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中国极地科考在南极为全球气候变化寻找注脚

发布时间:2019-09-16 16:57:40 编辑:笔名

近地面黑碳、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水汽……南极中山站天鹅岭上,大气化学成分的观测内容已足够与中国气象局在国内设立的一个区域大气本底观测站规模相比。

“极地科考对于中国,乃至其他国家都是至关重要的科学‘处女地’,也具有一定的战略意义。”中国气象科学院研究员郑向东以自己的本行为例说,“极地气象和大气化学成分的长期连续观测将为研究全球气候变化提供可靠的科学依据。”

南极的冷热变化、南极臭氧层的破坏程度……在我国第27次南极科学考察中,科考队员希望通过“蛛丝马迹”,为全球气候变化寻找注脚。

为寻找世界上古老温室气体做铺垫

联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(2007)指出,20世纪期间全球变暖和海平面上升已是不争的事实,并很可能在21世纪内以更快的速率继续增暖和上升。

据研究,1993年至2003年间,山地冰川、冰帽和冰盖由于崩解、融化等过程对海平面上升的贡献为每年1.2±0.4毫米,其中格陵兰冰盖、西南极冰盖以及南极半岛的贡献尤为重要。作为南极大陆主体的东南极,对全球气候变暖究竟是正反馈还是负反馈,学界一直存在着很大争议。

位于东南极冰盖中心的冰穹A距离南极各个海岸的距离都很远且大致相等,来自各个方向的水汽都有可能到达冰穹A,因此该地区的冰芯是周边所有海洋水汽共同作用产生的结果,在这里能够观测到在地球其他地区无法观测到的代表全球特征的气候环境变化信息;通过研究万年“冰芯”内的颗粒物质,科学家们可还原当年冰芯形成时的气候条件。冰穹A又是内陆制高点,累积的冰雪估计达到100万至150万年。而目前人类在南极地区获得的世界古老的气候记录是80万年,因此,冰穹A的深冰芯研究对全球气候变化有着特殊意义。

此次南极昆仑站考察队的任务之一,是在距离冰面约5米深的冰芯房内再向下挖一个长10米、深10米、宽0.6米的冰槽,为将来深冰芯钻取做准备。中科院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室博士丁明虎说,通过对在这里取得的深冰芯的研究,可以获得过去特定时段的气候环境信息。目前,全世界对全球变暖问题存在很多争议,一个重要原因是很多科学家苦于找不到足够年份的气候证据来证明他们的主张。如果能得到超过百万的气候记录,那么其中所包含的“化石大气”,可能会对中更新世气候转型的“温室效应”假说加以验证,也能为当今的全球变化研究提供重要依据。

地面雪冰采样推测高空大气活动

这次内陆考察中,丁明虎还对自埃默里冰架至冰穹A的整个断面进行了雪冰采样,并计划回国后用化学手段做进一步分析。

“南极拥有洁净的大气,它代表基础的大气本底。”丁明虎将“本底”比喻为一个人原本的面貌,先天优势和通过化妆弥补先天不足,是两种完全不同的效果。

他需要在纯净的冰样里测出某一种离子如硝酸根的浓度变化。硝酸根的形成原因很多,重要的是大气中液相硝酸的沉积,通过对南极各个地区硝酸根浓度变化的研究,可以判断哪些地方是极光卵投影区,进而推断该区域的高空大气活动。

在地球自转的过程中,南北极点相对太阳不旋转,太阳粒子在地球磁场的作用下,与极点高空大气摩擦,使大气中的气体分子或原子电离而发光,形成缤纷绚烂的极光,而容易形成极光的这个椭圆形区域,叫极光卵。在极光卵投影区,由于高空大气活动较强,硝酸根浓度也。也就是说,硝酸根浓度的空间变化,可以反映不同地区极光现象的强弱。目前冰川学家们对南极冰盖雪冰内硝酸根的来源颇有争论,其年际变化与太阳活动也可能存在一定关系,季节变化则能反映臭氧层空洞的大小。

丁明虎告诉,硝酸根只是雪冰中各种大气环境指标的一种,不同的指标能反映不同的环境信息。回国后将用化学手段,通过高精度分析

,对地球环境的本底及其变化状况做出进一步判断。

观测南极“臭氧洞”为气候变化提供基础性资料

对于南极臭氧洞,大家并不陌生。

每年9—10月,南极大陆上空出现数百万平方公里的平流层臭氧层损耗接近零,而积分的臭氧总量仅为正常值的一半以下的现象。在这种情况下,平流层的臭氧层仿佛被穿空了,形成了一个空洞。1985年,英国剑桥大学的法尔曼等人通过对英国Halley湾站从1957年和1958年的国际地球物理年开始持续观测数据重新检验分析,得出“臭氧洞”这个形象的名称。

如今有关南极“臭氧洞”形成的科学机理已经基本厘清。它与人类工业化过程大量排放的氟利昂、溴化物直接相关。氟里昂等卤代烃化合物从地表随着大气环流进入平流层在强烈的紫外辐射作用下,释放出氯原子,释放出的氯原子用数个月的时间通过催化反应,可以使10万个臭氧分子消失。在南极这种特殊的地理环境下,氟利昂对平流层的臭氧损耗表现得更为强烈。当然还有其它因素的辅助作用。

1993年,中国气象科学研究院在南极中山站的观景台上架起了臭氧总量观测仪,开始了我国在南极观测大气中臭氧总量历史。18年后,该院研究员郑向东重返南极,用测量精度更高的光谱仪代替了早期的仪器。

“这种观测对‘臭氧洞’科学机理研究本身的意义已不大。”但郑向东强调,长期积累的准确观测数据对检验未来臭氧总量变化趋势预测,对评估旨在保护全球臭氧层、限制氟里昂排放的《蒙特利尔协议》,对温室气体如二氧化碳增加导致气候变化对平流层臭氧层的影响,甚至卫星反演数据的校准仍是不可缺少的基础性观测。

海气结合观测内容不断丰富

沿雪龙船航线开展二氧化碳分压走航观测,合计采集约11兆数据;在4—8℃的表层水温范围内每个纬度采集一个氧化亚氮海水样品;在南大洋走航中合计采集26个气溶胶样品……自上海出发以来,国家海洋局第三海洋研究所全球变化及大气化学重点实验室研究生徐国杰与张介霞一直忙碌。

因人类活动造成大气中二氧化碳含量远超正常自然波动范围,由此引起的温室效应及全球变暖等一系列严重后果已被大家熟知,但人们对大气中微量的温室气体氧化亚氮的了解相对要少。事实上,与同等浓度的二氧化碳相比,氧化亚氮的温室效应是后者的200—300倍左右,许多国际气候变化研究项目都把其列入重要研究内容。大气气溶胶也会通过直接及间接辐射效应影响气候变化。

占地球海洋面积20%的南大洋在全球气候变化中起重要作用。它是海、冰、气和生物的相互作用区,具有复杂的生物地球化学循环,已有研究表明该区域是全球重要的二氧化碳汇区之一,也是全球大洋中一个重要的氧化亚氮源。但由于南大洋横跨三大洋、邻接海冰区、上覆西风带,终年绕极流,幅员十分辽阔且气候极其恶劣,获取现场资料因难。

作为国家科技部国际合作项目“中美海洋碳循环研究和海水加铁试验技术”的现场执行人,徐国杰、张介霞和美国Rutgers大学教授高原一道,开展了相关工作,获取了手有价值的科学数据。

“收集的数据及样品将对研究南大洋碳、氮循环在全球变化中的作用具有重要意义。”徐国杰希望这项研究能为南大洋生物地球化学循环及气候变化的研究提供有用的科学数据。”

近年来,随着全球气候变化问题讨论的深入,相关研究也逐渐丰富和深入。

国家海洋局第二海洋研究所助理研究员韩正兵在本航次中布放了沉积物捕获器,意在获取海洋上层水体向下层水体输送的颗粒物样品,并以此来估算海洋中深层的碳通量。“这将有效地量化有机碳的生产、输出以及再循环效率,同时将对全球二氧化碳收支平衡的影响提供有意义的证据。”韩正兵表示。

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