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南极又下“西瓜雪”!科学家解读“末日冰川”因何融化?

作者:王治钧来源:《知识就是力量》杂志近日一组拍自南极科考站附近的照片引发关注照片里南极的雪竟变成了红色和绿色↓↓↓图源:央视新闻俄罗斯媒体分析,变色可能是微型藻类繁殖的结果,比如使其呈现红色的就是“雪衣藻”中的类胡萝卜素。研究人员表示,南极温度升高为藻类的生长提供了条件,该现象可能导致极地冰雪消融失控,应引起重视。图源:央视新闻一项2016年的研究表明,在北极的一个融雪季里,雪衣藻产生的藻华会使雪反射的阳光量降低13%,这会导致更高的融雪速度。图源:央视新闻图源:央视新闻事实上,雪衣藻的大量繁殖、冰川融化都与全球变暖有着密切的关系。有数据显示,南极的气温每十年就会以0.6℃的速度上升,南极气候变暖的速度是全球的三倍以上。全球变暖正在加速南极冰川的融化,人类随之将面临全球海平面的升高以及岛国和沿海城市的安全问题,这是一个危险信号。2002年位于南极半岛的拉森冰架崩塌,2008年位于南极半岛西南侧的威尔金斯冰架中约570平方千米的冰体也发生了崩塌,由此可见,这并不是危言耸听。因南极地区环境恶劣,致使长期以来关于南极洲的地质学研究几乎空白,随着近十年期间透地雷达、卫星影像等遥观技术的不断发展,南极洲冰下的结构才逐渐被人们揭示出来。美国斯坦福大学的雷达冰川学家达斯汀・施罗德达斯汀・施罗德是美国斯坦福大学的雷达冰川学家,他曾参与多个冰川科考研究项目,也参与过美国国家航空航天局冰桥科学计划,擅长利用透地雷达研究冰川和冰层,他的研究覆盖了南极冰川、格林兰岛冰川,以及木星的冰川卫星。达斯汀曾在TEDx斯坦福的活动中分享了他的团队是如何用雷达探冰以及未来引起海平面上升的可能性。

给飞机装上“透视眼”

科学家谈论起海平面上升的时候,通常会用一个基于冰层和气候模型制作出来的海平面变化预测模型图。包括过去300年海平面历史数据,下图所示的黑圈区域,是科学家用模型预测出的未来百年后的海平面可能达到的高度范围。下面的箭头指示是当前的海平面,如果百年后的海平面数值增长的下限位置提高0.5米,就会影响到400多万人口,他们需要迁移到更高地方,如果达到预测的上限1.2米,影响将会更大。如果把一些极端情况考虑进来:比如南极部分冰川一旦坍塌消融,海平面数字会大大超出预测区间。我们需要重视冰川坍塌的可能性。要具体研究冰川坍塌的可能性,研究员们需要建立一套坍塌消融模型,包括它发生的条件、坍塌过程和物理原理等,这是难点所在,因为冰川坍塌发生在冰面以下几千米的地方,卫星探测等技术对此有一定的局限性。对于南极冰川研究的一大挑战是:地理覆盖庞大,时间上跨度大。就地理空间上说,这是一块特殊的大陆,平均海拔2350米,是平均海拔最高的大陆,那里甚至比撒哈拉沙漠更为干燥,有部分区域比火星还要寒冷。就时间跨度而言,南极冰川不仅以千年和百年的时间跨度在变化,在短短数天内也在不停地发生改变。如果对整个冰层下数公里的区域进行持续长期的观测,难度可想而知。为了研究冰川,达斯汀领导一个科研团队通过透地雷达的方式来探测冰川内部。他们将可以穿透冰层的雷达系统吊装到DC-3运输机上――这种机型因性能可靠曾经在二战时期被大量使用,一直沿用至今。

搭载雷达系统的DC-3运输机

在机翼下装置的雷达天线,发射雷达信号传送到下面的冰层,同时传回有关于在冰层内部和下面状况的信息。在这个过程中,科学家和工程师需要在飞机上连续工作8个小时,确保雷达运行正常。搭载雷达探测设备的飞机的线路图通过这样的飞行考察得到的雷达测绘图展现了冰层的垂直信息,就像是一块蛋糕的截面。顶部是冰层的表面,底部是大陆的基岩,中间的冰层包含着冰层历史的相关信息。这个雷达透冰探测技术十分有效。它可以透过冰层观察3千米以下的冰川,实践证明这是研究冰层的完美工具。几十年来不同国家组成的团队和国际合作项目利用雷达绘制了南极大陆的冰川图,把这些数据汇总叠加在一起分析,我们就可以得出一个真实的南极大陆图像。然而几十年的时间里,打造的仅仅是南极表层的一个快照,并没有关于冰层如何演变的线索,研究团队意识到需要加入时间线,看它的变化,而这才是研究的重点。

填补“透视眼”盲区的老胶片

达斯汀和斯坦福、剑桥等一些科学家希望能从以往的数据资料中找到更有价值的“宝藏”。研究团队找到了1971年―1979年间收集南极冰盖数据的旧胶片。达斯汀如获至宝,他知道美国电影艺术科学档案馆会将老电影的胶片电子化处理成数码电影,于是达斯汀借用了这套数位修复设备,和团队重新制备了老胶片的所有信息。当时的透冰雷达探索了南极表面以下的山脉,火山和湖泊,以及冰盖内的层,揭示了气候和流量的历史。某些地区很难到达,幸运的是碰巧前人飞过这些冰川。当年的雷达数据在数字化处理之后,最终研究员们获得200万个高清的图像,他们花费巨大的精力把50年前的信息与冰层的现状进行比对分析。幸运的是,旧数据记录得极其详细,以至于可以轻松从中分辨出此前火山爆发留下的灰层、以及那些侵蚀冰层的通道。这项研究填补了有关南极洲环境历史、以及气候变化是如何影响该地区的更多细节。研究员们在分析对比后得出一些结论:和50年前的旧影像相对比,南极的怀特冰川冰架已经越来越薄,仅1978年―2009年间就萎缩了1/3,融化的速度远远超过我们曾经的预测。这些数据已经在线发布到斯坦福图书馆的公共档案,其他科学家也能够将其与现代雷达数据进行比较,用以了解几十年来冰层厚度、冰川特征和它们长期的变化。怀特冰川位于南极洲西海岸、介于海洋和其它冰川之间,属于该大陆结构的关键部分,大小与美国佛罗里达州相当,因其大部分河床低于海平面,向内陆倾斜,正因为如此,这个区域是研究冰川融化的重点。如果怀特冰川出现了下降,其它部分也会迅速跟进。该冰川在过去几十年一直在以每年400米的速度消退,照此速度怀特冰川将在未来500~1000年崩塌解体,这会让海平面会上升大约2米。如果南极冰川融化会让世界海平面额外上升4.5米,可以想象一下对于伦敦、上海、纽约、东京等这些接近海的城市意味着什么。

利用太阳“透视”南极冰川

对于现在的透地雷达探测系统来说,长期运营的相对成本不低,这限制了观察冰川的新思路,低成本的运行机制可以将传感器覆盖到更多区域,可以获得长期的测量数据。达斯汀在寻求一些新的地面雷达系统。比如“固定点冰川雷达”,在观察点埋下一些车载电池供电,让它们在那里一次性待上数月甚至数年,然后隔几分钟,或者几个小时就送一个脉冲到冰层内部,这样就能获得连续的观察――但这有很大的局限性,只能针对一个点。另外一个思路是利用现有的无线电波系统。整个空间是存在各种无线电波信号的,而最强烈最耀眼的无线电波源就是太阳,达斯汀的学生团队就在尝试用太阳发出的无线电信号替代人工雷达信号。这些学生的思路是通过户外无线电频率观测日落,并尝试着探测太阳在海平面落下的反射。探测太阳在海洋平面落下时的反射,与探测一块冰层底部的反射在理论上是极度相似的,这个想法并不是遥不可及。在早期的地震领域也有相同的案例,以往的震动来源是靠引爆炸药,后来渐渐过渡到利用周围环境的地震噪音;再比如应用于军事的防御性雷达自身不用发送雷达信号,它会使用电视信号或者其他的无线电信号来探测标示物体的位置。如果这个方法可行,传感器的制造成本将会大大削减。造价低的传感器就可以批量生产,然后可以在冰层上调配成百上千个这样的传感器去做成像。这些创新开源的技术,让学生们可以像科学家一样思考,达斯汀的实验室一直在营造一个“以创新为基”的环境,鼓励学生去针对不同的问题进行低成本和高性能的优化。正在融化的南极冰层冰川融化会造成海平面上升,这会影响到整个世界,这是达斯汀教授致力于这项研究的原因之一。我们要引导更多年轻人投入到地球科学领域,而这项预测海平面上升的观测技术,只是他们可以解决的众多问题之一。我们相信充满能量和富有热情的年轻人可以解决人类所面对的大部分困难和挑战。注:新闻内容及图片来自央视新闻