到什麼程度？ 靠近岩盤的冰，有時會因為流動或地熱而使層摺曲或融化，要判斷年代順序還保持到什麼程度並不容易。
- 氣泡裡的成分真的和當時一模一樣嗎？ 有人指出二氧化碳可能與冰中的雜質反應而略有增減，據說在格陵蘭的冰中尤其需要注意。
換句話說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。年代的數值可能因為新的鑽探或分析而改寫。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・地層的堆疊／狀態變化 | 愈下面愈古老的層、雪變成冰 |
| 高中 | 地球科學・地球環境的變遷 | 冰期與間冰期、二氧化碳的變化 |
| 高中＋ | 地球科學・以同位素推測古氣溫 | 用重水的比例判讀氣溫 |
| 大學 | 冰雪學・古氣候學 | 粒雪的緻密化、Δage、年代模型 |
| 研究 | 探尋最古老的冰 | 超過100萬年的冰、底部層的紊亂 |
| ― | 與生活的連結 | 現今二氧化碳超出過去80萬年範圍的依據 |
- Lüthi, D. et al. (2008) High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. Nature 453
- EPICA community members (2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nature 429
- National Institute of Polar Research (国立極地研究所) 富士圓頂冰蓋深層鑽探相關解說資料
- 維基百科「冰芯」（日文版：氷床コア）
- 維基百科「南極冰蓋」（日文版：南極氷床）
※本文是為一般讀者寫的科學解說。文中數值是為了理解機制的參考值與概算。冰芯的年代與濃度會因研究而有差異，未來也可能隨新的分析而更新。