王治鈞

全球變暖正在加速南極冰川的融化，人類隨之將面臨全球海平面的升高以及島國和沿海城市的安全問題，這是一個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)。2002年位于南極半島的拉森冰架崩塌，2008年位于南極半島西南側(cè)的威爾金斯冰架中約570平方千米的冰體也發(fā)生了崩塌，由此可見，這并不是危言聳聽。因南極地區(qū)環(huán)境惡劣，致使長期以來關(guān)于南極洲的地質(zhì)學(xué)研究幾乎空白，隨著近十年期間透地雷達(dá)、衛(wèi)星影像等遙觀技術(shù)的不斷發(fā)展，南極洲冰下的結(jié)構(gòu)才逐漸被人們揭示出來。

達(dá)斯汀·施羅德是美國斯坦福大學(xué)的雷達(dá)冰川學(xué)家，他曾參與多個(gè)冰川科考研究項(xiàng)目，也參與過美國國家航空航天局（NASA）冰橋（IceBridge）科學(xué)計(jì)劃，擅長利用透地雷達(dá)研究冰川和冰層，他的研究覆蓋了南極冰川、格林蘭島冰川，以及木星的冰川衛(wèi)星。

達(dá)斯汀曾在TEDx斯坦福的活動(dòng)中分享了他的團(tuán)隊(duì)是如何用雷達(dá)探冰以及未來引起海平面上升的可能性。

給飛機(jī)裝上“透視眼”

當(dāng)科學(xué)家談?wù)撈鸷Ｆ矫嫔仙臅r(shí)候，通常會(huì)用一個(gè)基于冰層和氣候模型制作出來的海平面變化預(yù)測(cè)模型圖。包括過去300年海平面歷史數(shù)據(jù)，下圖所示的黑圈區(qū)域，是科學(xué)家用模型預(yù)測(cè)出的未來百年后的海平面可能達(dá)到的高度范圍。下面的箭頭指示是當(dāng)前的海平面，如果百年后的海平面數(shù)值增長的下限位置提高0.5米，就會(huì)影響到400多萬人口，他們需要遷移到更高地方，如果達(dá)到預(yù)測(cè)的上限1.2米，影響將會(huì)更大。

如果把一些極端情況考慮進(jìn)來：比如南極部分冰川一旦坍塌消融，海平面數(shù)字會(huì)大大超出預(yù)測(cè)區(qū)間。

我們需要重視冰川坍塌的可能性。要具體研究冰川坍塌的可能性，研究員們需要建立一套坍塌消融模型，包括它發(fā)生的條件、坍塌過程和物理原理等，這是難點(diǎn)所在，因?yàn)楸ㄌl(fā)生在冰面以下幾千米的地方，衛(wèi)星探測(cè)等技術(shù)對(duì)此有一定的局限性。

對(duì)于南極冰川研究的一大挑戰(zhàn)是：地理覆蓋龐大，時(shí)間上跨度大。就地理空間上說，這是一塊特殊的大陸，平均海拔2350米，是平均海拔最高的大陸，那里甚至比撒哈拉沙漠更為干燥，有部分區(qū)域比火星還要寒冷。就時(shí)間跨度而言，南極冰川不僅以千年和百年的時(shí)間跨度在變化，在短短數(shù)天內(nèi)也在不停地發(fā)生改變。如果對(duì)整個(gè)冰層下數(shù)公里的區(qū)域進(jìn)行持續(xù)長期的觀測(cè)，難度可想而知。

為了研究冰川，達(dá)斯汀領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)通過透地雷達(dá)的方式來探測(cè)冰川內(nèi)部。他們將可以穿透冰層的雷達(dá)系統(tǒng)吊裝到DC-3運(yùn)輸機(jī)上——這種機(jī)型因性能可靠曾經(jīng)在二戰(zhàn)時(shí)期被大量使用，一直沿用至今。

在機(jī)翼下裝置的雷達(dá)天線，發(fā)射雷達(dá)信號(hào)傳送到下面的冰層，同時(shí)傳回有關(guān)于在冰層內(nèi)部和下面狀況的信息。

在這個(gè)過程中，科學(xué)家和工程師需要在飛機(jī)上連續(xù)工作8個(gè)小時(shí)，確保雷達(dá)運(yùn)行正常。

通過這樣的飛行考察得到的雷達(dá)測(cè)繪圖展現(xiàn)了冰層的垂直信息，就像是一塊蛋糕的截面。頂部是冰層的表面，底部是大陸的基巖，中間的冰層包含著冰層歷史的相關(guān)信息。

這個(gè)雷達(dá)透冰探測(cè)技術(shù)十分有效。它可以透過冰層觀察3千米以下的冰川，實(shí)踐證明這是研究冰層的完美工具。

幾十年來不同國家組成的團(tuán)隊(duì)和國際合作項(xiàng)目利用雷達(dá)繪制了南極大陸的冰川圖，把這些數(shù)據(jù)匯總疊加在一起分析，我們就可以得出一個(gè)真實(shí)的南極大陸圖像。

然而幾十年的時(shí)間里，打造的僅僅是南極表層的一個(gè)快照，并沒有關(guān)于冰層如何演變的線索，研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到需要加入時(shí)間線，看它的變化，而這才是研究的重點(diǎn)。

填補(bǔ) “透視眼”盲區(qū)的老膠片

達(dá)斯汀和斯坦福、劍橋等一些科學(xué)家希望能從以往的數(shù)據(jù)資料中找到更有價(jià)值的“寶藏”。

研究團(tuán)隊(duì)找到了1971年—1979年間收集南極冰蓋數(shù)據(jù)的舊膠片。達(dá)斯汀如獲至寶，他知道美國電影藝術(shù)科學(xué)檔案館會(huì)將老電影的膠片電子化處理成數(shù)碼電影，于是達(dá)斯汀借用了這套數(shù)位修復(fù)設(shè)備，和團(tuán)隊(duì)重新制備了老膠片的所有信息。

當(dāng)時(shí)的透冰雷達(dá)探索了南極表面以下的山脈，火山和湖泊，以及冰蓋內(nèi)的層，揭示了氣候和流量的歷史。某些地區(qū)很難到達(dá)，幸運(yùn)的是碰巧前人飛過這些冰川。

當(dāng)年的雷達(dá)數(shù)據(jù)在數(shù)字化處理之后，最終研究員們獲得200萬個(gè)高清的圖像，他們花費(fèi)巨大的精力把50年前的信息與冰層的現(xiàn)狀進(jìn)行比對(duì)分析。

幸運(yùn)的是，舊數(shù)據(jù)記錄得極其詳細(xì)，以至于可以輕松從中分辨出此前火山爆發(fā)留下的灰層、以及那些侵蝕冰層的通道。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了有關(guān)南極洲環(huán)境歷史、以及氣候變化是如何影響該地區(qū)的更多細(xì)節(jié)。

研究員們?cè)诜治鰧?duì)比后得出一些結(jié)論：和50年前的舊影像相對(duì)比，南極的懷特冰川冰架已經(jīng)越來越薄，僅1978年—2009年間就萎縮了1/3，融化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們?cè)?jīng)的預(yù)測(cè)。

這些數(shù)據(jù)已經(jīng)在線發(fā)布到斯坦福圖書館的公共檔案，其他科學(xué)家也能夠?qū)⑵渑c現(xiàn)代雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用以了解幾十年來冰層厚度、冰川特征和它們長期的變化。

懷特冰川位于南極洲西海岸、介于海洋和其它冰川之間，屬于該大陸結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，大小與美國佛羅里達(dá)州相當(dāng)，因其大部分河床低于海平面，向內(nèi)陸傾斜，正因?yàn)槿绱?，這個(gè)區(qū)域是研究冰川融化的重點(diǎn)。

如果懷特冰川出現(xiàn)了下降，其它部分也會(huì)迅速跟進(jìn)。該冰川在過去幾十年一直在以每年400米的速度消退，照此速度懷特冰川將在未來500～1000年崩塌解體，這會(huì)讓海平面會(huì)上升大約2米。

如果南極冰川融化會(huì)讓世界海平面額外上升4.5米，可以想象一下對(duì)于倫敦、上海、紐約、東京等這些接近海的城市意味著什么。

利用太陽“透視”南極冰川

對(duì)于現(xiàn)在的透地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)來說，長期運(yùn)營的相對(duì)成本不低，這限制了觀察冰川的新思路，低成本的運(yùn)行機(jī)制可以將傳感器覆蓋到更多區(qū)域，可以獲得長期的測(cè)量數(shù)據(jù)。達(dá)斯汀在尋求一些新的地面雷達(dá)系統(tǒng)。

比如“固定點(diǎn)冰川雷達(dá)”，在觀察點(diǎn)埋下一些車載電池供電，讓它們?cè)谀抢镆淮涡源蠑?shù)月甚至數(shù)年，然后隔幾分鐘，或者幾個(gè)小時(shí)就送一個(gè)脈沖到冰層內(nèi)部，這樣就能獲得連續(xù)的觀察——但這有很大的局限性，只能針對(duì)一個(gè)點(diǎn)。

另外一個(gè)思路是利用現(xiàn)有的無線電波系統(tǒng)。整個(gè)空間是存在各種無線電波信號(hào)的，而最強(qiáng)烈最耀眼的無線電波源就是太陽，達(dá)斯汀的學(xué)生團(tuán)隊(duì)就在嘗試用太陽發(fā)出的無線電信號(hào)替代人工雷達(dá)信號(hào)。這些學(xué)生的思路是通過戶外無線電頻率觀測(cè)日落，并嘗試著探測(cè)太陽在海平面落下的反射。

探測(cè)太陽在海洋平面落下時(shí)的反射，與探測(cè)一塊冰層底部的反射在理論上是極度相似的，這個(gè)想法并不是遙不可及。在早期的地震領(lǐng)域也有相同的案例，以往的震動(dòng)來源是靠引爆炸藥，后來漸漸過渡到利用周圍環(huán)境的地震噪音;再比如應(yīng)用于軍事的防御性雷達(dá)自身不用發(fā)送雷達(dá)信號(hào)，它會(huì)使用電視信號(hào)或者其他的無線電信號(hào)來探測(cè)標(biāo)示物體的位置。

如果這個(gè)方法可行，傳感器的制造成本將會(huì)大大削減。造價(jià)低的傳感器就可以批量生產(chǎn)，然后可以在冰層上調(diào)配成百上千個(gè)這樣的傳感器去做成像。

這些創(chuàng)新開源的技術(shù)，讓學(xué)生們可以像科學(xué)家一樣思考，達(dá)斯汀的實(shí)驗(yàn)室一直在營造一個(gè)“以創(chuàng)新為基”的環(huán)境，鼓勵(lì)學(xué)生去針對(duì)不同的問題進(jìn)行低成本和高性能的優(yōu)化。