中国科学家登陆南极40年了,你有多了解这片土地?

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——重新发现南极的昨天、今天和明天

1980年1月12日,两位中国科学家登上了澳大利亚南极科考站凯西站,第一次代表中国科学界正式踏上南极大陆,也是第一次将南极大陆纳入中国科学家的研究视野。

01. 首次登上南极考察的中国科学家 | 我国科学家董兆乾(左)、张青松(右)和澳大利亚南极局副局长Knowles Kerry博士一起在澳大利亚凯西站附近考察,引自文献[1]

首登南极40年后,通过几代人的努力,我们正在从对南极懵懂无知的国度,变成南极研究的大国。中国已在南极拥有泰山、中山、昆仑和长城4个科考站,第5个科考站罗斯海新站也正在建设中。中国还组织过35次南极科学考察任务,而搭载着第36次科考团的雪龙2号,目前(注:指今年1月12日前后)正航行在南极宇航员海附近的海域。

02. 南极洲及周边海域地图 | 标注了中国在南极科考站的位置和当前雪龙2号的大致位置。制图@巩向杰 陈睿婷

继《南极公约》冻结了世界各国对南极的领土要求后,从科学的角度认识南极便成为中国及其他大国探索南极的根本动机。南极洲大陆经历过十分复杂的地质运动,在厚重的冰层下及周边海域内蕴含大量潜在资源,是人类社会未来发展的重要保障之一。认识南极的演变、形成和矿产分布,是针对南极展开综合研究的重要目标。

03. 南极群山的层状岩石 | 南极群山地质特征复杂,有许多未发现的地质奥秘和宝贵矿产。图源@VCG

南极冰盖也是最直接的科研对象。每年,降雪落下,混杂着天空中的尘埃、颗粒、气体甚至落在冰面上的陨石一起冻结成冰,将许多关于南极演变和地球环境演变的线索保存下来。人们钻井取出冰芯,逐渐揭示出冰雪中深埋的秘密。

04. 冰芯内的气泡 | 冰芯是用特制钻头取出的圆柱状冰体,是重要的科研对象。图源@NASA

南极独特的自然环境,也造就了地球独一无二的极地生态群落。对南极生物和生态环境的研究,是人们考察南极的另一项重要环节。大到海象、海豹、座头鲸,小到贼鸥、企鹅、磷虾,这些冰雪世界的万物生灵,是南极展示给人类的最美好一面。

05. 南极Gerlache海峡中游弋的座头鲸 | 图源@VCG

从远古走来,今日一派冰雪料峭景色的南极都经历过什么?厚重的冰盖下隐藏着怎样独特的历史?它又将面对怎样不确定的未来?在中国科学家登上南极40年后的今天,我们应该好好了解一下这片偏远大陆的来路与前途。

07. 南极冰盖及冰下基岩的三维可视化图 | 南极冰盖平均厚度1829米,最大可达4700米,厚重的冰层之下隐藏了许多未知。图源@ESA

01 南极从哪里来


南极洲的封冻是新生代以来全球“冰室效应”的一个缩影。中生代时期(距今2.51亿~0.66亿年),温室气体二氧化碳的浓度长期保持较高水平,全球气候普遍温暖,海平面高企[2],地球南极的情况大为不同。

地球南极与南极洲大陆是两个不同概念。整个中生代,南极洲大陆在南极圈(南纬66°34′)附近徘徊,最终在距今大约8000万年前的白垩纪晚期达到与今日相似的位置。中生代的地球南极或许存在冰层,但南极洲大陆只可能有少量冰层,并未形成覆盖整个南极洲陆地的大冰盖[3]

08. 南极视角的板块运动动态图(中生代以来)。制图@郑伯容&巩向杰/星球科学评论

温暖延续到了新生代,距今约5000万年前是新生代最温暖、温室气体浓度最高的时期[4]。后来,全球温度总体开始震荡走低,直到人类生活的时代,世界的温度达到自恐龙灭绝以后的最冷阶段。在逐渐变冷的过程里,南极冰盖和北半球冰盖先后出现。

09. 越来越冷的新生代|新生代以来,全球平均温度处于长期变冷的大背景中,译自[5],有改动。

·第一个巧合 ·

是什么引起了新生代的全球变冷和南极封冻?最先引起人们注意的是新生代变冷与一系列大规模造山运动在时间上的巧合。

5000多万年前,世界海陆格局与现在大为不同:特提斯洋尚未变成地中海,阿尔卑斯-喜马拉雅造山带尚未形成,大西洋也远没有今日宽广,各片陆地还在延续着从盘古大陆分裂的趋势。在后来演变为中国的土地上,还呈现出东高西低的地貌形态。

10. 新生代始新世早期的海陆格局(5000万年前)| 引自[26],图源@C.R.Scotese

伴随着特提斯洋走向消亡,非洲板块、印度板块同欧亚板块全面碰撞,一条斜跨半个北半球的板块缝合带宣告诞生,形成了最近两亿年来最大的超级造山带。它从欧洲的比利牛斯山脉开始,经过阿尔卑斯山脉,经过中东的扎格罗斯山脉,中亚的兴都库什山,抵达亚洲的喜马拉雅山脉,甚至延伸到东南亚的火山岛链。

|请横屏观看下图|

11. 阿尔卑斯-喜马拉雅造山带主要山脉与高原示意 | 图源@巩向杰&张靖/星球研究所

群山改变了世界。山体岩石中的硅酸盐与降水中溶解的二氧化碳发生化学风化,将二氧化碳固定到沉积物中。于是,从距今5000万年起,地球大气的二氧化碳浓度快速下降,引发冰室效应,地球的温度开始下降[6、7]

12. 地质尺度的碳循环示意图| 注意左上方硅酸盐风化吸收二氧化碳的原理。译自@Skeptical Science

数值模拟研究表明,当大气二氧化碳浓度降低到600ppm时,南极冰盖才开始迅速增大,从陆地上的局地冰盖,变成超出海岸线的大型冰盖[8]。此时正好是大约3280万年前。而这个时间点,又和环南极洋流的产生时间形成了第二个巧合


· 第二个巧合 ·


影响南极地区温度的因素除了冰室效应,还有环南极洋流的形成。地球两极附近存在着尺度巨大的环极地西风带,它们搅动大气,最终带动海水运动。如果在相应的纬度上没有陆地的阻隔,就能够形成畅通无阻的环极地洋流——这恰恰是南极的情形。

13. 环南极洋流流速的可视化效果|展现了2006年5月12日的环南极洋流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)海水流速,暖色调表示流速高,最快可超过每小时1.6公里,流向为顺时针。图源@National Science Foundation

南极洲大陆先后与南美洲大陆、澳大利亚大陆分离。在大约5000万年前,南极洲首先与南美洲分离,浅水的德雷克海道开启[9];3350万年前,南极洲与澳大利亚分离,形成塔斯马尼亚海道[10、11],环南极洋流带初步形成;2850万年前后,南极洲与南美洲进一步分离,浅水的德雷克水道变成深海,洋流增强[12]

14. 环南极洋流的形成|德雷克海道和塔斯马尼亚海道的先后开启,是环南极洋流建立的关键因素,改自[13]。制图@巩向杰 陈睿婷/星球科学评论

历经数千万年,南极洲大陆最终成为与世隔绝的孤洲,环南极洋流从无到有从弱到强,逐渐将南极洲与低纬海洋的热量隔绝开来,使恰好位于地球南极区域的南极洲大陆,在新生代降温的大背景下进一步变冷。

于是,在大约3400万年前,冰盖开始覆盖南极洲大陆;到了大约3280万年,罗斯海湾开始形成冰架,标志着南极冰盖从陆地流进海洋。此后尽管出现过多次反复,但冰盖的规模总体上随着温度下降而不断增大,其中在2300万年和1390万年前出现过两次显著增大[2]

15. 南极冰盖流动速率可视化效果| 图中示意了南极一些主要冰架的位置及它们与陆上冰盖流动的关系。图源@NASA,有改动

南极洲冰盖的生长又反射更多的阳光,使地球进一步变冷,是地球出现北极冰盖的重要因素之一。在两极冰盖的共同影响下,这颗星球用两亿年中最为寒冷的姿态迎接了人类的到来。


02 南极向何处去


从新生代冰室效应和周期性的冷暖旋回中走来,古老的南极在当代却正经历着来自人类的严峻考验。2019年,大气二氧化碳浓度超过了415ppm,再创新高的同时,也超过了过去1500万年来的二氧化碳浓度上限值。我们的世界正在逐渐步入未知领域,人类却对此毫无经验。南极也以剧烈的变化,走向充满不确定的未来。

16. 再创新高的二氧化碳浓度图 | 2019年初夏,美国夏威夷测得二氧化碳浓度超过415ppm(体积分数单位,指百万分之一),图源@Scripps Institution of Oceanography

·海上冰架加速融化·


2019年9月,南极洲东部的埃默里(Amery)冰架末端断裂,1636平方千米的冰山随波逝去,成为漂浮在南大洋上的巨大冰山。很快,它会继续分解成小块浮冰,逐渐消融。

17. 埃默里冰架破裂前后影像 | 2019年9月25日东南极埃默里(Amery)冰架末端断裂后形成D-28冰山的卫星影像。图源@ESA

2017年7月,南极洲西部南极半岛的拉森C(Larsen C)冰架发生断裂,形成了面积达5800平方千米的冰山A-68,是北京市面积的近1/3。

18. 拉森C冰架破裂后的影像| 2018年3月时的拉森C(Larsen C)冰架和A-68冰山。图源@ESA

海上冰架来源于陆地冰盖的向海流动,末端破裂进入海洋是正常冰架消解过程,但它们发生的速率和规模正越来越大[14],从侧面反映了整个南极冰盖的消融愈演愈烈。

19. 南极沿海冰架的厚度和体积变化(最近18年间)| 左下角坐标图表示冰架体积的变化趋势,其中红线表示西部冰架,呈明显减少趋势;蓝线是东部冰架,稳定慢速减少趋势;黑线是整体趋势,表现为减少,译自[14]。

·陆上冰盖加速融化·


2015年,一个来自美国NASA的研究团队提出,南极新增冰盖质量大于冰盖融化质量[15],引发舆论、学术界甚至政界的多方争议。很快,就有不同的学者指出,这个研究团队使用的估算方法存在较大瑕疵,给出的结论存在问题[16]

利用新的方法和数据,科学家们描绘出南极冰盖加速消融的严峻画面。在过去的40年里,以每十年为一个阶段,南极冰盖的年均消融速率从80年代的400±90亿吨,猛增至2017年的2520±260亿吨[17],融化速率增加了五倍。

20. 南极不同区域的冰盖平均质量损失速率折线图 |时间范围为1979-2017年,数据源自[17],图片译自@科学美国人。

融冰成水,汇成溪流,流入湖泊或者海洋。在这个越来越热的世界里,南极冰盖正在加速融化。南极正和这个世界上所有其他的冰封世界一样,一齐走向难以预料的未来。

21. 落日余晖下的南大洋冰山 | 图源@VCG

·重返中新世的阴影 ·


如前文所述,在大约3300~3400万年前,600ppm的CO2可能是南极冰盖快速发育的一个门槛,如今的人类,距离这个门槛正在越来越近。随着世界各国工业化的发展和能源需求的增长,碳排放失控的风险已经从迷雾中显出身形。

研究者们模拟过几种不同碳排放路径[18],但即便是中等排放路径RCP4.5,也面临二氧化碳浓度在本世纪中期突破600ppm的极大风险。而高排放路径RCP8.5,即世界保持当前碳排放规模继续发展下去,则面临着全球气温升高3.2-5.4℃,二氧化碳浓度超过1000ppm的风险。

22. 人类会选择哪一种未来? | RCP路径是根据不同碳排放量模拟的未来升温场景,大力减排实现负排放的RCP2.6路径是最理想的预期,本世纪末的全球升温不超过2.3℃;而无所作为的RCP8.5路径是最糟糕的预期,本世纪末的全球平均温度或升高3.2-5.4℃,译自[19]。水泥在生产和正常使用中,也会产生二氧化碳。

这对南极可能意味着什么?也许遥远的地质历史可以给出一些线索。

在距今约1400万年前的中新世气候温暖期,全球平均温度大约比现代高3-4℃,接近本世纪末碳排放失控场景下的最坏情况(RCP8.5)。有研究人员分别使用不同的地球轨道背景配以不同的二氧化碳浓度,对当时南极冰盖的情况进行了计算机模拟,发现当二氧化碳浓度达到500ppm时,冰盖将大幅离开海岸线;达到840ppm时,南极洲将出现大范围岩石裸露[20]

23. 中新世南极融化范围模拟结果 | 以不同的轨道和温室气体条件进行的数值模拟,地形数据选用了现代南极地形,译自[20],有改动

因此,500-840ppm的二氧化碳浓度,可能是南极冰盖将会出现大幅后退的关键区间。不出意外的话,我们这一代人可以亲眼见证这一时刻的到来,不知是一种见证重要历史的幸运,还是一种即将面对残酷未来的不幸。

如果保持高排放水平到本世纪末(RCP8.5路径),随着两极冰盖和山地冰川的融化,以及海水受热膨胀,最终引起的海面上升有可能达到0.6~1.1米[21]——当然,也不排除更高一些。

或许这样的海面上升幅度并不可怕,但是以后呢?

24. 南极落日 | 夕阳,孤立的冰山,裸露的山岩,南极洲的明天会是什么样子呢?图源@VCG

03 尾声

南极的故事,从来并不仅仅关乎南极本身。这就像人类的行为,影响到的从来不仅仅是人类自己。

南极的昨天,既是地球历史的一部分,也塑造了新的地球历史。南极的未来,既掌握在地球自身的节律里,也取决于人们将会作出怎样的抉择。2019年夏天,一座冰岛冰川的消逝,引发了全球舆论的关注。其中,一份冰岛人写给冰川的墓志铭格外发人深省。

25. 写给Ok冰川的墓志铭| 2019年8月,冰岛Ok冰川因消融严重被取消冰川资格,成为历史的一部分。这是冰岛人为Ok冰川撰写的墓志铭,留在了它曾经矗立过的地方。翻译、制图@云舞空城 陈睿婷/星球科学评论

寥寥数语,将当代世人在发展与生存、科学与政治、现在与未来之间的纠葛展现得淋漓尽致。面对南极的过去与未来,我们同样能够感受到属于这个时代的某种彷徨,那是一种“明明知道结果,却不知该如何去做”的彷徨。但这些今人正在经历的彷徨,却也构成了未来人们回顾今天时所看到的每一个抉择时刻。

改变自己,改变世界,并不需要太多豪言壮语。我们知晓了南极激荡的过往,我们也了解了南极的一种暗淡未来,剩下的,就是为后世的人们去真的做点,我们早就该做的事情。



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创作团队:

  • 策划撰稿 | @云舞空城
  • 地图绘制 |巩向杰
  • 视觉设计 |陈睿婷 郑伯容
  • 图片编辑 | 任炳旭
  • 内容审校 |风子 王朝阳
  • 审稿专家 | 刘小汉,中国科学院青藏高原研究所研究员

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发布于 2020-02-21

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