首页 >> 环境 >> 文章

融化中的格陵兰Comments>>

发表于 2008-08-21 09:15 | Tags 标签:, , ,

Alexandra Witze 文 Shea 译

北极最大的冰盖当真正在不可逆转地消融吗?

当人们谈论灾难性的气候变化时,格陵兰就会浮现在大家的脑海中。如果有人将其形容为“转折点”,那是再恰如其分不过的事了。21世纪人类的命运将很大程度上取决于这个岛上的冰。如果这些冰完全融化,那么全球的海平面就会上升7米。格陵兰冰盖的消失是人类首当其冲要面对的潜在气候灾害。

格陵兰冰盖的融化已经在毫无争议地、同时又是剧烈地进行中了。冰川就像下水管道中的老鼠一般涌向大海,带去了大量的冰山。在冰川封冻的表面上形成了巨大的湖泊,大量的水通过冰与冰之间的缝隙注入了冰盖中,由此可能会加快冰川滑入海洋的速度。在过去的4个夏季中,平均每年流失3800亿吨到4900亿吨的冰,超出它在冬季所能获得的冰量1500亿吨。

这个数字可不是一个小数目。不过这个数目和格陵兰290万立方千米的总冰量比起来至今还算不上什么。如此巨大的冰量使得格陵兰冰盖本身就具有一定的稳定性,因此不会出现冰盖突然消失的情况。但是如果存在来自外界的干扰因素,那么第一个消融的就会是格陵兰。格陵兰本身可以说是最近一个冰河时期留给我们的“遗物”,在当时造就它的气候环境已经一去不复返。即使排除人为的变暖因素,如果目前的格陵兰冰盖行将消失的话,那么以当前的气候状况,格陵兰岛上将不再会有冰盖形成。因此这一片冰盖其实就是一份遗产,只是这份遗产在时间上来的有点尴尬,而且相当的脆弱。

问题是,它究竟有多脆弱?到目前为止格陵兰冰盖是否已经升温,进一步的升温是否已经把它送上了一条不归路?如果情况还没有达到这个程度,那么我们距离这个转折点还有多远?当然格陵兰冰盖不会在明天或者下一个世纪就消失,但是在几千年的时间尺度上考虑这个问题就需要慎重对待现在已经出现的气候变化。最近的一份政府间气候变化专业委员会(IPCC)综合报告指出,在该委员会早先的科学报告里所给出的对海平面升高的估计中并没有完全考虑到格陵兰岛冰盖现在正在经历的变化。换句话说,IPCC已经把格陵兰看成是全球性灾害的潜在发源地。

但是至今这些急待需要回答的问题依然没有找到答案。这里面所需要的理论和模型还远没有完善。部分原因是缺少观测数据,因为好的数据可以清晰地向我们展现出变化的趋势。尽管每年夏天整个格陵兰岛会聚集大量试图探明冰盖融化过程和趋势的科学家,但是这其中缺少一个系统而长期的、可以真正全面回答格陵兰冰盖正在发生什么的计划。“我们所拥有的数据可以用来回答是什么在背后驱使格陵兰产生这些变化的吗?”美国俄亥俄州立大学的冰川学家伊恩·豪厄特(Ian Howat)说,“回答是绝对不行。”

重力的诉说

为了以最佳的角度来审视格陵兰的融化,你需要进入太空并且寻求重力的帮助。重力反演与气候实验(GRACE)卫星是由美国和德国共同研发的两颗卫星。它们的轨道高度为500千米,彼此之间非常靠近。通过不断地交换微波信号,两颗卫星之间可以精确地测量两者之间的距离。在任何一个时刻,由于两颗卫星下方的物质对这两颗卫星的引力会稍有不同,因此它们之间的距离就会不断地变化。由此造成的微小距离变化可以用来反演计算出整个地球的重力场分布。由于地球内部和表面的物质也在不断的运动,所以地球重力场的分布也会随着时间发生变化。

GRACE的数据已经向世人展示了亚马逊盆地的水流随着季节是如何变化的,以及季风为亚洲的哪个含水层带去了充沛的水量。同时GRACE也会为格陵兰和南极洲冰盖流失提供了新的信息。“我们手头上的大量有关格陵兰的数据,”美国科罗拉多大学的冰川学家康拉德·斯蒂芬(Konrad Steffen)说,“都得益于GRACE。”

对于每年夏天有多少冰融化目前还存在一些争议。美国加利福尼亚大学欧文分校的伊萨贝拉·维利科格纳(Isabella Velicogna)领导着一个科学家小组对此进行了研究。他们采用了大尺度的方法,即以30天为周期对GRACE提供的全球重力数据进行平均。他们最近的一次估计显示,格陵兰每年有2110亿吨冰流失,且主要集中在格陵兰的南部。“毫无疑问,事情变化得比我们预想的快,”维利科格纳说。与此同时,美国宇航局(NASA)戈达德航天中心的斯科特·卢思克(Scott Luthcke)则采用了另一种方法。他根据两颗卫星之间距离的变化计算出了地面小尺度范围内物质随时间的变化。他得到的初步结果是,包括2007年的夏季在内,格陵兰每年损失的冰量为1540亿吨。尽管这两个结果看上去差异很大,但是两个小组都在不断地强调两者有多接近,而且随着时间的推移这两种方法得到的结果会越来越靠近。“尽管在数据处理上我们这两个小组采用了截然不同的两种方式,但是最后的结果在误差范围内彼此吻合,”卢思克说,“这说明,格陵兰的确有大量的冰正在流失。”

GRACE同时也为冰流失量随着年份的变化提供了线索。尤其是2007年夏季,格陵兰表面温度达到了4-6℃,高于往年的平均温度,直接导致了5000亿吨冰的融化。这个值比2006年大了30%,比2005年的值也大了4%。卢思克说:“2007年是令人震惊的一年。”其他卫星的观测数据也支持了GRACE的结果。例如,雷达测量显示,格陵兰南部冰川向海洋运动的速度较以前快了许多。2007年12月份在旧金山召开的美国地球物理联合会会议上,维利科格纳公布的结果表明,“冰、云和陆地海拔”卫星(ICESat)使用激光测高仪获得的格陵兰冰盖海拔高度的变化数据支持了GRACE的结论。

上升中的格陵兰

需要额外的数据来补充GRACE的原因在于“冰后回弹”问题。今日如此之大的格陵兰冰盖在冰河时期仅仅是一个更为庞大的冰原的一部分。这个冰原最南可以延伸到俄亥俄山谷,最东面可以抵达乌拉尔山脉。如此巨大的质量把地壳压入了密度更高的地幔中。尽管当时绝大部分的冰早已融化,但是高纬度地区的大部分地壳还没有恢复到原来的位置。例如,由于高密度地幔对低密度地壳的浮力作用,斯堪地纳维亚半岛每年会上升9毫米。这一正在发生的回弹会给分析GRACE的数据带来不少的困难。


[图片说明]:用于测量的GPS基站。

也许不久的将来一个全球定位系统(GPS)接收机网可以为此提供一些帮助。按照这个计划的领导者、美国俄亥俄州立大学的迈克尔·贝维斯(Michael Bevis)所提供的消息,2007年夏季一个由美国、丹麦和卢森堡科学家组成的小组在格陵兰岛边缘没有冰且由岩石组成的地方安装了24个GPS基站。这些接收机可以用来测量格陵兰岛的岩床随着时间上升的情况。格陵兰GPS网(GNET)是极地观测网(POLENET)的北半球部分,POLENET的目标是在两极测量冰后回弹以及其他的现象。按照计划,GNET最终会在格陵兰安装50个基站。“我们必须大幅度地完善冰后回弹模型,否则GRACE对格陵兰和南极所获得的测量结果的价值极为有限,”贝维斯说,“如果我们能去除这部分干扰,那么GRACE将成为迄今在测量冰量流失方面最有力的工具。”

GNET的基站都将安放在格陵兰岛的岩石岸边,而且基本上都位于偏远地区。它们需要大量的电力储备以便能在漫长的冬季继续工作。截止到目前,2007年夏季安装的基站中已经有5个停止了工作。该小组计划在今年夏天修复这些基站并且手工恢复数据。

这一切都使得GNET的运营成本变得有一些高昂。去年夏天该项目就花费了1百万美元,而与往年持平的预算、上涨的燃油价格以及疲软的美元将使得今年的事情将变得更加得难办。安装GNET其余的基站不得不再花两年的时间,而不是原计划的在2008年全部安装到位。

GNET所用的接收机非常昂贵而且笨重,但是具有极高的精度,而且原则上也十分耐用。另一种监测手段正好与此相反,那就是在格陵兰最活跃的注出冰川的前锋安装廉价的GPS设备。这些厚重的冰流会通过峡湾注入格陵兰周围的大海。十年前,科学家们认为这些注出冰川从冰盖中心向下运动的速度非常缓慢。但是近年来,冰川移动的速度就像过山车,忽快忽慢。


[图片说明]:GPS基站分布图以及格陵兰冰量损失随时间的变化图。

一切都从十多年前最大的注出冰川——雅各布港(Jakobshavn Isbrae)冰川——开始。雅各布港冰川位于格陵兰岛西岸,它一举成名的很大原因是,来自于这个冰川的冰山撞沉了“泰坦尼克”号游轮。在1992年到2003年间,雅各布港冰川的运动速度从每年5.7千米加速到了每年12.6千米。“这真是惊人的变化,”美国华盛顿大学应用物理实验室的冰川学家伊恩·乔因(Ian Joughin)说,“十年前没有人会预料到格陵兰最大的注出冰川的速度会翻倍。”冰川运动的速度越快意味着有更多的冰会注入大海,与此同时中心冰盖也会变得越来越薄。

在东海岸,格陵兰岛的另外两条大型的注出冰川也开始了加速运动。黑尔黑姆(Helheim)冰川和康格尔隆萨克(Kangerdlugssuaq)冰川也分别于2002年和2005年开始加速,但这一过程充满了反复。以黑尔黑姆冰川为例,由于前锋融化的速度大于新的冰注入的速度,在2001年到2003年间黑尔黑姆冰川后退了超过3千米。随着冰量得到补充,之后在2005年黑尔黑姆冰川再次开始向前推进。NASA的“大地”(Terra)和“水体”(Aqua,拉丁语中意为“水”)卫星所提供的遥感图像清晰地反映出了黑尔黑姆冰川的巨大变化。“由于我们只有短短几年的观测资料,因此这里面必定存在着许多变数,”乔因说,“我们并不知道我们看到的是不是一个长期变化的开端。”

乔因以及其他人怀疑,注出冰川的前后反复和冰川挤压通过的峡湾地形有很大的关系。冰川会一寸一寸地向前推进,直到它注入海洋的最前端崩解成为冰山。这一过程可以释放出冰川内部的应力。

但是这一过程并没有看上去的那么简单。过去,冰川向前推进,由于注入海洋的部分过长进而崩解形成了冰山。但是现在,在向大海推进的过程中冰川就发生了崩解。这一现象意味着什么目前还不清楚,但是它确实说明冰川的运动模式已经和几年前相比发生了根本的改变。“这是我们无法预言的,”斯蒂芬说。

但是不可预知的事情曾经也不是没有发生过。在20世纪20年代,格陵兰经历了一次快速的升温过程。在十年的时间里,格陵兰的年平均气温升高了超过2℃。美国俄亥俄州立大学的气象学家贾森·博克斯(Jason Box)和他的学生亚当·赫林顿(Adam Herrighton)正在查找有关记录,他们想知道当时这一升温过程对三大注出冰川有什么影响,以便可以借鉴这一案例用来预言未来的情况。他们通过一系列的地图发现了康格尔隆萨克冰川的变化。在20世纪30年的早期,康格尔隆萨克冰川向上游后退了约10千米——可能在一次崩解事件中就损失了70平方千米的冰。博克斯说,这一崩解事件是“意料之外”的,它造成的冰量流失需要好几年的时间才能恢复。同时这一事件也预示,近些年来看到的冰川对升温的一系列反应正是预期中的。


[图片说明]:格陵兰冰川的崩解率正日益增高。

另一个研究的方向是海洋温度——与空气温度相对——对注出冰山的影响。豪厄特说,2003年夏季海洋的温度较高,这恰好对应了注出冰川急剧加速的时期。但是对海洋温度和冰川退缩之间相关性的研究还很少。“海洋在我们的地图上完全是一片空白,”豪厄特说,“巨大的格陵兰冰盖为大海所环绕,很自然地你会想知道在水里到底发生了什么?”一些科学家已经把这个问题定为了他们的下一个研究方向。

冰川上的湖泊

围绕着格陵兰的海洋自古以来就已存在,但是夏季出现在格陵兰冰盖上的湖泊则是史无前例的。冬季那里是皑皑白雪,到了夏天则变成了一汪汪的蓝色湖水。在方圆5千米的冰盖上夏季可以融化形成超过1000个较浅的湖泊。这就像是美国的明尼苏达州,唯一的不同是这里的一切都是白色的。

2007年是研究冰川表面融化重要的一年,因为在那一年有了重要的发现。高压天气系统使得格陵兰夏天的大部分时间都处于晴好天气,这样阳光就可以毫无阻挡地照到冰盖上。戈达德航天中心的马科·特得斯科(Marco Tedesco)说,2007年夏季比往常多持续了25-30天,方圆1.9万平方千米的冰融化成了水,这相当于威尔士的面积。在高海拔地区这一效益尤为显著,因为热空气会影响到更高的地区。海拔2000米及以上地区冰盖融化的面积超过了原来的1.5倍。


[图片说明]:由冰隙下渗的融水会加速冰川的运动。

甚至在5月到8月的夏季,科学家们必须要把冰盖上的仪器基座插入冰面以下2-3米,才能确保冰盖的融化不会殃及这些设备。水造成的问题并不是主要的麻烦,主要的麻烦是融化的不可预知性。目前已经知道,借由冰盖中未知的缝隙,1天之内可以从冰川表面的融化湖泊中排出1千万立方米的水。期间会出现巨大的瀑布,但也许第二天瀑布就会消失。目前还不清楚水到底是如何从冰川顶部流到底部的,一旦搞清楚水的流动方式将有助于回答一个更为关键的问题——水是否流到了冰盖的最底部进而加速了它的运动和融化?在格陵兰灾害学家中这是一个老生常谈的问题,但是水的下渗究竟到了什么程度、它如何解释GRACE观测到的冰的流失以及它最终对海平面的影响目前仍然还是未知数。

重返埃姆间冰期

突然出现的变化导致了一些对以前的冰盖动力学模型的疑问。冰盖动力学模型认为即使是快速的变化也要花上几个世纪的时间。“在过去短短的5年时间里,我们就发现了冰川正在瓦解,所以我们的模型完蛋了,”豪厄特说。但是预言这一过程到底进行到了什么程度并不是一件容易的事情。一些人相信局势发展的速度并没有科学家们想像的那么快。预言的前提是彻底而全面的监测。如果你想通过你的模型可靠地预知未来,那么就必须严密监测你的模型中所发生的自然过程。比利时布鲁塞尔自由大学的冰川学家菲利浦·哈伊布莱希茨(Philippe Huybrechts)说:“目前还无法建立冰川模型,因为观测数据还远远不够。”科学家们也许在冰川上能看到冰川锅穴的形成或者是注出冰川的崩解,但“那仅仅是你在某个季节中的某几个星期在某个地点所看到的情况,”哈伊布莱希茨说,“目前还没有办法把这些观测结果推广到整个冰盖,进而用于冰川活动预报。”

目前,全世界最好的冰川学家正忙于解释格陵兰已经发生的事情,还无暇顾忌将要发生的事情。但是一些人正在改变这一状况。美国堪萨斯大学的科尼利斯·范德维恩(Cornelis Van der Veen)正在尝试改进冰盖模型。他的想法是,先把重要而未知的东西理出来,然后各个击破。“一个注出冰川的加速并不意味着就是世界末日,”他提醒说,“但是如果一个地方所有的注出冰川都在加速,那么这就说明有一些我们尚未知晓的事情正在发生。而且这绝对不是花几个月就能搞清楚的事情。”

“在搞清楚冰川为什么加速之前,你很难建立冰川加速的模型”丹麦哥本哈根大学的多尔特·达赫-杰森(Dorthe Dahl-Jensen)说,“观测是第一步,认识是第二步。第三步是建立模型、预报未来。我们目前正处于第二步,试图认识现象背后的机制。”

这其中的一条途径是借住于古气候学研究。达赫-杰森正领导一个小组,他们计划在未来几个夏季去格陵兰西北部钻取2500米深处的冰芯样本。这一“北格陵兰埃姆间冰期钻探”计划将填补格陵兰几十年来在12万年前埃姆间冰期也就是最近一次间冰期的古气候资料上的空白。达赫-杰森说,了解格陵兰在埃姆间冰期时的情况将帮助科学家认识在温暖的气候条件下格陵兰冰盖的运动行为。埃姆间冰期时格陵兰的温度比现在大约高5℃,但是海平面只比现在高1或者2米。而且在格陵兰岛上只要钻探得足够深,冰芯中总会夹杂有来自埃姆间冰期的一些冰块。达赫-杰森说:“格陵兰冰盖的主体在埃姆间冰期中幸存了下来。”他还认为,对这一间冰期冰芯进行更多的采样也许能有助于搞清楚,在埃姆间冰期温度高于现在的情况下是什么因素使得格陵兰冰盖能够依然得以保存的。

但是这并不是鼓舞人心的消息,因为全球变暖的效应在两极地区会被放大。只要全球温度平均升高2.5℃,格陵兰即可升温5℃,而前者的可能性是极大的。此外,另一个重要的原因是最近发现格陵兰岛北部的海冰已急剧减少。格陵兰海域漂浮的海冰由于其温度低再加上反射率高,因此可以起到制冷的作用。但是这一制冷作用对格陵兰究竟起了多大的作用,目前还不清楚。

长远的眼光

采集更多过去和现在的数据也许可以帮助我们解开格陵兰冰盖的未来之谜。但是现在,事情似乎正在变得越来越复杂,而不是越来越简单。每一年都会获得新的数据,于是每一年都会对格陵兰彼此联系在一起的冰盖动力学、流量、冰川涌浪有新的认识。“我们眼前的信息实在太多了,”美国缅因州大学的冰川学家利·斯特恩斯(Leigh Stearns)说,“每个夏天都会给我们带来一些截然不同的东西。”

不过即便我们所能获得的信息十分丰富,它依然缺乏系统性。诚然,格陵兰真正的危险在于完全融化,而真正有价值的工作是可靠地预知融化所需要耗费的时间以及由此造成的海平面升高的程度,但是对格陵兰的研究还远没有覆盖到冰盖的每一个角落和每一条冰缝。一个办法是使用无法驾驶飞行器巡查冰盖,搜集诸如冰盖表面融化湖泊的深度等有关的数据。但是这说起来容易做起来难,为此2007年8月美国科罗拉多大学的博士生约翰·阿德勒(John Adler)进行了一些测试。他把三种型号的商用无人驾驶飞机运到了格陵兰康克鲁斯瓦格机场,并且在融化湖上空测试飞行了一个星期。尽管其中也遇到了一些故障,但是他说,和现在使用直升机载人去现场勘察相比,无人驾驶飞机可以更廉价、可重复性更强地对某个区域进行勘测。即便如此,为了满足需要无人驾驶飞机必须满负荷运转。但是面对格陵兰的冬季,无人驾驶飞机也会显得无能为力。

从长远来看,人造卫星应该可以提供最清晰的观测资料。Terra和Aqua卫星,再加上欧洲的环境卫星(Envisat)以及其他的地球表面监测卫星,正定期地监测注出冰川的前进和后退。尽管存在一些反复,ICESat上的测高仪发现格陵兰的冰盖正在变薄。ICESat的下一代ICESat-II目前也已经投入使用了。同时,欧洲空间局也正准备发射冰层厚度测量卫星——“冰”卫星(CryoSat)——的下一代卫星,第一代“冰”卫星在2005年发射过程中发生了爆炸。

然而,在获取和使用对地观测数据上还存在着很大的问题。例如,一家美国公司原计划收购加拿大的Radarsat-1和Radarsat-2卫星,但是今年4月份加拿大政府否决了这一交易。

另外,即使你有了合适的卫星,也不是每件事情都能在太空里完成的。目前只有为数不多的科学家把格陵兰做为了他们的主要研究对象。因此在从今往后的几十年里,这极有可能导致在资源分配上出现最缺乏远见的不公现象。北极地区的气候变化速度已经超出了人们的预期,而豪厄特指出,海洋的显著缩减“可能是人类看到过的地球表面最大的变化”。“了解并且应对这一变化对地球上的冰量有何影响无疑是当前的首要任务,”他说,“这是一个急需研究的关键课题。”

[Nature 2008年4月17日]

0
为您推荐

5 Responses to “融化中的格陵兰”

  1. 至今国内也没有一个叫得响的关注环境的协会~~~

  2. 大蔥说道:

    格陵兰真是令人担心

  3. 大蔥说道:

    可惜的是,有远见的人并不多,真是太令人担心了

  4. Jason说道:

    我未来的研究就侧重北极,会在夏季去测量一些大气、冰川参数,老板的这个项目是长期的,希望能解释和预测格陵兰岛的变化。

Leave a Reply