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面对全球变暖,南极海冰为何不降反增?

时间: 2016年06月06日 | 作者: admin | 来源: NASA
随着气候变化,北极海冰急剧减少,而南极却没出现这种现象。


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上图为南极洲附近南大洋海域水深图,图中白色轮廓线为南极南部绕极流的所在位置,黑线为2002至2009年9月22日海水表层-1℃等温线,图中上部白色叉形标记处为布韦岛(Bouvet Island)。图片来源:NASA/JPL-Caltech


为何在北冰洋急剧消融的今天,南极周围的海冰覆盖面积仍在缓慢增加呢?以美国航空航天局为首的科研团队近期发现:这归因于南极洲与南大洋特殊的地质环境。


一个由美国航空航天局喷气推进实验室Son Nghiem博士领衔,美国航空航天局(NASA)、美国海洋大气局(NOAA)与各大学共同组建的科研团队利用卫星雷达、海水表面温度、地形与海洋水深等数据,揭示了影响南极海冰的因素及相应物理过程。他们发现,南极洲的地形与周围海域的水深是海冰变化的主要影响因素。因为地形持续影响着周围风场,而水深则会改变海流的运动,进而驱动南极海冰的形成与演化。与此同时,两者还能维持海冰覆盖面积,使其不易快速消融。


Nghiem说:“我们的研究有力说明,南极海冰的变化与南极地区的地球物理特征紧密相关,而北极地区的环境与南极又截然不同,这可能是南极海冰不降反升的原因。”


南极海冰的覆盖范围主要由头年冰(只生长了几个季节的冰体)的生长情况决定。海冰会在每年九月围着南极大陆生长至最大值,到来年2月又会消融17%左右。自上世纪70年代以来,南极海冰的覆盖范围较为稳定,总体呈缓慢增加趋势,但有局部差异存在。


这些年,科学家针对南极海冰的变化机制提出了多种理论,尤其关注在全球变暖背景下的海冰变化过程。比如,臭氧层空洞是否会影响海冰变化?南极冰架融水会不会降低海水盐度,进而促进海冰的形成(因为高盐度会抑制海水成冰过程)?海冰变厚是不是由于南极地区风力的增强?面对全球变暖,南极海冰覆盖面积不降反升一定是因为某些因素在起着“保护”作用。但是究竟是哪些因素,又是怎样在“保护”海冰,在此之前仍是个谜。


为了解决这个冰冻圈难题,Nghiem和他的团队成员们选取了一种全新的研究方法。他们分析了1999年-2009年间美国航空航天局QuikScat卫星采集的雷达数据,追踪了南极海冰的运动路径,并绘制出不同类型的海冰分布图。他们重点研究了2008年海冰生长季的变化过程,因为在这一年,南极海冰覆盖范围出现了特殊的季节性变化。


他们的研究表明,当海冰在生长季早期形成并积累起来时,它们会在风力作用下,往北漂离海岸,形成了一个由较老较厚的冰构成的环南极洲 “保护盾”。这些持续不断的风会沿下坡方向从大陆向外吹去,其流动方向受南极大陆的地形控制。它们把海冰堆积到巨型“冰盾”堆积上,进一步增加冰的厚度。这一圈宽度62~620英里(相当于100~1000千米)的冰带会将那些较新形成的薄冰封在后部的流冰群之中,防止其受到风浪侵蚀。


此外,该团队通过QuikScat雷达数据对不同类型的南极海冰进行分类,其原理主要是利用不同类型的海冰对雷达信号的回应不同,例如较早形成的厚冰会反射回较强的雷达信号。他们发现,“冰盾”中的海冰形成时间较早,冰雪的日积月累也会导致其厚度明显增加,且由于长时间暴露在风浪中,其表面也较不平坦。当海冰覆盖面积扩大,大陆上的冰也漂进海洋中时,冰后方的开放海面仿佛一个“冰工厂”,有助于海冰的快速增加。


为了理解巨型“冰盾”如何在南大洋保存下来,该研究团队将多颗卫星获取的海水表面温度数据与最近获得的世界海水深度图进行了综合分析。其中,海水表面温度数据表明,在海冰生长最快时期,“冰盾”的边缘仍在环南极洲30华氏度(相当于-1摄氏度)等温线以内,而该等温线又与南极绕极流南面锋的轨迹线几近重合,将南极周边的寒流与暖流一分为二。另外,该团队还提出了一种全新理论:正是海水水深的差别决定了这条绕极流锋面的位置(即等深线影响等温线分布)。


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南大洋海水表层温度图(单位:摄氏度),改自美国国家冰情中心(National Ice Center)发布的2009年9月22日南极海冰分布图,其中黑线为-1℃等温线,绿线为-1.4℃等温线。图片来源:NASA/JPL-Caltech


他们将南极地区水深图与海水温度图叠加对比时发现,有些等温线与等深线竟完美重合。此外,可能是由于凹凸的海底形态强烈影响着绕极流的运动,海底地形和南大洋观测到的部分海冰分布模式也非常符合。例如,绕极流会在布韦岛(Bouvet Island)附近停滞,停滞区距最近的岛约1000英里(相当于1600千米左右),而此地正是三个构造板块汇聚形成海底山脊之处。另外,在南极大陆东侧海域凯尔盖朗深海高原(Kerguelen Plateau)也有类似证据。凯尔盖朗深海高原是由古冈瓦纳超大陆分离出的一个海底微大陆,在这附近的海水表面-1℃等温线纠缠在一起,并经过一个名为“Fawn Trough”的深槽水道,但一到深海盆地等地形平缓处,等温线就“分道扬镳”了。而在西部海域,由于水深大,海底地形较为平坦,绕极流轨迹线并未与等深线对应变化,这也导致该地区海冰总量减少,年际变化较大。


该研究成果被发表在《环境遥感》杂志(Remote Sensing of Environment)上。其他的合作单位还包括:加利福尼亚大学洛杉矶分校区域地球系统科学与工程联合研究所(the Joint Institute for Regional Earth System Science and Engineering at UCLA)、西雅图华盛顿大学应用物理实验室(the Applied Physics Laboratory at the University of Washington in Seattle)、美国国家/海军冰情中心(the U.S. National/Naval Ice Center)和马里兰州休特兰美国国家海洋大气局卫星控制所(NOAA Satellite Operations Facility in Suitland, Maryland)。其余经费由美国国家科学基金会支持。


翻译:胡砚泊

审稿:颜磊


原文链接:http://www.nasa.gov/feature/jpl/study-helps-explain-sea-ice-differences-at-earths-poles