北极科考:随冰漂流

随着历史上最具雄心的北极气候研究多学科漂流计划完成第一航段考察,科学家雷瑞波细数科考进展和中国参与情况。

停泊在海冰上的德国破冰船“极星号”。图片来源: Alfred Wegener Institute/Marcel Nicolaus, CC BY

去年9月,随着德国破冰船“极星号”在俄罗斯破冰船“费德诺夫院士”号护送下离开挪威特罗姆索港起航,“北极气候多学科漂流冰站观测计划”(以下简称MOSAiC)拉开序幕。

MOSAiC将船锚泊在海冰上,在北冰洋随冰漂流一年。这是人类历史上规模最大的国际联合北极科学考察项目,来自17个不同国家的600名专家参与其中。

“极星号”破冰船将沿着北极冰层漂移。去年下半年以来,“极星号”一直停泊在冰层上,并将于今年9月结束科考任务。图片来源:Alfred Wegener Institute/Martin Künsting, CC BY

在科考启动仪式上,MOSAiC首席科学家、德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所的马库斯·雷克斯(Markus Rex)说,北极是全球气候变暖的核心区,已经发生了巨大的变化。“我们将首次能够在冬季测量北极中央区域的气候变化过程。因此,我们将首次能够全面了解这个区域的变化,并在气候模型中正确地予以表达。”

科学研究表明,北极变暖的速度是全球其他地区的两倍,导致海冰迅速消失。为了研究北极气候的变化及其在全球范围内的作用,或者对中高纬度地区天气和气候的影响,长达一年的现场观测和数据收集的探索之旅至关重要。

科学家开建“海洋之城”,这是MOSAiC的众多研究站点之一。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

18名中国科学家将参与MOSAiC不同阶段的活动。其中12人已经在2020年1月完成了第一阶段的考察,他们来自中国极地研究中心、自然资源部第一、第二海洋研究所、中国海洋大学、浙江大学、北京师范大学和太原理工大学等机构。

在这段时间里,“极星号”始终锚泊在一块浮冰上,大部分的观测研究也都是在这块浮冰上进行的,它已经从MOSAiC的起点向北极点方向漂移了200公里。

中国极地研究中心的海冰物理学家雷瑞波告诉我,他们目睹了北极光,遇到了来自北极熊的潜在威胁,熬过了恶劣天气、设备故障、缺乏鲜食和思乡之情。包括雷瑞波在内的一些科学家遭受了不同程度的冻伤。

中国极地研究中心的海冰物理学家雷瑞波。图片来源: Alfred Wegener Institute/Stefan Hendricks

当然,在乏味的旅途中也有很多乐趣。在船尾临时设置的防熊岗哨门上写着一行字:“你现在进入了MOSAiC马戏团。祝大家玩得开心,享受演出。”雷瑞波说,这句话生动地体现了从岗哨上看到的全景:科考队成员在外面的冰面上分成不同群组进行各自的科学工作。雷瑞波在日记中写道:“有人在采集冰芯样本,有人在监控雪坑,有人在安装设备,有人在放飞探空气球,有人在驾驶雪地摩托,还有人在清理冰洞,就像是马戏团上演的多彩纷呈的节目。”

充满活力的“极星号”科考船。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

雷瑞波回国后,1月下旬我通过电话采访,向他了解目前的科考进展情况。过去十年里,他参加过许多北极和南极的考察活动,这一次,他被任命为MOSAiC中国团队的协调员。

王妍:请问这个项目的目标是什么?与以往的北极研究相比,它有什么主要研究特色?

雷瑞波:MOSAiC的目标是获取迫切需要的关于大气、海洋和海冰相互作用及其对生态系统影响的现场数据,以便更好地了解北极气候的变化及其在全球范围内的作用。

MOSAiC并不是第一次尝试随冰漂流。19世纪晚期,挪威探险家曾开创性地尝试过三年的野外漂流工作(弗里德约夫·南森将他的船“弗拉姆”号冻结在北极浮冰中,试图到达北极点)。除此之外,前苏联和俄罗斯的科学家从20世纪30年代末就开始在北冰洋浮冰上设立观测基地。但是,由于近年来冬季冰层厚度减小,海冰变得不稳定,导致危险系数增加,建立漂流观测站的工作在2013年就停止了。

MOSAiC科学家在冰上设置气象设备
MOSAiC科学家在冰上设置气象设备。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

尽管北极研究一直都倡导国际合作,数据共享也是该领域各国科学家的通行做法,但规模如此之大、后勤支持水平如此之高的考察活动则是之前从未有过的。参与国对这次航行的资金投入更是前所未有。此次考察的后勤预算大约为1.4亿欧元。此外,尽管曾有过几次类似的长达一年的北极漂流考察,但最近一次还是在上世纪90年代末,而过去20年里,海冰状况发生了显著变化。以前收集的数据已不能填补目前对北极海冰认识上的空白,我们也无法描述近几十年来气候变化过程中随之发生的海冰物理过程变化。MOSAiC主要目的是收集大气、海冰、海洋、生态系统和生物地球化学循环五个学科的数据,以增进对气候系统各组成部分相互作用的了解。此外,科考队拥有最先进的监测技术和设备,以及世界各地北极科学的著名专家,为更好地了解北极提供了人类历史上最全面的机会。

王妍:您这次工作的重点是什么?能和我们分享您与其他学科子领域的互动吗?

雷瑞波:我的研究重点是海冰物理,特别是极区海冰的快速变化过程,以及海冰观测站技术和设备的发展。通过对北极海冰变化和大气-海冰-海洋相互作用的研究,揭示海冰对气候变化的影响和反馈。气候变暖会影响海冰的形成和季节性,而海冰的变化会进一步影响海洋生态。对海冰物理的研究还有利于研究包括二氧化碳和甲烷在内的温室气体在大气、雪、海冰和海洋之间的循环机制。

更具体地说,例如,通过在海冰上部署浮标,目标之一是研究海冰一年周期的热力学、运动学和动态变形,以及它们对大气强迫(例如强风暴)的响应规律。

赶在冬季冰完全冻结之前安装的SVP浮标,用来收集有关冰漂移速度和方向的数据。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

尽管不同领域的科学家在知识和理论背景上存在差异,但他们所研究的子领域是紧密联系在一起的。例如,对于相同的冰芯样本,物理学家关注的是冰芯的物理结构,以便描述气候变化对冰形成过程的影响,而生物学家则关注冰中包含的微生物,研究气候变暖对这种生物的影响。关注地球化学循环的科学家将研究冰中所含的温室气体,以解释大气和海洋之间通过冰雪的气体交换。所有这些研究成果,一旦结合起来,就可以彻底解释影响北冰洋中心区域不同圈层相互作用对气候系统和海洋生命的影响。

王妍:这类野外工作有什么挑战?

雷瑞波:整个过程从一开始就不容易。我们花了很长时间才找到足够厚的冰层来建造我们的主冰站,因为这一地区主要是一年内的薄冰,只有不到一米厚。主要的危险包括北极熊造访和发生风暴。由于极夜,没有阳光,即使是专业的防熊队员也很难在能见度有限的情况下利用船上的灯光发现它们。自9月下旬以来,我们见过几次北极熊,包括单独的熊和带着一两个幼崽的母熊。但幸运的是,它们离得不是很近,也没有发生什么危险的事情。当研究人员到浮冰上工作时,会有一个防熊队员跟着他们。一旦发现有熊,队员必须立即返回船上。如果无法逃脱,而熊又在30米以内,就会用信号枪吓跑熊。

北极熊可能对科学家的工作造成潜在威胁,也可能会损害科考队的研究设备。
北极熊可能对科学家的安全造成潜在威胁,也可能会损害科考队的研究设备。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

对于我们冰上工作来说,比遇见熊更大的挑战是强劲的冬季风暴。我们曾预测海冰在冬天会更稳定,但事实上并非如此。正常情况下,如果风速低于每秒17米可以认为是非大风天气,科学家就可以工作。然而,当风暴席卷冰面,除了耽误工作外,浮冰还有可能发生破碎,形成裂缝,破坏架在冰上的仪器,而随之而来的救援和修复工作意味着我们需要花更多的工作时间。例如,11月中旬的一场大风暴导致我们主冰站“中央观测区”30米高的气象塔倒塌。

王妍:科学家们是如何应付这种恶劣的工作条件的?

雷瑞波:考虑到参与国的巨大投资,科学家维护冰上观测仪器的安全至关重要。当然,我们也需要应对其他挑战,比如没有阳光、极端低温和长时间远离家人。按照德国航次组织方的要求,我们在参加考察前进行了严格的准备训练,包括消防、弃船演习、掉进冰水中的逃生措施以及应对北极熊的攻击等。

冰冻海域的海上生存培训是科考活动计划的一部分,目的是让MOSAiC团队为此次探险的艰苦条件做好准备。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

对于北极熊的攻击,我们被告知遇险时不要跑,至少不要按直线跑。这是因为,北极熊由于体重过重,惯性较大,如果一边跑一边试图改变方向,很容易摔倒,这样就给人们留出了逃跑的时间。这次除了让参加考察的队员进行野外生存或其他专业训练外,德国方面还做了充分的准备,聘请了8名专业的防熊后勤人员来确保我们的安全。他们中的大多数是来自北极国家的专业探险家或猎人,能够应对北极熊的攻击。但是对于大多数在浮冰上散布测量点的科考活动,我们仍然需要依靠科学家自身防熊。

王妍:到目前为止,有什么新的发现?有什么计划来分享这些数据?

雷瑞波:尽管条件极具挑战性,我们仍努力保持所有学科获得连续的观测数据。然而,目前还无法量化数据量,因为还有5个阶段的考察。到目前为止,科学家们对冬季科考形成了一个共识。我们之前认为,冬季由于气温降低和海冰增厚会导致海冰动力学过程减弱,然而,北极海冰异常变薄,大部分厚度不到一米。因此,它具有很强的动力学过程和不稳定性,尤其是在风暴肆虐的时候,海冰甚至会发生破碎。这也让我们极难找到一块足够厚的浮冰来建立冰站。当然,这也是我第一次在北极进行冬季科考。

科学家在建研究站前对冰层的厚度进行测试,今年的冰层异常的薄。 图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

之前的研究发现,北极地区冬季出现极端高温的频率在增加,在气温上升到接近零摄氏度时,甚至还不时出现雨夹雪天气。在我参加的第一阶段科考期间,温度总体正常,最高-4ºC,最低-34ºC。

我们有一个数据共享平台,这次考察收集的数据最终将成为人类社会的共同遗产。首先,参与者和对本次考察有贡献的研究人员可以通过共享平台获取实时数据。所有数据经过质量控制后,将在2023年前向公众开放。科学分析和气候模拟一旦完成,将为公众重新认识全球,尤其时北极气候变化的整体状况提供依据。

王妍:您能给我们详细介绍一下有关时间框架和参与人员方面的信息吗?

雷瑞波:整个MOSAiC科考分为六个航段,从2019年9月下旬持续到2020年10月下旬。按照计划,来自海洋、海冰、生态系统、大气和地球生物化学5个子领域的18名中国研究人员将参加其中5个阶段的研究。12月13日,在科学家和船员完成换岗后,我参与的第一航段的科考作业顺利完成。上海交通大学的海洋物理学者刘海龙教授与来自世界各地的60多名科学家一起开始开展第二航段的工作。

中国科学家加入来自17个不同国家的600名专家的MOSAiC考察团。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

王妍:中方在该项目中发挥了什么作用,北极研究取得了哪些成果?

雷瑞波:除了德国,美国,因为他们在北极科考和研究方面已经有了很多的经验,因此也是该项目最大的贡献者之一。中国、瑞典、俄罗斯也发挥了重要作用。此次考察主要基于德国破冰船“极星号”开展,按计划,瑞典、中国和俄罗斯的另外四艘破冰船将在接下来的一年中帮助运送人员和物资进出 MOSAiC冰站。中国新建造的极地科考破冰船“雪龙2号”将于2020年8月在第五和第六航段交接的过程中负责轮换科学家和物资的运输。

整个MOSAiC漂流计划由一个中央观测站、三个L(大)站点、八个M(中)站点和大约50个P(位置节点)站点组成,在“极星号”周围40公里半径内共有60多个观测站。在第一航段,中国为分布式观测站网络的建设贡献了大量观测装备,布放一个“无人冰站”、5个海洋剖面仪、16个海冰物质平衡浮标和20个海冰漂流浮标,而且大多数的浮标是在中国设计和建造的。

“极星号”上的两架直升机被用来运送物资和人员的同时,也担负着科研任务。图片来源:Alfred Wegener Institute/Esther Horvath, CC BY

通过国际合作,我们将收集所有观测站的数据,这必将促进北极海冰的动力学和热力学研究,提高对北极地区天气和海冰的预报能力。

1999年中国首次开展北极考察,至今已有10次,但没有一次是在冬季实施的。1999年以前,一些中国科学家参加了其他国家组织的北极考察活动。直到1993年,中国从乌克兰购买了“雪龙”号破冰船,并将其升级为极地科考船,中国才有了自己的科考破冰船。2008年以前,中国只在1999年和2003年进行过北极考察。从2008年(也就是第四个国际极地年)开始,我们每两年在北极地区进行一次考察;从2018年开始,考察将成为每年一次的业务化科学任务。2019年7月,中国首艘自主建造的极地破冰船“雪龙2号”下水,这将有效提升我国的极地研究和考察能力。随着未来更多的经费投入,我们预计秋冬季的考察活动将会成为可能。

王妍:能分享一下迄今为止您在这次科考中取得的个人成就吗?

雷瑞波:我的研究集中在监测海冰的变化上,研究工作主要基于第一阶段布放的浮标所收集的数据开展。与我之前的北极考察相比,由于MOSAiC强大的后勤保障能力,我布放了更多的浮标,到目前为止,这些浮标的存活率还是比较高的。更重要的是,依托MOSAiC我们可以全年地对浮标分布网络进行维护,通过与其他国家科学家的合作,接下来的几个航段我们将布放更多的浮标,确保可以不间断地收集高质量的观测数据。

MOSAiC的浮标网络为北极科学家提供了前所未有的数据集。
MOSAiC的浮标网络为北极科学家收集了前所未有的数据集。图片来源:Alfred Wegener Institute/Marcel Nicolaus, CC BY

考虑到这个项目前所未有的后勤和经费支持,我不能确定将来是否经常会有类似的大规模考察活动,但关于气候变化和北极的国际联合研究肯定会继续下去。 MOSAiC为人类共同研究北极气候变化提供了一个成功的范例。

 

本文与《中国新闻周刊》英文版合作发表,经作者授权略作编辑。

翻译:奇芳