科普之窗

南极正在崩塌吗

冯杰

2019-03-07 02:05

理查德·B·艾利(Richard B. Alley)翻译:魏小洁
《光明日报》( 2019年03月07日 14版)


引言


我们正处在一个冰川融化,海平面上升的世界。


海水将沿着美国东海岸、墨西哥湾和世界各地的海岸线向内陆移动。现在,科学家们迫切地想知道,这场水灾是否比预期的还要严重——淹没深度可能是数十米,而不是一两米。其中最大的问题是:我们是否进入了融冰速度更快的时代?如果是这样,会融化多少、融化速度有多快?在很大程度上,答案取决于我们会做出怎样的决定,我们的决定又会如何影响南极洲西部巨大的思韦茨冰川(Thwaites Glacier)。最终,这将决定游弋在海边街道上的到底是跑车,还是长着鱼鳍、悄然潜行的海洋生物。


1.海平面究竟会上升多少


全球变暖不仅使山区的冰川融化,还使两极的冰量缩小,海洋不断扩张。在过去25年里,全球平均海平面每年上升0.25厘米以上,过一个世纪就会上升0.3米。如果陆地上的高山冰川也融化,会使海平面进一步上升0.3米。值得注意的是,南极和北极拥有范围巨大的冰盖,如果它们融化,可能会使海平面上升超过60米。即使它们只发生微弱的改变也会对我们的海岸带来巨大的变化。长达几千米、高达数百米的冰崖可能会逐渐断裂逐渐消失,大幅抬升海平面高度。


在预判本世纪海平面上升幅度时,一些有理有据的推测得出了相对温和的结论:变暖可能造成海平面上升0.6米,即便变暖剧烈,海平面上升的幅度也不会超过1.2米。此外,科学家们有确凿的证据表明,如果在未来的几个世纪中温度持续上升,海平面上升的数字将大幅增加。而当冰盖前缘出现退缩时,世界可能进入冰川加速融化的时代。


为了解这种情况是否会发生,我们不仅需要搜索新鲜的线索,还会通过研究地质历史和冰的物理学特征,做深入探讨。20年前在雅各布港冰川(Jakobshavn Glacier,格陵兰冰原中的重要组成部分)上发生的巨大变化,为我们提供了很多线索。那里的冰川会在自身重力作用下向大海方向移动,前缘逐渐融化或脱落后,后面的冰会向前移动,取而代之。当前缘损失大于后方补给时,前缘会后退,陆地上的冰盖也会缩小,海平面就会上升。


20世纪80年代,雅各布港冰川是已知移动速度最快的冰川之一,尽管它被冰架(海平面上冰层的延伸)阻挡,但依然向巴芬湾(Baffin Bay)奔流而去。20世纪90年代,海洋温度上升约1℃,冰架解体,陆地上连接冰架的冰川以超过原来2倍的速度向海岸移动。如今,雅各布港正在大规模地后退和变薄,这也是造成全球海平面上升的最重要的因素之一。岩石中的地质记录表明,过去也曾发生过类似的地质事件。我们目前的观测结果也显示,在格陵兰岛的其他冰川上,也发生了类似的活动。


如果体积庞大的思韦茨冰川也像雅各布港冰川那样被释放,它和附近的冰层可能会在短短几十年内崩塌,海平面可能会上升3.5米。值得反思的是,在不久的将来,我们会面对海平面迅速上升带来的灾难性风险吗?还是这种风险被夸大了?我们怎样才能合理推测思韦茨冰川在未来的活动模式?


2.全新的推算模型


推算思韦茨的威胁非常复杂。为了便于理解,我们以早餐为例。如果你将面糊倒在华夫饼机上,面糊就会蔓延到铁板的交叉网格上。从物理上来讲,面糊自身的重量会在抵消方格产生的摩擦力后,将边缘向外推。同理,当加热使面糊变硬,或者你用抹刀把面糊往回赶时,面糊扩散的速度就会减慢。


冰川的冰层就像一个巨大的华夫饼,厚度数百米,宽度与大陆相同。当连绵不断的雪落在上面后,就会逐渐被挤压成冰。这些巨大的冰丘十分坚韧,当我乘坐装备有重型滑雪装备的军用运输机降落在它们上面时,它们仍然在流动。冰川的温度通常只比熔点低几度,从而能够使冰长期保持足够软的状态,当冰从高处的中心区域缓慢地流向低处的边缘区域时,会更容易融化和脱落。例如,格陵兰岛和南极洲上更厚或更陡峭的丘顶区域扩散得比边缘区域更快。


如果任其生长,冰层会一直积累。当它变得足够厚和足够陡峭时,就会开始扩散、融化和破裂,从而让更多的降雪累积下来。正常情况下,冰丘可以持续很长一段时间,但在我们这颗变暖的星球上,似乎不是这样。在格陵兰岛和南极洲,每年降雪中的水分几乎都来自海洋,其总量相当于所有海洋表面蒸发了大约6.3毫米厚的一层海水。但是,通过融水径流或冰山“崩解”,海平面上升了一点,现在冰盖返回海洋的数量比前面的这个数字高出15%。如果融化的冰川量,始终超过降雪量,冰层就会消失。但以目前的速度来看,冰层可能需要近10万年才会消失。然而,如果气候变暖加剧,冰川融化就会加速,这是全球现在正面临的问题。


3.被润滑的冰川


冰盖的流动取决于冰堆的强度,冰堆与陆地接触部位的润滑程度,以及它是否被“抹刀”(一种附着的浮动冰架)所阻挡。一般情况下,大气升温会使冰软化,使冰层底部嵌入岩石中的冰块融化,从而使冰层快速滑向大海。但是,热量传递到3000米以下的冰层需要很长时间。因此,巨大的冰盖并没有因为最近一次冰河时期结束(一万多年前)出现的气温升高,而使整个冰层都完成加热。


要使冰川和冰川底部升温,还有一种更快的方法:让顶部的冰融化成水,然后倾泻到冰裂隙中。在格陵兰岛冰面两侧的一些地方,夏季的融水会聚集在地表的巨大空洞中,形成巨大而美丽的蓝色湖泊。因为水的密度大于冰,所以向下的重力压裂冰川,这些裂隙甚至可以裂至冰川底部,从而使积蓄的湖水排干。一个不断扩张的湖泊或许可以在一个小时(而不是一万年的时间)内,以大于尼亚加拉瀑布的能量冲向冰底,使冰川底层升温。


冰盖融化的过程很重要,科学家也在积极探索。然而,对于居住在沿岸的人们来说,冰盖融化并不是最大的担忧,因为我们相信高低起伏的冰床也会阻止冰盖快速向海洋的滑动。


如果同样的融冰机制发生在冰架上,带来的威胁可能更大。在非常寒冷的地方,即便有部分冰体流入海洋,它们仍然以冰的形式与冰盖连在一起,并且漂浮在海面上。这种形式的冰架几乎总出现在港湾状的海湾或峡湾中。因为与周围海岸线的摩擦,冰架的运动会减缓,海底的局部凸起也会使它搁浅。这种冰架减缓了陆地上的非浮冰流大海的速度。


暖空气使得冰架顶部形成湖泊,压裂冰架,当湖水通过裂缝穿透冰架时,冰架就可能崩塌。例如,2002年南极半岛思韦茨以北的拉森(Larsen)B冰架就在短短5周内几乎完全解体了,冰山像多米诺骨牌一样崩裂和倾倒。冰架已经开始漂浮,但这并没有使海平面立即上升,失去了冰架的阻挡后,陆地上的冰盖快速向海洋流动,就像放闸泄洪一样。此时,冰体的流动速度瞬间快了6~8倍。幸运的是,在狭窄的南极半岛,拉森B冰架后面没有太多冰,所以仅仅使海平面微弱上升。但这次的事件让大家都注意到,冰架有可能迅速解体,不再阻挡冰盖向前移动。正如雅各布港所发生的那样,冰架会因为变暖而融化。


当冰架消失时,面向大海一边的冰原峭壁会直接崩解出很多冰山。尽管这一幕可能让阿拉斯加和附近游船上的乘客兴奋,但它却加速了冰盖的消亡。在今天的雅各布港冰川,一些冰山会从一座高出海平面90米(约30层楼),向水下延伸约800米的悬崖上崩解下来。当这些冰山翻滚时,会溅起50层楼高的水花,伴生的地震在美国也可以监测到。


现在,我们已经知道冰架流失和冰山崩解对海平面上升有一定的影响。但对于思韦茨冰川来说,这一过程可能会引发戏剧性的变化,因为一次地质事件已经使这里的冰川处于“临界点”,随时可能汇入大本特利冰河下沟谷(Bentley Subglacial Trench),使海平面大幅升高。


4.本特利的发现


1956年秋天的一个早晨,查尔斯·本特利(Charles Bentley,于2017年去世,享年87岁,是本文作者的博士生导师)在哥伦比亚大学接受了学术论文答辩。第二天,他就跳上开往巴拿马的火车,随后赶上驶向南极洲的船只。他前往参加了国际地球物理年的一个研究项目,分析地球的一些地质特征。他在南极洲西部度过了两年的时间,回来后才发现当时论文的费用没有及时支付,从而延误了毕业。在此期间,他和团队穿越了5000多千米的冰层,穿梭于伯德空间站研究基地和南极洲西部的广大地区。


在他们推进的许多测量中,关于冰层厚度的信息对我们至关重要。在冰面上进行小型爆炸,并用地震仪来监听穿过冰盖从底床反弹出的回声后,他们得到了一些数据。这些数据显示,南极洲西部并不像人们想象的那样,只在隆起的大陆上覆盖了薄薄的一层冰。相反,这里的冰层很厚。他们还发现了本特利冰河下沟谷,这是地球上没有被海水覆盖的最深的地方,深约2500米的沟谷中填满了冰块。


本特利和同行的冰川学家发现了一个重要的临界点。在南极西部的冰盖下藏着巨大的海沟和与之相邻的盆地。如果思韦茨的前缘从海岸退回到海沟中,从海沟上方延伸到海沟深处的冰面,将高达近千米。这样的冰崖(比雅各布港或地球上其他任何地方都要大得多)可能会破裂得更快,形成更高的冰山,这些冰山会翻滚着从海沟出口漂向大海,从而大大提升海平面。


数十年的研究已经明确了这种机制的重要性。最近退休的约翰·安德森(John Anderson)在莱斯大学(Rice University)工作了43年。他和学生曾孜孜不倦地用侧扫声呐(以及其他工具)绘制了南极洲附近海域下的大陆架。南极的冰在冰河时期向四面八方延伸了很远的距离,随着冰河时代的结束,这些冰架也开始逐渐退缩。如今,南极洲周围的海底曾直接与冰层的底部接触。海底的沉积物或许可以给我们一些关于冰盖演化的有用信息。


有一种说法是,当不断膨胀的冰盖向海洋推进时,它们会牵引沉积物。当滑动的冰盖抵达海底向上突起的某些高地时,会稳定下来。随后被牵引的沉淀物就会继续在冰碛滩上(在冰体停止推进的地方形成的墙体式的结构,有很多石块,延伸很长的距离)堆积,从而建造出更高的海床。冰体可以在这样的位置上存在数百年或数千年,微小的影响并不会改变这种稳定状况。但当温度上升到一定程度后,冰体就会回撤,退回到冰碛滩之后的山谷中。此时冰体很难再稳定下来,直到它回撤到另一个地面凸起、相对较高的地方。而这通常距离上一个高点很远。与此同时,冰山就会从废弃的冰碛滩(依然低于海平面)上面漂向大海。


现在,南极洲和格陵兰岛周围的许多地方都发生着相似的故事。雅各布港冰川已经“跃过”了前冰碛滩的隆起部分,正通过山谷状峡湾后退,它“拉开”了一条通道,向更大的冰盖深处回撤。当第一批欧洲探险家参观现在的阿拉斯加州冰川湾时,在巨大的冰碛滩的上方横亘着冰川的最前沿。从那时起,冰体向内陆后退了近百千米,抵达了之后的一个相对高点,而这里就是现在美丽海湾的海岸线了。


幸运的是,大多数这类撤退对全球海平面的影响有限。即使是像海湾大小的冰川回撤,与世界海洋相比,也很小。雅各布港冰川只是格陵兰岛冰盖周围几十个向海洋滑动的冰川中的一个,它们不会很快破坏邻近峡湾的稳定性,在向内陆回撤的过程中也很快在遇到海床凸起后停止了。同样的,南极洲其实有大量类似的冰川流动在把冰块带向海洋,这些冰川滑向了它们自己的“华夫饼烙铁格”里。如果气候升温程度明显,大量冰川可能会同时回撤,但它们各自对全球海平面的影响并不大。


然而,南极洲西部的本特利冰河下沟谷,以及南极洲东部的一些深层地区(包括威尔克斯和奥罗拉盆地)的表现可能会完全不同。如果其中一个撤退到下一个高地,就可能在全球范围内产生显著影响。模型指出,思韦茨冰川的回撤路线最有可能进入本特利冰河下沟谷以及临近的盆地。如果它像雅各布港冰川那样向内部回撤,融冰过程可能会使海平面上升3.5米,然后在沟盆另一侧的高地稳定下来。如果南极东部盆地上的冰川融化,可能会比思韦茨地区融化使海平面抬升更高,但它们需要更大幅度的变暖,才能使冰川进入融化过程。


然而这种情况并不是什么奇特的现象。当温度足够高时,冰层就会回撤,当抵达下一个高地时才会稳定。这在过去和现在都曾反复出现过。如果思韦茨变得足够温暖,开始像格陵兰和阿拉斯加的冰川一样开始融化,那它就该回撤了。


5.思韦茨冰川要崩塌吗


思韦茨回撤的过程能有多快?气温升高多少,它才会回撤?


宾夕法尼亚州立大学的戴维·波拉德(David Pollard)、马萨诸塞大学阿默斯特分校的罗伯特·M·德康托(Robert M. DeConto)和同事构建了一个冰流模型。这个模型希望利用物理学原理,在运行速度足够快的先进计算机上,模拟冰盖在长时间尺度上的巨大变化。在冰架破裂,冰山从悬崖上崩解出来的过程中,我为他们提供了一点帮助,尤其是当表面融水向下压开裂缝时。


波拉德和德康托对模型进行了优化,从而匹配地质历史的记录,以及评估各种人为变暖的影响。他们相信,即使气候快速变暖,我们也需要几十年的时间才有可能遭遇思韦茨冰川冰架垮塌和融水使裂缝系统扩大的问题。思韦茨至少需要一个世纪才有可能彻底崩塌。不过,他们并不确定冰川会以多快的速度融化,所以他们设定了一个与雅各布港冰川在格陵兰岛的融化速度相当的最大速度(事实上,雅各布港冰川的融化已经超过了这个速度)。可是,思韦茨更厚,可以形成比雅各布港更高的悬崖,而更高的悬崖往往破碎更快。所以我们很有可能低估了最坏情况,但我们确实不知道会这样。


这其实是一个很好的模型,但它肯定不是波拉德和德孔托等人的最终结论。目前最希望发生的是,思韦茨冰川可以稳定在海沟下坡方向一个稍微隆起的山脊上,这个位置就在之前的高点后方,距离不远,后面的深沟还保留了很大的空间。或者,冰山断裂后,在目前山脊的后方堆积一段时间,从而减少冰川的流失,形成新的冰架,进一步减少冰体向海洋滑动的可能。


为了解决以上问题,美国科学基金会(National Science Foundation)和英国南极调查局(British Antarctic Survey)联合国际合作者,共同开展了一项重大项目。这个项目可以了解更多关于思韦茨的历史、冰川的流动,以及当流动发生时海底表面究竟发生了什么。研究或许可以帮助我们更好地预测未来,项目中收集的数据也很迷人,几乎可以确定能够减少很多不确定性。


然而,有些问题可能还是难以回答。想想那些掉在坚硬地板上的陶瓷咖啡杯。有些弹了起来、有些裂了缝,有些碎成了几瓣,而有些则碎裂成上百万块碎片。咖啡杯碎裂的物理过程是众所周知的,也很容易计算出来,因此杯子掉落的总体情况是可以预测的。但是,没人敢押上自己的职业生涯,或者其他重要的事情,去预测某一个杯子落地后会变成什么样子。


思韦茨的未来在很大程度上取决于裂缝系统。冰架是否会从不断为它提供补给的冰盖中断裂开来?冰盖是否会越过隆起,向盆地深处回撤?如果冰架的崩解在冰盖的前沿形成一个比地球上任何现存冰崖都要高的悬崖,会导致我们前所未见的快速大撤退吗?冰雪融化成水的过程也很重要,但是有多少水会从河流流向大海,又有多少会渗入雪中重新冻结?空气变暖的速度有多快?相比之下,我觉得咖啡杯的问题更容易预测。


如果世界各国能够集中力量,减缓和阻止温室气体排放造成的气候变暖,减轻沿海地区日益加剧的破坏程度,海平面上升的过程或许会减缓。但如果思韦茨迅速后退,通过限制人类活动造成的环境破坏,从而防止气候变暖,可能会更有价值。


融化后的冰水正在渗入格陵兰岛的冰盖中,这会加速它向海洋下沉的过程——这是南极洲即将发生的事情的标志。


(作者:理查德·B·艾利(Richard B. Alley),系宾夕法尼亚州立大学地球科学系教授,他研究冰盖长达40多年,曾就各种气候问题为美国政府提供咨询和建议)


  


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