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張強(qiáng)弓:在“世界屋脊”上勇攀高峰

2021-07-06 08:38王艷敏
科學(xué)中國人 2021年13期
關(guān)鍵詞:張強(qiáng)冰凍青藏高原

王艷敏

冰山冰湖考察

青藏高原,中國最大、世界海拔最高的高原,這里是中華文明的發(fā)祥地之一,也是“世界屋脊”“第三極”。保護(hù)和建設(shè)好青藏高原對于地球生態(tài)環(huán)境和人類生存發(fā)展具有重要意義。多年來,為了守護(hù)這世界上最后一方凈土,無數(shù)科學(xué)家將青春和熱血傾灑,足跡遍布青藏高原上連綿不絕的山川。中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員張強(qiáng)弓就是其中一員。

“在青藏高原上研究工作的人,很難不對這個(gè)地方產(chǎn)生感情,盡管高原自然環(huán)境惡劣,甚至有時(shí)候讓人很難受,但每年還是想去走走、看看,已經(jīng)形成了一種習(xí)慣?!睆垙?qiáng)弓說道。

作為青藏高原年輕一代研究者,在前輩的指引下,張強(qiáng)弓也成了一名名副其實(shí)的高原探路人。十余年來,他已組織參與青藏高原地區(qū)野外科學(xué)考察數(shù)十次,主要從事青藏高原冰凍圈化學(xué)與環(huán)境研究。

“以青藏高原為核心的我國西部地區(qū)在全世界中低緯度地區(qū)中擁有數(shù)量和面積最多的山地冰川,我們有48000多條冰川,面積超過5萬平方千米,給我們冰川研究提供了非常好的材料?!睆垙?qiáng)弓說道。

自然資源獨(dú)一無二的青藏高原,無疑也是眾多科學(xué)家的科研殿堂。經(jīng)過一代又一代科學(xué)家的努力,近年來,我國科學(xué)家在青藏高原環(huán)境變化的研究已處于國際第一方陣。在此基礎(chǔ)上,我國科學(xué)家正積極推動以中國科學(xué)家主導(dǎo),面向“三極”(南極、北極、青藏高原)協(xié)同研究的國際大科學(xué)計(jì)劃。

“‘三極’是全球變化的敏感區(qū),是全球變化的指示器。推動‘三極’研究計(jì)劃,我們希望能從整體上研究全球氣候與環(huán)境變化,同時(shí)也為國際輸入更多中國聲音?!睆垙?qiáng)弓說道。

從地到天

回憶起來,張強(qiáng)弓其實(shí)從未想過進(jìn)入冰川領(lǐng)域,在青藏高原上做研究,用他的話說,“這一切都是機(jī)緣巧合”。

2003年,根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展重大戰(zhàn)略需求和國際科學(xué)前沿發(fā)展趨勢,中國科學(xué)院青藏高原研究所(以下簡稱“青藏高原所”)應(yīng)運(yùn)而生。時(shí)年12月2日,中央機(jī)構(gòu)編制委員會辦公室復(fù)字〔2003〕165號文件《關(guān)于中國科學(xué)院青藏高原研究所等單位機(jī)構(gòu)編制的批復(fù)》,正式批準(zhǔn)了青藏高原所的成立。2004年9月,從東北大學(xué)地質(zhì)系畢業(yè)的張強(qiáng)弓考入了青藏高原所,成為了首屆研究生。

“當(dāng)時(shí)青藏高原所剛剛成立,還沒有招生權(quán),是中國科學(xué)院地理所代招的,錄取之后再重新分配,所以我也是錄取后被調(diào)劑做冰川研究的?!痹诔跗诮ㄔO(shè)階段,青藏高原所組建了一支“站在高原、研究高原”的國際化、高水平研究隊(duì)伍,張強(qiáng)弓的導(dǎo)師正是中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”入選者,當(dāng)時(shí)剛從美國緬因大學(xué)氣候變化研究所回國的康世昌研究員,其主要從事青藏高原的冰川學(xué)及冰芯氣候環(huán)境記錄研究。

“我的研究方向其實(shí)相當(dāng)于經(jīng)歷了一個(gè)從地下到天上轉(zhuǎn)變的過程?!睆垙?qiáng)弓介紹,地質(zhì)專業(yè)主要是研究地球內(nèi)部,到了青藏高原所之后,他轉(zhuǎn)到了地理也就是地球表面冰川的研究,再往后又接觸到大氣化學(xué)方面的研究。“雖然從大的角度來講都屬于地球科學(xué)的范疇,但研究生階段的學(xué)習(xí)肯定是一個(gè)更加專業(yè)的方向,我以前從來沒有想過去做青藏高原和冰川方面的研究?!睆垙?qiáng)弓說道。

這絕對不是一個(gè)簡單的專業(yè)調(diào)劑,青藏高原自然環(huán)境的特殊性注定了在這一領(lǐng)域做研究的人將承受許多常人無法想象的艱難。

早在2003年,導(dǎo)師康世昌就曾帶隊(duì)在西藏中南部的念青唐古拉山鉆取了一支120多米長的冰芯,但大家覺得高原中部僅有一支冰芯,空間代表性不夠。因此2005年,在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下,張強(qiáng)弓第一年進(jìn)藏考察,并且直接走到了長江的源頭——唐古拉山脈主峰格拉丹東峰,主峰海拔超過6000米。

第一次進(jìn)藏研究就挑戰(zhàn)這樣的高度,對于當(dāng)時(shí)剛讀研究生的一群年輕人來說自然挑戰(zhàn)頗巨。行進(jìn)過程中不僅沒有路,還有很多沼澤,每一次前進(jìn)都格外艱難。經(jīng)歷了多天輾轉(zhuǎn),他們終于來到了冰川末端大概海拔5100米一個(gè)比較平坦的地方搭建了營地,但之后的考驗(yàn)才剛剛開始。

研究小組合影

5100米海拔只是冰川末端,屬于消融區(qū),也就是每年積累的雪會小于消融的雪,要鉆取冰芯必須在冰川的上部積累區(qū)下鉆,才能獲得完整的記錄,而這段垂直海拔抬升不足1000米的旅途他們只能靠人力前行。

扛著沉重的設(shè)備,拖著早已麻木的雙腿,他們在漫天冰雪中艱難地向選定的冰芯鉆取點(diǎn)一步一挪地攀登前行。一天,他們從早上一直忙到傍晚,全身都已失去力氣與知覺,以為可以收工休息的時(shí)候,沒想到導(dǎo)師突然從冰川上跌跌撞撞翻滾下來,又累又帶著激動地跟他們說:“我探到了一條路,咱們再把設(shè)備往上運(yùn)一段吧!”

“我們當(dāng)時(shí)一聽真的崩潰了,野外還是很艱苦的?!睆垙?qiáng)弓笑著感嘆。

不過,如果守得云開見月明,那這些艱苦與磨難也是有意義的。對于張強(qiáng)弓而言,第一次參加高原冰川考察的回報(bào)來得格外曲折與動魄驚心,他差點(diǎn)就因此耽誤了畢業(yè)。

一波三折的雪冰研究

那次科考,在海拔5800米附近的地方,張強(qiáng)弓和團(tuán)隊(duì)終于找到了一個(gè)適合打鉆的平坦區(qū)域,歷經(jīng)一個(gè)多星期,取出了一支147米長的冰芯,最后在牦牛的幫助下運(yùn)回營地,之后又成功地運(yùn)回到實(shí)驗(yàn)室,鋸成了3000多塊進(jìn)行研究。在將樣品水送到實(shí)驗(yàn)室后,他們得到了各種化學(xué)指標(biāo),只差一步就可以得到完整的歷史記錄,那就是年代。

冰川記錄與自然及人類活動息息相關(guān),冰川研究主要是想通過冰川的記錄來反映氣候環(huán)境的變遷。地球歷史上一些重要的自然或人為事件,如火山爆發(fā)、核爆炸等都會在冰川中留下痕跡。要想確認(rèn)冰川的年代通常需要找到核爆炸還有火山爆發(fā)等事件在冰芯中出現(xiàn)的信號。在他們的預(yù)想中,這個(gè)信號大概會在冰芯10~20米的地方出現(xiàn),但反復(fù)找了許久,還是沒有找到對應(yīng)的數(shù)值。之后又花了整整兩年時(shí)間,他們終于找到了峰值的對應(yīng)冰芯深度,然而,預(yù)期應(yīng)該出現(xiàn)在20米左右地方的峰值,實(shí)際上在5米的地方就出現(xiàn)了!問題到底出在哪里?

“我的博士研究本來是想通過這支冰芯研究長江源頭氣候環(huán)境的歷史變化,沒想到跟預(yù)期的完全不一樣?!睘榱隧樌厴I(yè),張強(qiáng)弓只得將博士論文進(jìn)行了一個(gè)快速轉(zhuǎn)化。

雪冰氣候環(huán)境記錄研究一般分為兩個(gè)部分:一個(gè)是現(xiàn)代過程,一個(gè)是歷史記錄?,F(xiàn)代過程研究主要為歷史記錄重建提供基礎(chǔ)。張強(qiáng)弓的博士論文本來以歷史記錄為重點(diǎn),但當(dāng)時(shí),那塊年代不明的冰芯不得不讓他從歷史記錄轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代過程研究。在雪冰化學(xué)研究方面,他準(zhǔn)確獲取了珠峰海拔6500米至峰頂雪冰中數(shù)十個(gè)元素的含量和空間變化特征,分析指出珠峰雪冰元素含量與極區(qū)相當(dāng),受人類活動影響甚微,是北半球中低緯度大氣環(huán)境本底的代表;首次全面闡明了冰川雪冰中典型重金屬汞的本底含量及其“冬高夏低”和“北高南低”的時(shí)空分布格局,給出了我國西部高海拔地區(qū)大氣汞沉降通量;特別是揭示了大氣沉降顆粒物是控制雪冰中汞形態(tài)和含量分布的主控因素,由于顆粒態(tài)汞不易被還原和轉(zhuǎn)化,可較好保存大氣汞沉降信息,這些研究結(jié)果為冰芯歷史記錄的解譯奠定了現(xiàn)代過程基礎(chǔ)。

得益于扎實(shí)的功底與不懈努力,2009年,張強(qiáng)弓從青藏高原所博士順利畢業(yè),并獲得2009年“中國科學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)生”及“中國科學(xué)院院長優(yōu)秀獎”,之后一直留所工作至今。

從攻讀博士學(xué)位到工作后的幾年間,盡管科研方面不斷有新的發(fā)現(xiàn)、新的成果誕生,但張強(qiáng)弓卻有些茫然。那塊無法確認(rèn)年代的冰芯一直橫亙在他的心中,無法排除。

2014年,他將冰芯帶到了世界上知名的核能、化工實(shí)驗(yàn)室——瑞士保羅希爾研究所,測試了冰芯中的一些放射性同位素,并將其與之前獲得的相關(guān)信息進(jìn)行研究。最后終于確定,格拉丹東這支冰芯的頂部對應(yīng)的是1982年,但按理來說,這支冰芯的頂部應(yīng)該是鉆取時(shí)的2005年才對,為什么會是1982年?而且,這也代表著格拉丹東冰芯1982—2005年的記錄都不見了,為什么會這樣?

假如研究對象消失

“以往冰川連續(xù)記錄了很長時(shí)間的人類活動歷史,但最近幾十年強(qiáng)烈的人類活動造成了全球氣候變暖,導(dǎo)致冰川快速減薄,所以最后我們發(fā)現(xiàn),原來是強(qiáng)烈的人類活動把冰川近些年的記憶給抹除了?!睆垙?qiáng)弓說道。

冰川,就像一座穿越了時(shí)間與空間的“檔案館”,通過層層冰雪積累記錄歲月的變遷。在全球氣溫持續(xù)升高之前,冰川的積累區(qū)每年都會積累很多雪,一年又一年層層累積,如樹之年輪一樣形成非常明顯的層理,在這個(gè)地方鉆取冰芯可以獲得完整的記錄。研究人員不僅可以把這些冰融成水,測試?yán)锩娲須鉁夭▌拥臍溲跬凰乇嚷?,還可以測量水量,就能知道每年的降水量。同時(shí),他們還能測試水中的各種化學(xué)指標(biāo),包括沙塵、離子、金屬元素等,這些都是大氣環(huán)境的指示,攜帶了遠(yuǎn)古時(shí)代大氣成分的信息。在擁有世界上最大冰蓋的南極地區(qū),冰蓋厚度超過3000米,科學(xué)家通過在南極鉆探冰芯,然后將3000米長的冰芯從上到下排列,就可以看到百萬年以來氣溫和大氣成分的變化。但是現(xiàn)在,在全球氣溫持續(xù)升高之下,地球上這一座座檔案館的資料正在流失,對于中低緯度的高山地區(qū),這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。科學(xué)家預(yù)測,不遠(yuǎn)的未來還有更多的小冰川會消失……

“對于我來說,一個(gè)研究者的研究對象都不在了,還怎么繼續(xù)工作呢?”在發(fā)現(xiàn)地球上的冰川正在加速消融這一不可阻擋的事實(shí)后,張強(qiáng)弓陷入了深深的迷茫。他開始四處求索,冰川消退之后該如何進(jìn)行研究。

有一次在翻看瑞士Stein冰川資料的時(shí)候,張強(qiáng)弓注意到冰川下面有一個(gè)湖,他突然想到,冰川退縮后,有沒有可能冰川中的一些記憶轉(zhuǎn)移到了湖中呢?后來,他果然從文獻(xiàn)中查找到了Stein冰川和Stein湖之間的關(guān)系,里面記錄了1970年代湖中污染物濃度出現(xiàn)了第一個(gè)峰值,這一峰值對應(yīng)的正是歐洲大量工業(yè)排放的年代,第二個(gè)峰值出現(xiàn)在2000年以后。但那時(shí)歐美開始實(shí)施大氣減排措施,污染物濃度應(yīng)該下降,為什么反而上升呢?原來,冰川快速消融后,有些“記憶”轉(zhuǎn)到了湖里。

得到這一發(fā)現(xiàn)后,張強(qiáng)弓頓時(shí)興奮起來。“我又有了新的研究焦點(diǎn),即便全球氣候變暖,我的冰川研究還是要繼續(xù)并且是可以持續(xù)的?!敝?,他將這種想法和之前的資料匯總,提出了一個(gè)重要觀點(diǎn):冰川和冰川湖所包含的信息是此消彼長的。冰川快速消融的情況下,冰川湖會擴(kuò)大,也會接收到更多冰川帶來的記憶。自此,他的研究也開始向冰川消融后對環(huán)境的影響這一領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。

青藏高原是“亞洲水塔”,前人對高原冰川融水徑流水文變化開展了諸多研究,但對冰川融水徑流中化學(xué)組分的遷移過程及其對下游生態(tài)環(huán)境的影響缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。為此,近幾年來,張強(qiáng)弓向這一領(lǐng)域展開了探索。

通過對高原內(nèi)陸典型冰川和被補(bǔ)給湖泊“扎當(dāng)冰川和納木錯(cuò)”的持續(xù)系統(tǒng)觀測研究,張強(qiáng)弓刻畫了汞在冰川徑流中的日變化特征和遷移過程,揭示了冰川消融對流域汞輸出的控制和影響,發(fā)現(xiàn)高原冰川流域的汞產(chǎn)出率高于南北極,具有促進(jìn)流域汞輸出的強(qiáng)化效應(yīng)。之后,他還對高原中南部數(shù)十個(gè)湖泊開展水化學(xué)系統(tǒng)調(diào)查,并深入研究了汞在高原水生態(tài)系統(tǒng)中的富集特征,發(fā)現(xiàn)高原野生魚類和湖泊水生食物鏈具有顯著的汞富集效應(yīng)。

在此工作基礎(chǔ)上,張強(qiáng)弓進(jìn)一步建立了高山冰川影響區(qū)汞的分布和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)模型,綜述展望了高原冰川流域汞循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng)研究,指出冰川消融是促進(jìn)高山區(qū)域汞循環(huán)的活躍因子。他在Science發(fā)表的Letter文章“Melting Glaciers:Hidden Hazards”(《冰川消融是隱性災(zāi)害》),指出冰川消融釋放活化微量有毒和營養(yǎng)元素對下游生態(tài)環(huán)境可產(chǎn)生長效和潛在影響,提出了冰川消融輸出微量元素是隱性環(huán)境災(zāi)害的新觀點(diǎn)。

這些研究深化了對山地冰川作用區(qū)和補(bǔ)給區(qū)元素循環(huán)的認(rèn)識,被國內(nèi)外多家刊物和媒體報(bào)道,并被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)2019年發(fā)布的Global Environment Outlook 6(《全球環(huán)境展望-6》)引用作為全球冰川消融對環(huán)境產(chǎn)生影響的重要證據(jù)。

盡管這些年來在科研道路不斷有新的想法與成果產(chǎn)生,但面對浩瀚無垠的“三極”研究,張強(qiáng)弓卻始終覺得自己的攀登道路才剛剛開始。

站在巨人的肩膀遠(yuǎn)航

“這些年來,我國青藏高原科學(xué)考察研究在姚檀棟院士為代表的科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下,一步步邁向世界地球科學(xué)的‘第三極’,在國際上擁有話語權(quán),發(fā)展迅速。冰凍圈研究也是類似,最早提出冰凍圈科學(xué)完整理論體系的就是以秦大河院士為代表的我國冰凍圈科學(xué)研究群體。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,我國的冰凍圈研究已在國際上占領(lǐng)高位。而現(xiàn)在,我深切地感知到我們正處于這兩條線的交會處?!弊鳛槟贻p一代青藏高原冰凍圈研究者,張強(qiáng)弓深有體會,“青藏高原與冰凍圈研究是我國科學(xué)家長期奮斗積累形成引領(lǐng)國際科學(xué)前沿的優(yōu)勢研究領(lǐng)域,我從事青藏高原冰凍圈科學(xué)研究,處在這兩個(gè)特色優(yōu)勢研究的交會處,深感幸運(yùn)而任重道遠(yuǎn)?!?/p>

近年來中國科學(xué)家對青藏高原的研究論文數(shù)量和被引用率穩(wěn)居世界第一,在青藏高原環(huán)境變化的研究已處于國際上第一方陣。但青藏高原冰凍圈僅占全球一小部分,南北極的巨大冰蓋和季節(jié)性海冰動態(tài)變化在全球能量平衡中的驅(qū)動和反饋效應(yīng),是當(dāng)前全球變化研究的熱點(diǎn),協(xié)同開展青藏高原、南極、北極的“三極”氣候與環(huán)境變化協(xié)同研究,具有重要意義。

“‘三極’是全球生態(tài)環(huán)境的重要屏障和關(guān)鍵紐帶,也是全球氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)。事實(shí)上,國家正在謀劃從‘第三極’出發(fā),發(fā)起由中國人引領(lǐng)的‘三極’大科學(xué)計(jì)劃,這不僅是國家戰(zhàn)略的需要,也是全球科學(xué)發(fā)展的趨勢。站在國家層面,‘三極’研究有利于提高我國國際話語權(quán),幫助國家實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國;站在國際角度,‘三極’研究有利于全球環(huán)境保護(hù),利在千秋。而作為我國青藏高原和冰凍圈這兩大特色領(lǐng)域的青年學(xué)者,我們更應(yīng)該主動思考并積極參與推進(jìn)‘三極’大科學(xué)計(jì)劃,將我國的‘三極’研究引向縱深和國際前沿。”張強(qiáng)弓說道。

為此,早在幾年前,張強(qiáng)弓就已在這條道路上毅然前行。針對青藏高原大氣污染以及全球山地冰芯消失的現(xiàn)象,他總結(jié)了利用山地冰川研究氣候環(huán)境變化的優(yōu)勢,認(rèn)為全球高山冰芯研究均面臨冰川頂部減薄的挑戰(zhàn),并提出了應(yīng)對冰芯記錄消逝的策略方案,包括開展國際計(jì)劃加快冰芯鉆取,存儲備份冰芯用于后續(xù)研究,實(shí)施新技術(shù)恢復(fù)解譯已消失的最新冰芯記錄等;他還指出近期“冰川消減—冰川湖擴(kuò)張”的模態(tài)正在增強(qiáng),提出加強(qiáng)冰川與冰川補(bǔ)給湖沉積物記錄協(xié)同研究,以整體論思想認(rèn)識區(qū)域環(huán)境變化的新思路……

采集雪坑樣品

然而,一個(gè)人的力量始終是有限的,張強(qiáng)弓深感青年學(xué)者才是“三極”研究的主力軍和創(chuàng)新的動力源泉。2016年,張強(qiáng)弓入選中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會,歷任地學(xué)分會和北京分會理事。為此,在會員資助期間,他就積極發(fā)起創(chuàng)辦“高極-三極”青年創(chuàng)新論壇,促進(jìn)青年學(xué)者理解和把握“三極”研究前沿動態(tài),加強(qiáng)跨地域、跨領(lǐng)域、跨學(xué)科間青年學(xué)者的交流合作。會議連續(xù)舉辦至今,已在國內(nèi)外取得了良好反饋,有效促進(jìn)了青年學(xué)者在“三極”研究領(lǐng)域的交流。2017年,他還獲得了中國冰凍圈科學(xué)學(xué)會施雅風(fēng)冰凍圈與環(huán)境青年科學(xué)家獎。

2020年,基于青藏高原冰凍圈化學(xué)與環(huán)境研究成果及對未來的發(fā)展規(guī)劃,張強(qiáng)弓成功獲得國家優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目資助。但在他眼中,這只是科研的第一步。山峰有高度,科學(xué)無止境。站在“世界屋脊”,他將沿著前輩科學(xué)家的足跡,向著科學(xué)的高峰不斷前行。

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