在本世纪末，
南极冰盖融化量将会达到现在的6-7倍，
接近格陵兰冰盖水平。
所以，南极冰盖的表面融化是不能忽视的。
格致论道·湾区第19期 | 2022年9月23日 广州大家好，我是中山大学测绘科学与技术学院的郑雷，主要从事极地遥感和气候变化研究。今天跟大家分享的内容是《从太空看冰盖消融》。大家听过冰盖吧？地球上有北极的格陵兰冰盖，还有南极的南极冰盖。冰盖有一个严格的定义，指的是面积大于5万平方公里的冰川，所以冰盖也是冰川的一种。那么大家有没有听过冰架呢？冰架指的冰盖漂浮到海洋上面的部分，它的底下是海水。
▲NASA, IceBridge
现在，通过先进的观测技术可以估算出格陵兰冰盖的厚度约1500米。格陵兰冰盖的冰若全部融化，会导致海平面上升7米。▲Credit: Zina Deretsky
南极冰盖更厚一些，大约有2000米，而且面积也更大一些，全部消融的后果更严重，会导致海平面上升58米。也就是说，如果两极冰盖同时消融，将会导致海平面上升65米。
▲Credit:NASA/JPL
全球变暖已经在导致两极冰盖和冰川的消融。这些融水排到海里，进而导致海平面上升。上图的横轴表示时间，纵轴表示海平面的变化。在1993-2020年有卫星观测的时间段内，海平面上升了90毫米，其中冰盖和冰川的消融占了60%左右，是主导原因。另一部分原因是海洋的热膨胀。物体有热胀冷缩的效应，海水也是一样，在全球增温的背景下，海水也会热胀冷缩。海平面上升的影响究竟是怎么样的？这里举一个例子——粤港澳大湾区在不同海平面上升的情景下的被淹没范围。▲Surging Sea, RISK ZONE MAP
如图所示，浅蓝色表示淹没范围，海平面上升1米，大湾区很多城市里低洼的地方会被淹没；海平面上升10米，粤港澳大湾区大部分城市就会被海水完全淹没。▲ Credit: Gilgit-Baltistan Disaster Management2022年9月初，巴基斯坦遭受特大洪灾，国土1/3的区域被淹，冰川融水就是此次洪灾的罪魁祸首之一。▲Credit: Jens Christiansson格陵兰冰盖剧烈的消融也会引发洪水，导致桥梁被损坏。除了海平面上升导致洪水灾害，威胁沿岸城镇的安全之外，冰盖消融也会影响航行的安全。在南极考察过程中，中国“雪龙”号极地考察船就曾经撞上过冰山，非常惊险，好在最后成功脱困了。两极冰盖在遥远的极地地区，应该怎么对它的消融状况进行监测？这就需要用到大尺度卫星遥感。卫星遥感是一种不接触、远距离的观测方式，不需要到达冰盖实地现场，就可以知道真实的冰盖融化状态。大部分对地观测的卫星都是极轨卫星，它的轨道是围绕南北极旋转的，方便我们获得大量的南北极观测数据，这是卫星遥感监测冰盖消融的先天优势。这个是可见光遥感，跟手机拍照的原理差不多，就是通过反射太阳光来得到冰雪消融的信息，比如上面有没有湖泊，有没有水。另外一种是雷达遥感，就是向地物发射电磁波，然后通过反射的电磁波来了解地物的信息和状态。除此之外还有重力卫星。它的原理是，由于物体质量的变化会导致重力变化，通过星载重力观测设备探测到的重力的变化，就可以反推出冰盖冰雪质量的变化，最后就可以知道有多少冰雪融化了。视频中暖色部分是冰盖消融区。格陵兰冰盖的消融主要在周边一圈，南极冰盖的消融主要是在西南部。总体来说，虽然格陵兰冰盖的块头比南极冰盖小很多，但格陵兰冰盖冰雪质量损失的速度大概是南极冰盖的2倍。冰盖消融的过程是什么样的呢？一方面是表面的冰雪融化，在冰盖上形成湖泊、河流，融水会直接排到海洋里；另一方面，冰盖中间高、四周低，上面的冰在重力的作用下向四周运动，最后排放到海洋里。▲Credit: NSIDC
现在北半球极端高温天气越来越多，在2012年，整个格陵兰冰盖都出现了融化。这主要因为2012年7月，格陵兰冰盖经过了一次极端高温事件。▲Zheng et al., 2022
这一年总共产生了约1万亿吨的融水，如果这些融水全部排到海里，将会导致海平面上升3厘米，这是非常吓人的。2022年9月初，格陵兰冰盖表面消融又达到了一个异常高值。
那么南极冰盖又是怎么消融的？实际上，两个极地冰盖融化的过程并不一样。南极冰盖周边有大型的冰架，就是漂浮在海面上的这部分冰。南极冰盖上的冰将会通过冰架汇到海洋里。冰架的物质损失是怎么来的呢？南极冰盖每年都会有冰架崩解，而这些冰架崩解的频率越来越快，周期越来越短，面积和范围越来越大。这与全球气候变化，包括全球大气变暖、海洋变暖有关系，这也是大家所担心的。
还有一大原因就是冰架底部的融化。实际上，对于南极冰盖来说，底部的暖水侵入导致冰架底部的消融是物质损失最主要的原因，这部分占了整体融化的67%，也就是说2/3的冰体是通过这种方式融化的。刚才说到，格陵兰冰盖表面消融非常剧烈，那么南极冰盖怎么样呢？传统上大家认为南极冰盖表面融化基本上可以忽略不计。首先来看一下冰架的崩解。中山大学极地遥感团队打造了我们国家第一颗极地观测小卫星“冰路卫星”，专门对极地冰盖和海冰进行高频次的观测。2019年，卫星发射升空，同年就监测到了南极Amery冰架的大型崩解，而中国南极中山站就在Amery冰架附近。卫星遥感监测结果表明，其崩解范围大概跟珠海市的大小差不多，令人非常震惊。
目前，我们已经向全世界公开发布了这个数据。如果大家对卫星遥感感兴趣，可以了解一下，也可以下载查看，看看冰盖、冰架，甚至可以分析它的变化。那么，卫星遥感有办法观测到冰盖底部融化吗？直接观测是非常困难的，因为卫星遥感只能获得表层或者次表面的一些信息。这个时候就需要通过间接的方式估算它的底部融化。▲左：测高卫星观测冰架出水高度
右：浮力定律估算冰架厚度变化
Adusumilli et al, 2020
首先，我们通过测高卫星可以知道冰架的高程。冰架是漂浮在海面上的，根据浮力定律就可以估算出冰厚的变化。减去表面变化的影响之后，就可以计算出底部的融化的贡献。但是，南极冰盖的表面融化真的可以忽略不计吗？现在有越来越多的学者开始认识到，表面融化的影响远比想象的更大、更严重。要真正解决这个问题，需要去现场进行科学的观测和论证。因此我参加了中国第38次南极考察，历时174天，航行3.3万海里。我们穿越了五大洲、四大洋，我的主要任务就是监测极地冰雪环境，特别是冰川的融化状态。我们首先要穿越西风带。南半球的大陆比较少，西风带风浪特别大，我们的船会剧烈的晃动，躺在床上可能就会被摇晃下来。船摇晃这么厉害，很多人就会晕船。有一首西风带十字歌，很形象地描述了我们当时的状态。“一言不发，两眼无神”，就是大家大眼瞪小眼，都不愿意说话。“三餐不食”，没有人愿意吃东西，有一些意志力比较坚强的基本上也吃多少吐多少。然后大部分人都是“四肢无力，五脏翻腾，六神无主，七上八下”。大家一直都躺在床上，但是躺着也没那么舒服，我们有些队员，在穿越西风带的3-7天，最多一个礼拜的时间，基本上天天躺在床上，的确是“久卧不起，十分难受”。但是，也有少部分的队员是没有受到任何影响的，包括我本人。这种生力军就会被派去帮厨。我到厨房的时候，发现厨师竟然趴在地上切菜，因为厨师也有非常强的晕船反应，但是仍然在坚持给大家准备食物，非常令人敬佩。我们穿越了西风带之后，立马就见到了冰山，没过多久就进入了浮冰区。进入浮冰区的直观感受就是，人类真的是太渺小了，自然界给人类的压力非常大。但是另一方面，在国之重器“雪龙”号上，能体会到它给我们带来的安全感。 ▲Credit: Lei Zheng
我们坐着破冰船穿过浮冰区，就到达了冰盖。即便当时是夏季，也还是十分寒冷，风雪非常大，要防止冻伤，外出作业非常的辛苦。▲Credit: Lei Zheng
像图中这种白化天气，当时的可见度是很差的，在野外很容易迷路，非常的危险。 ▲Credit: Lei Zheng
即便在这种狂风暴雪的情况下，我们仍然在冰盖上面发现了大量的消融迹象。左图就是在我国中山站附近观测到的融水汇集的情况。经过近3个礼拜的航行，我们抵达了罗斯海。在右图中，在南纬75度这么高纬度的地方，我们仍然发现了大面积的消融。虽然这个河流不是很宽，但它非常长，接近10公里。 ▲Credit: Lei Zheng
除了现场观测冰盖消融，也能从雪层知道过去冰盖消融的情况。冰面会融化也会冻结，大部分的水冻结在雪层里面，冰雪融化得越厉害，冻结形成的冰层就越厚。 ▲Credit: Lei Zheng
我们通过挖雪坑发现，前年（2019-2020年）的冰雪融化比今年（2021-2022年）还要严重，因为前年形成的冰层，我们已经钻不下去了。 ▲Credit: Lei Zheng
现场工作是非常耗时耗力的。如果想知道大范围冰雪消融的状态，我们要借助大型固定翼无人机。 ▲Credit: Lei Zheng
通过无人机在天空对冰盖进行观测，我们发现冰盖上面发育了非常好的冰面湖泊，它就跟我们在陆地见到的湖泊一样，汇聚了很多融水。然后，我们对它进行三维成图、地形测绘，发现这个湖的深度超过10米。 ▲Credit: Lei Zheng
无人机的用途也非常多，比如还可以监测企鹅，这是我们拍摄的企鹅视频。企鹅栖息地为什么呈现红色？主要由于企鹅喜欢吃磷虾，磷虾是红色的，所以企鹅的粪便也是红色的。图中黑色的点点就是企鹅的巢穴，根据我们观测的巢穴的数量，就可以大致知道种群的数量。当然，冰盖消融产生的融水排到海洋里，会导致近岸的生态系统发生变化，也会影响到企鹅的生存。
▲Credit: Lei Zheng
这个视频是我们在今年2月非常冷的时候拍摄的，在南纬75度，因为广泛的冰面消融形成了冰面湖。据右下图可知，卫星遥感并没有监测到这些融化，它的分辨率太低了，但是我们在现场确实发现了非常剧烈的冰面消融现象。▲Bell et al., 2018
以前很多科学家认为南极冰盖的表面消融并不剧烈，融水不会立刻排走，大部分都在原地冻结了。但从视频中可以看出，有很多融水储存在冰盖的内部，不会立刻冻结。
这些融水的温度比冰的温度要高，所以它会顺着冰架里形成的裂隙流淌，扩大裂隙，导致冰架崩解。这也是令人非常震惊的，它会直接导致冰架的物质平衡的变化。▲MODIS卫星监测的Larsen B冰架崩解，Credit: NASA
这是一个非常直观的遥感监测图，就是2002年Larsen B冰架的崩解，表面大型的融化事件直接触动了冰架大体量崩解的现象。
所以，南极冰盖的消融的影响远比我们想象的要严重很多。▲左：融化量随气温呈指数上升
右：模型预测21世纪南极冰盖融化量
通过模型的预测发现，南极冰盖的表面融化量会随着气温变化呈现指数上升。在本世纪末，南极冰盖融化量将会达到现在的6-7倍，接近格陵兰冰盖水平。所以，南极冰盖的表面融化是不能忽视的。最近，著名《科学》杂志总结了全球升温1.5摄氏度后可能引发的气候变化的临界点。达到临界点后，气候系统的变化过程是不可逆的，包括西南极，还有整个格陵兰冰盖的崩塌。这将对人类造成巨大的影响，比如海平面上升。政府间气候变化专门委员会在气候变化评估报告中指出，人类活动带来的化石燃料的排放是导致全球变暖主要的原因之一。减缓冰盖消融、应对全球气候变化，大家要做的非常重要的一件事就是节能减排。所以，希望每个人在日常生活中低碳生活、绿色出行，从我做起。
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