
在本周美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上,研究人員報(bào)告指出,世界上湖泊深度平均僅為之前認(rèn)為的三分之二。如果情況屬實(shí),該發(fā)現(xiàn)將有助于氣候?qū)W家對(duì)世界氣候更精確把握,這是因?yàn)楹瓷疃鹊慕档蜁?huì)產(chǎn)生更多吸熱氣體甲烷。
衛(wèi)星顯示,地球上約有一億個(gè)面積超一公頃的湖泊。它們的總面積超過(guò)三百億公頃,約占地球土地面積2%。但要想預(yù)測(cè)湖泊深度卻并不容易。湖泊深度變化多端:蘇格蘭著名的尼斯湖平均深度為132m,是北美伊利湖深度四倍多,而在面積上,伊利湖卻是尼斯湖的4500倍。通常情況下,科學(xué)家通過(guò)當(dāng)?shù)氐貏?shì),即周圍地形坡度,推測(cè)湖泊深度,地球上湖泊體積總量預(yù)計(jì)在16萬(wàn)到28萬(wàn)km3之間,此研究第一作者,劍橋馬薩諸塞州科技研究所海洋學(xué)家B.B.Cael說(shuō)。
但Cael希望數(shù)據(jù)能夠更加精確。在明尼蘇達(dá)州海洋藝術(shù)博物館生態(tài)學(xué)家Adam Heathcote與瑞典于默奧大學(xué)環(huán)境學(xué)家David Seekell的幫助與合作下,他首先建立起解釋觀測(cè)湖泊分布的模型。Ceal通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),根據(jù)數(shù)學(xué)中的冪定律,給定區(qū)域湖泊數(shù)量會(huì)隨著湖泊面積增加而減少。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),小湖泊簇?fù)硪粓F(tuán),大型湖泊十分罕見(jiàn):與一公頃面積相比,十公頃面積上湖泊數(shù)僅為前者百分之一,與十公頃相比,一百公頃面積上的湖泊僅為前者的百分之一,以此類推。冪定律與數(shù)據(jù)表明,研究人員低估了小型湖泊的數(shù)量,因此Cael與他的團(tuán)隊(duì)將世界湖泊總面積值進(jìn)行了稍許提高。
為預(yù)測(cè)湖泊體積與深度,Ceal構(gòu)建出地球地形的數(shù)學(xué)模型。他堅(jiān)信地球表面具有自仿射分形對(duì)稱性。換句話說(shuō),如果所有的高度都以一個(gè)特定因素作為參考,那么不管研究區(qū)域如何變化,山峰與山谷的分布在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是完全相同的。特別地,大量地形數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示,如果將地形因子擴(kuò)大10倍,那么高度因子則將調(diào)整至2.5倍。(研究也暗示,火星大體上也是自仿射分形對(duì)稱,其比例因子同為5)。
這一比例關(guān)系可以使研究人員由湖泊面積計(jì)算出其體積與深度。Ceal說(shuō):“我們認(rèn)為湖泊不會(huì)改變當(dāng)?shù)鼗镜貏?shì)。”同時(shí),他認(rèn)為地球湖泊總體積約為19.9萬(wàn)km3,為之前估算值下限。該模型也揭示了一個(gè)令人吃驚的結(jié)果,世界湖泊的平均深度僅為42m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于先前預(yù)估最低值62m。
Ceal指出,如果就平均值來(lái)看,地球上的湖泊遠(yuǎn)比之前預(yù)想的淺,這一發(fā)現(xiàn)可以幫助理解當(dāng)下氣候變化。生活在湖底的微生物無(wú)需氧氣,且會(huì)產(chǎn)生甲烷。如果湖泊深度更淺,那么會(huì)有更多甲烷進(jìn)入大氣。Ceal說(shuō):“如今甲烷排放量中,湖泊的甲烷排放量與海洋相同,大約為垃圾填埋產(chǎn)生的甲烷量的一半。但實(shí)際排放量應(yīng)該還要更高。”
芝加哥大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)家Mary Silber認(rèn)為,盡管引入了數(shù)學(xué)模型,該研究?jī)?yōu)勢(shì)仍體現(xiàn)在緊扣數(shù)據(jù)上。“我十分欣賞他采集數(shù)據(jù)時(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致以及尋求簡(jiǎn)單解釋方式的努力。”