解密南極“末日冰川”融化之謎

王治鈞

全球變暖正在加速南極冰川的融化，人類隨之將面臨全球海平面的升高以及島國和沿海城市的安全問題，這是一個危險信號。2002年位于南極半島的拉森冰架崩塌，2008年位于南極半島西南側的威爾金斯冰架中約570平方千米的冰體也發生了崩塌，由此可見，這并不是危言聳聽。因南極地區環境惡劣，致使長期以來關于南極洲的地質學研究幾乎空白，隨著近十年期間透地雷達、衛星影像等遙觀技術的不斷發展，南極洲冰下的結構才逐漸被人們揭示出來。

達斯汀·施羅德是美國斯坦福大學的雷達冰川學家，他曾參與多個冰川科考研究項目，也參與過美國國家航空航天局（NASA）冰橋（IceBridge）科學計劃，擅長利用透地雷達研究冰川和冰層，他的研究覆蓋了南極冰川、格林蘭島冰川，以及木星的冰川衛星。

達斯汀曾在TEDx斯坦福的活動中分享了他的團隊是如何用雷達探冰以及未來引起海平面上升的可能性。

給飛機裝上“透視眼”

當科學家談論起海平面上升的時候，通常會用一個基于冰層和氣候模型制作出來的海平面變化預測模型圖。包括過去300年海平面歷史數據，下圖所示的黑圈區域，是科學家用模型預測出的未來百年后的海平面可能達到的高度范圍。下面的箭頭指示是當前的海平面，如果百年后的海平面數值增長的下限位置提高0.5米，就會影響到400多萬人口，他們需要遷移到更高地方，如果達到預測的上限1.2米，影響將會更大。

如果把一些極端情況考慮進來：比如南極部分冰川一旦坍塌消融，海平面數字會大大超出預測區間。

我們需要重視冰川坍塌的可能性。要具體研究冰川坍塌的可能性，研究員們需要建立一套坍塌消融模型，包括它發生的條件、坍塌過程和物理原理等，這是難點所在，因為冰川坍塌發生在冰面以下幾千米的地方，衛星探測等技術對此有一定的局限性。

對于南極冰川研究的一大挑戰是：地理覆蓋龐大，時間上跨度大。就地理空間上說，這是一塊特殊的大陸，平均海拔2350米，是平均海拔最高的大陸，那里甚至比撒哈拉沙漠更為干燥，有部分區域比火星還要寒冷。就時間跨度而言，南極冰川不僅以千年和百年的時間跨度在變化，在短短數天內也在不停地發生改變。如果對整個冰層下數公里的區域進行持續長期的觀測，難度可想而知。

為了研究冰川，達斯汀領導一個科研團隊通過透地雷達的方式來探測冰川內部。他們將可以穿透冰層的雷達系統吊裝到DC-3運輸機上——這種機型因性能可靠曾經在二戰時期被大量使用，一直沿用至今。

在機翼下裝置的雷達天線，發射雷達信號傳送到下面的冰層，同時傳回有關于在冰層內部和下面狀況的信息。

在這個過程中，科學家和工程師需要在飛機上連續工作8個小時，確保雷達運行正常。

通過這樣的飛行考察得到的雷達測繪圖展現了冰層的垂直信息，就像是一塊蛋糕的截面。頂部是冰層的表面，底部是大陸的基巖，中間的冰層包含著冰層歷史的相關信息。

這個雷達透冰探測技術十分有效。它可以透過冰層觀察3千米以下的冰川，實踐證明這是研究冰層的完美工具。

幾十年來不同國家組成的團隊和國際合作項目利用雷達繪制了南極大陸的冰川圖，把這些數據匯總疊加在一起分析，我們就可以得出一個真實的南極大陸圖像。

然而幾十年的時間里，打造的僅僅是南極表層的一個快照，并沒有關于冰層如何演變的線索，研究團隊意識到需要加入時間線，看它的變化，而這才是研究的重點。

填補 “透視眼”盲區的老膠片

達斯汀和斯坦福、劍橋等一些科學家希望能從以往的數據資料中找到更有價值的“寶藏”。

研究團隊找到了1971年—1979年間收集南極冰蓋數據的舊膠片。達斯汀如獲至寶，他知道美國電影藝術科學檔案館會將老電影的膠片電子化處理成數碼電影，于是達斯汀借用了這套數位修復設備，和團隊重新制備了老膠片的所有信息。

當時的透冰雷達探索了南極表面以下的山脈，火山和湖泊，以及冰蓋內的層，揭示了氣候和流量的歷史。某些地區很難到達，幸運的是碰巧前人飛過這些冰川。

當年的雷達數據在數字化處理之后，最終研究員們獲得200萬個高清的圖像，他們花費巨大的精力把50年前的信息與冰層的現狀進行比對分析。

幸運的是，舊數據記錄得極其詳細，以至于可以輕松從中分辨出此前火山爆發留下的灰層、以及那些侵蝕冰層的通道。這項研究填補了有關南極洲環境歷史、以及氣候變化是如何影響該地區的更多細節。

研究員們在分析對比后得出一些結論：和50年前的舊影像相對比，南極的懷特冰川冰架已經越來越薄，僅1978年—2009年間就萎縮了1/3，融化的速度遠遠超過我們曾經的預測。

這些數據已經在線發布到斯坦福圖書館的公共檔案，其他科學家也能夠將其與現代雷達數據進行比較，用以了解幾十年來冰層厚度、冰川特征和它們長期的變化。

懷特冰川位于南極洲西海岸、介于海洋和其它冰川之間，屬于該大陸結構的關鍵部分，大小與美國佛羅里達州相當，因其大部分河床低于海平面，向內陸傾斜，正因為如此，這個區域是研究冰川融化的重點。

如果懷特冰川出現了下降，其它部分也會迅速跟進。該冰川在過去幾十年一直在以每年400米的速度消退，照此速度懷特冰川將在未來500～1000年崩塌解體，這會讓海平面會上升大約2米。

如果南極冰川融化會讓世界海平面額外上升4.5米，可以想象一下對于倫敦、上海、紐約、東京等這些接近海的城市意味著什么。

利用太陽“透視”南極冰川

對于現在的透地雷達探測系統來說，長期運營的相對成本不低，這限制了觀察冰川的新思路，低成本的運行機制可以將傳感器覆蓋到更多區域，可以獲得長期的測量數據。達斯汀在尋求一些新的地面雷達系統。

比如“固定點冰川雷達”，在觀察點埋下一些車載電池供電，讓它們在那里一次性待上數月甚至數年，然后隔幾分鐘，或者幾個小時就送一個脈沖到冰層內部，這樣就能獲得連續的觀察——但這有很大的局限性，只能針對一個點。

另外一個思路是利用現有的無線電波系統。整個空間是存在各種無線電波信號的，而最強烈最耀眼的無線電波源就是太陽，達斯汀的學生團隊就在嘗試用太陽發出的無線電信號替代人工雷達信號。這些學生的思路是通過戶外無線電頻率觀測日落，并嘗試著探測太陽在海平面落下的反射。

探測太陽在海洋平面落下時的反射，與探測一塊冰層底部的反射在理論上是極度相似的，這個想法并不是遙不可及。在早期的地震領域也有相同的案例，以往的震動來源是靠引爆炸藥，后來漸漸過渡到利用周圍環境的地震噪音;再比如應用于軍事的防御性雷達自身不用發送雷達信號，它會使用電視信號或者其他的無線電信號來探測標示物體的位置。

如果這個方法可行，傳感器的制造成本將會大大削減。造價低的傳感器就可以批量生產，然后可以在冰層上調配成百上千個這樣的傳感器去做成像。

這些創新開源的技術，讓學生們可以像科學家一樣思考，達斯汀的實驗室一直在營造一個“以創新為基”的環境，鼓勵學生去針對不同的問題進行低成本和高性能的優化。