与海洋沉积物相比，高纬冰芯（南极以及北半球格林兰岛冰芯）记录具有如下优点：1）可以通过数冰层进行高精度定年；2）可以测量一系列的参数，比如d¹⁸O，温度、冰芯气泡保存着过去大气CO₂和CH₄的信息；3）大气气溶胶（粉尘、火山灰、污染物）等也可以被冰芯记录。当然，冰芯也有缺点，就是获得较难。获取百万年以上古老的冰芯更难。

由于南北半球的气候在千年尺度上不同步变化，所以各自有一套体系来命名其特征事件。北半球冰芯的名字我们比较熟系，比如DO、YD、H1事件、BA等等。在南极冰芯记录中，我们用的体系是南极同位素极值事件（AIM）、南极冷翻转事件（ACR）等。

目前我们从南极冰芯中获得的有价值气候信息包括几个方面。从长尺度演化特征来看，南极气候与全球气候一直，受控于天文轨道周期。但是在短时间尺度上，清晰地解释出南北半球跷跷板效应。这是由于AMOC南半球的热量带到北半球，一方面造成ITCZ北移动，另一方面，当AMOC停止或者减弱时，北半球降温，南半球增温，ITCZ同时南移。冰芯气泡获得的CO₂和CH₄信息，把温室气体和全球气候紧密地结合起来。冰芯记录的粉尘信息显示在冷期，粉尘量增加，有可能达到铁施肥的效应。

早期的研究采集的东南极洲冰芯，包括Vostok（420 kyr）、Dome C（800kyr）、Dome F（720kyr）等。传统意义上，冰芯d¹⁸O被用来主要指示该区的温度变化，但是显然也会受到其他因素的影响。在最后一次冰消期时，南极温度变化可达10几度，比低纬度地区大很多，这说明极区对温度变化有放大效应。

南极冰芯记录清晰地显示，南半球的气候在轨道周期上也受控于北半球高纬度日照量变化。究其原因，可能是北半球高纬度的冰盖量要远远大于南极冰盖量，小弟当然要拱手相让大哥的领导作用。通过全球快速地交换温室气体，可以使得全球温室气体效应统一。另外，在冰消期之前，北半球日照量开始增加，更多淡水可以注入大西洋，AMOC阻断，南半球也会因此变暖，刚好也达到随后南北半球同时变暖的效果。

这种轨道周期上的气候同步只是时间精度问题。如果我们把时间精度提高，我猜测一样会发现，南北半球的气候不可能完完全全同步，只是在轨道周期上，这点不同步无法被目前的年龄精度所指示出来。

CO₂在冰期-间冰期旋回上的变化在170-300ppm之间。CO₂的变化与全球温度基本上也是同步关系。我们可以肯定的是，CO₂不是全球温度升高的第一推动力，但是它会快速相应没有全球温度同步，并作出重要反馈。在冰期-间冰期旋回中，陆地上的碳库会发生变化，但是主要的碳库还是来自于海洋，受到深海生物和物理化学过程调控。在这一点上，南大洋是科学家关注的重点海域，AABW在深海存储了大量的碳。当海水上涌加强时，深海海水与表层交换加强，CO₂也容易被释放出来，从而对全球大气的CO₂含量产生重要的调节作用。

在轨道周期尺度上，全球气候的一致性让人觉得有些沉闷，相反，南极气候在千年尺度上的变化特征让人觉得有趣。北半球冰芯记录的DO事件，在南极冰芯中基本上都能找到对应的伙伴（Counterpart），只不过形状不如北极冰芯记录显示得那么快速，而是像被平滑处理过一样。同时，南极记录与北半球冰芯记录基本具有相反的特征，也就是北极变冷，南极则对应着暖期。我们把这些南极记录的DO对应事件叫做南极氧同位素极值事件（Antartic Isotpoe Maxima，AIM）

通过精确的南北半球冰芯对比，科学家发现，北半球温度的快速变化发生200年后，南极温度才开始响应。这说明，NADW对气候响应是主导，而南极气候体系属于被动调动，从北向南的气候信息传递需要200年。但是，通过一些大气传导的信号，则不出现这么明显的滞后效应，比如CH₄含量可以被用来进行南北半球冰芯年龄对比的依据。可见，南北两半球可通过大气和海洋进行信息交换，只不过后者需要的时间要长很多。

南极冰芯CO₂记录显示在万年的天文轨道尺度上，CO₂与全球温度同步的特征外，还有很多快速变化的细节，其背后的变化机制与天文轨道周期上的变化不一样。比如，一些快速且小幅度的变化发生在暖事件BA刚刚开始，以及冷事件YD刚要结束的阶段，对应着气候从冷变暖。在短短100-200内，CO₂快速但是小幅度升高~10ppm。这个值不是很大，必定不会是全球整个碳库大动干戈形成的，而与某些区域系统变化相关。CH₄和CO₂同时增加，暗示着二者可能具有同一来源，比如与高纬冻土带有关。

CO₂在冰筏碎屑事件（比如H1）期间，也表现为持续上升。进一步研究发现，这种CO₂升高对应CH₄的快速升高异常以及小的碳同位素负漂。我们知道有机质的碳同位素偏负，这说明一些埋藏的有机质通过氧化作用，重新被释放。之前我们讲过，ITCZ的变化会造成热带一些地区干旱化，之前存储的有机碳就会被释放。

有了南极长序列记录，就可以评判南北两半球这种气候跷跷板效应是否一直存在。这种快速变化的格陵兰冰芯DO旋回和南极冰芯AIM事件，只有在中等冰期（比如MIS3）才显著存在。而在鼎盛的冰期和间冰期则基本不存在。这就涉及同等量的淡水（比如0.05 Sv）注入被大西洋，对AMOC和海冰分布的效果。在鼎盛间冰期时，天气太热，对海冰的生成没有什么影响。而在鼎盛的冰期，已经存在了大量的海冰，加入一些淡水，并不会对该区海冰分布有显著影响。而在中等冰期，少如淡水注入，会灵敏地调控海冰的分布，以及AMOC的形成，因此可以出发这种快速的千年尺度DO事件。

目前，我们所处的是温度很高的间冰期，但是在过去几十年中发现AMOC有减弱的迹象，这与上面所说的事实不符合。除非，过去几十年中已经有大量的海冰和冰川融化，增加了北大西洋淡水注入，否则无法解释上述的现象。或者AMOC本身也具有十年-几十年尺度的震荡行为，与淡水注入无关。目前科学家继续持续地关注与测量北极冰盖变化以及区域气候演化模式，及时预警将来可能会发生的AMOC持续减弱现象，从而进入下一场小冰期。

目前这种高精度的冰芯研究可以追溯到过去800ka。但是，最早的冰芯在几十个百万年前就已经有了。追踪过去几个百万年的气候变化应该不成问题，难点在于目前还无法打这么深的冰芯钻。不过我们可以换一种思路，既然大规模连续的老冰芯样品无法获得，我们可以找一些不连续的零散老冰芯样品，研究一下过去几个百万年的气候变化趋势。冰芯边缘的冰盖比较薄，易于获得老样品。

根据目前有限的一些老样品，我们可以研究过去几百万年间的有关地球大气的变化特征。比如冰芯CO₂记录显示，在MPT之前，大气CO₂在间冰期的最高值并不比现今高，但是，在冰期的最低值却比近期冰期高。这就证明了在MPT之前，不只是深海d¹⁸O变化的幅度比MPT之后的小，大气CO₂含量的变化也具有类似的特征。目前的据还无法揭示周期性的细节，但是在轨道周期尺度上，CO₂和全球d¹⁸O应该同步变化。

根据冰芯记录，末次间冰期以来CO₂的整体变化与AMOC息息相关。在末次间冰期MIS5e，AMOC的环流模式与全新世类似，充满活力，全负荷运转。但是在MIS3这个弱冰期时期，AMOC减弱。NADW变浅变弱，退化成一个冰期北大西洋中层水（Gliaciation Nroth Atlantic Intermaeidate Water，GNAIW）。这时候AABW就会向前推进，占据之前的NADW。这一过程会让更多的CO₂存于深海。于是MIS5e向MIS5d转化时，全球大气CO₂含量降低。类似的事情也发生在MIS5a向MIS4转化时期。

综上所述，MIS3和MIS5e相比，最大的区别就在于在北大西洋深海到底是哪家水团在占主导。MIS3是AABW，上边是GNAIW。MIS5e是NADW占主导，AABW后撤到南方深水区。有了这种深水CO₂存储海水的不同，MIS5e和MIS3的千年尺度变化就显得格外不同。

在MIS3，由于有GNAIW的存在，当温度开始增加，AMOC开始恢复时，AABW后撤，在南大洋形成上涌区，大量的CO₂可以从AABW释放。但是在MIS5e，AABW早已经被赶回南方水域，缺乏足够的CO₂储量，于是其千年尺度的CO₂变化看着就有些寒酸，幅度小，不怎么明显。

在南极冰芯记录中我还需要提及一次特殊的冷事件ACR（Antarcttic Cold Reversal，14.6-12.7ka）。14.6ka对应着MWP1a淡水注入事件、H1的结束和BA时间的开始。12.7ka则对应着BA事件结束期（12.9ka），总体上还是一种南北半球跷跷板效应。在12.7ka之前，南极已经经历了一阵子加热，容易让冰盖崩塌，形成MWP1a淡水注入事件。

在 ACR 期间，南极冰盖大量减少，AABW减弱，相对温暖的CDW入侵原来AABW的地盘，使得冰盖底部持续变得不稳定，但是海冰则发育，日照反射率加强，温度降低，进一步阻止AABW的形成。南大洋反转流减弱，低纬热气无法运输到高纬，维持着ACR 的冷事件。当12.7ka北大西洋区YD事件开始时，南极地区由于跷跷板效应开始升温，结束了ACR。所以，南北半球联动，既造成了自己区域的独特气候行为，在全球上又充分衔接。

在ACR期间，全球大气CO₂稳定保持在240ppm，这在冰消期CO₂整体逐渐升高的大背景下，显得有些突兀和奇怪。ACR期间，全球南北气候系统都在联动，大气CO₂的稳定性说明了整个气候系统中一定存在着正反馈和负反馈的平衡，相互抵消，才能大都这种效果。CO₂变化最大的地方在南大洋，所以，还是得从南极这边的气候模式中找到这些可能的正负反馈体系。

科学家还发现ACR期间南大洋的生物生产力也大为增加。模型显示这以期间这里的海冰季节性变化很大。在秋冬，海冰扩展，AABW减弱，很多含铁粉尘降落在海冰上，等到春夏，海冰融化，含铁粉尘促进生物泵发育，促成在春夏期间该区成为CO₂的汇。可见，全球不同海洋区对大气CO₂的贡献不一样，且是动态的。至少在南极区ACR期间就是个碳汇，说明补偿了其他地区CO₂的碳排放，造成整体上CO2的平台稳定效应。

以上的讨论我们依据的模型是北半球气候变化领先南半球变化400-800年，通过两半球的跷跷板效应，形成北边冷，南边暖的格局。其实，如果从另外一个角度来看，我们也可以认为南半球的升温领先北半球1000-1600年。这两个模型从数理统计意义上讲都成立。只不过目前大家更多地认可第一种模型，以此为依据进行讨论。

无论如何，南北两半球冰芯记录不一致，说明这两个地区所经历的气候过程是不一致的，气候系统也不完全一样。