北冰洋科考隊做了哪些調查

2023 年7 月24 日16 時34 分，中國第13 次北冰洋科學考察隊搭乘“雪龍2”號極地科考破冰船穿越北極圈，進入北極海域航行。9 月14 日，科考隊向南駛出北極圈，離開北極地區。在北極地區長達53 天的航行中，科考隊聚焦中北冰洋太平洋扇區和加克洋中脊兩大區域，開展了海洋綜合調查作業、海冰綜合調查作業、地質和地球物理調查作業，并按照考察計劃完成了科學研究計劃類項目和中泰、中俄國際合作項目。

海冰綜合調查是什么？地質和地球物理調查有著怎樣的意義？下面，我們就一起來了解。

海冰綜合調查

海冰的作用有哪些

海水可吸收90%以上的太陽短波輻射，海冰冰面卻能反射70%左右的太陽短波輻射，雪面則可反射90%左右。衛星數據顯示，1984—2022年，北極海冰消融了2/3。

“在氣候變暖的大背景下，北極是全球升溫最快的區域之一。這一現象與海冰本身的作用和其大面積融化息息相關。”中國極地研究中心（中國極地研究所）副研究員、大洋隊海冰組組長林龍介紹，地球如果保持長期適宜人類生存的環境，其溫度必須相對恒定，需要地球以某種形式將太陽“給”到地球的熱量“還回去”，這在很大程度上要依靠北極海冰反射太陽短波輻射。因此，極地的冷卻作用在地球氣候系統中扮演著至關重要的角色。

在全球變暖的大趨勢下，海冰融化，海面比例就會增加，這時北極反射太陽輻射的能力成比例減弱，海面吸收太陽輻射的能力成比例增強，進而使得海冰融化加速，這就是“冰雪正反饋機制”。林龍表示，這種機制削弱了北極對于地球的冷卻作用。

“海冰能夠在極地氣候變化中對海洋生態系統起到保護作用。如果氣候變暖，海冰就多化一點，海水的升溫就不會那么劇烈；如果氣候變冷，海冰就增加一些，同樣能避免海水溫度的急劇下降。有了海冰這道‘屏障’，北極的生態系統在應對氣候變化時就會更加從容。”林龍說。

海冰研究的目的是什么

在此次科考的海冰綜合調查作業現場，科考隊員用專業設備在冰面打洞，他們準備布放海冰物質平衡浮標，用來監測海冰的溫度、冰厚、表面雪厚等參數。

科考隊員進行海冰取樣

“本次科考海冰綜合調查作業的重要目的之一是研究海冰物質和能量的季節性演變過程及其與大氣和海洋的相互作用，進而揭開更多關于北極氣候變化的奧秘。”林龍說，“冬季的現場海冰觀測難度極大，布放無人值守的海冰物質平衡浮標是獲取全季節海冰物理數據的重要手段。”

除了物理學視角，海冰研究也是工程領域的重要內容。

每到一個海冰綜合調查作業站位，大連理工大學高級實驗師陳曉東都要在破冰船舷側尋找合適的海冰來切割、采樣，并統計每塊冰的溫度、密度、鹽度、強度等參數。船舶與海冰碰撞時產生的瞬間沖擊力要遠遠大于開闊海域航行時的水阻力，這對船舶的航行和結構設計是巨大挑戰。掌握航行海域海冰的相應物理參數，可以為船舶設計提供參考。

海冰研究的難點在哪里

在海冰作業現場，部分精密儀器需要裸手操作，數據的記錄需要錄入電腦甚至手寫。頂著寒風、踩著積雪，科考隊員不僅要保持充足的體力，而且要有清醒的頭腦和堅定的意志。

“在寒冷的環境下，人體機能會下降，人的思維也會變得緩慢，在一定程度上會導致試驗效率和試驗成功率明顯降低。”陳曉東說。

“從宏觀角度看，海冰研究周期長、消耗大。”林龍說，以北極為例，船舶只能在夏季航行，冬季難以抵達。即使有無人值守設備，也面臨著潛在的海冰融化導致的設備故障等風險，故海冰研究對人力依然有較強依賴性。此外，船舶的航行、科考設備的運輸及消耗也在客觀上為海冰研究增加了成本。

地質和地球物理調查

地質和地球物理調查是什么

在解釋地質和地球物理調查前，中國第13次北冰洋科考隊隊員、自然資源部第二海洋研究所副研究員沈中延拿出了一個蘋果。“想知道這個蘋果的內部結構非常簡單，拿出一把水果刀，想怎么切就怎么切。”沈中延說，“但是，對于表面70%以上被水覆蓋的地球這個‘大蘋果’而言，我們沒辦法切開它。所以，要借助一些方法來搞清楚它的內部結構。”

海洋科學家們經過探索、實踐，形成了海洋地質和海洋地球物理兩門學科。沈中延介紹，海洋地質是通過獲取海底沉積物、巖石等樣品進行分析，以研究地球物質組成及地質環境演變的一門學科。海洋地球物理則是通過研究地球的重力、磁場等物理特性，來研究它的內部構造、結構以及演變過程的一門學科。

在本航次作業中，圍繞兩門學科開展的作業合稱“地質和地球物理調查”。

科考隊員準備進行箱式沉積物采樣作業

科考隊員采集海洋底質樣品

關于兩門學科的區別，沈中延解釋：“海洋地質研究通過海底取樣的方式分析樣本，并根據觀察與分析得出結論；海洋地球物理研究則需要通過專業儀器設備，采用物理手段進行探測，得出數據并進行分析。簡言之，取樣的就是海洋地質研究，不取樣的就是海洋地球物理研究。”

開展調查研究有何意義

在此次科考中，重力柱取樣是一項重要的作業內容。具體操作方式是將相關設備沉入海底，從海底泥表向下垂直取樣，獲得長達幾米的海底沉積物柱狀樣本，并通過分析樣本由深至淺的地質信息變化來了解地球地質環境的演變歷史。

中國第13次北冰洋科考隊隊員、浙江大學博士生童政毅介紹，一般來說，離陸地越遠，海底沉積物的沉積速度越慢。“我們執行作業的加克洋中脊海域靠近北冰洋中心區域，幾米長的泥樣可能包含了長達上萬年的地球環境、氣候演變信息。”

除了能幫助人們更好地認識地球，海洋地質和海洋地球物理研究同樣具有實用價值。

“比如，在城市基建的拓展中，勘探人員可以通過專業的儀器發現地下空洞，從而對潛在風險進行規避。此外，海洋地質和海洋地球物理研究在考古、地下水勘探、資源勘探等方面也能起到至關重要的作用。”沈中延說。

相關研究利器有哪些

碎石取樣器是本航次海洋地質研究的重要設備。童政毅表示，該設備主要取樣海底火山噴發所產生的火山玻璃層，通過分析其化學成分和形成時間，進而指示該處在一定時間尺度內的環境變化。

碎石取樣器的外觀是柱狀，其下部和上部有許多蠟塊。取樣時，取樣器沉入海底，蠟塊會接觸海底底質，將海底的火山玻璃“粘”上來。

整個地質和地球物理調查作業中最精彩的環節莫過于海底大地電磁儀（OBEM）和海底地震儀（OBS）的布放和回收。

中國第13次北冰洋科考隊隊員、自然資源部第二海洋研究所助理研究員劉亞楠介紹，OBEM和OBS均為地球物理研究的重要設備，是經過組裝之后的球狀監測儀器，呈橘黃色，在使用時投放海底進行數據收集，并在當個航次進行回收。