我们是如何看到那块巨大的冰从南极洲断裂的

地球观测的黄金时代。
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它有特拉华州那么大。是卢森堡的两倍大。重量相当于2000万艘泰坦尼克号。

当位于南极洲西部的冰架“拉森C”( Larsen C )——也称为附着在陆地上的漂浮冰体——于本周早些时候最终从母冰架上分离时,这个消息不仅仅是在南极的威德尔海掀起了阵阵涟漪。它还引发了无数个尺寸类比(如果你仍然难以想象,它的体积是伊利湖的两倍)。

拉森C冰山崩解的规模之大,是历史上记录的最大冰山崩解事件之一,引起了广泛关注。如此之大,以至于许多人忽略了这样一个事实:我们能够近乎实时地追踪它的运动。拉森C冰山崩解发生在7月11日至12日夜间,到了早晨,全世界都知道了这件事——这要归功于一些令人惊叹的卫星图像。

“我们正经历着这类卫星、这类迹象和数据的爆炸式增长,”斯旺西大学的冰川学家、英国南极研究项目“MIDAS”( Project Midas )的团队成员阿德里安·拉克曼( Adrian Luckman )说。MIDAS项目研究融化对冰架稳定性的影响。“不仅是现在在轨的卫星数量,还有各个航天机构将数据免费提供的政策,特别是NASA,它们在这方面发挥了主导作用。”

有了我们不断从地球和太空遥远角落收到的所有令人惊叹的图像,很容易忘记,对人类来说,这种能力仍然是一件相对较新的事情。一个多世纪前,泰坦尼克号沉没是因为它实在无法避免与冰山相撞。糟糕。当时,留意巨大的冰块意味着在船甲板上设置瞭望员进行监视。如今,得益于地球观测卫星网络,我们可以近乎从世界任何地方观测到冰山的诞生。

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拉森C冰架裂缝随时间演变的全景图。这张由NASA/USGS Landsat卫星拍摄。NASA/USGS

丹妮拉·詹森( Daniella Jansen ),现任德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所成员,早在2014年,在为MIDAS项目仔细研究Landsat数据时,就首次发现了拉森C的裂缝。Landsat是由NASA和美国地质调查局(USGS)开发的一系列地球观测卫星,其中许多数据被用于填充Google Earth,这是我们大多数人熟知的。

“导致这次冰山崩解的裂缝是少数从南部进入冰架的裂缝之一,”拉克曼说。“大约有十几条这样的裂缝,通常它们会被一块比其他地方稍软的冰带所阻挡。这阻止了其他裂缝进入可能导致冰山崩解的冰架区域。”

要理解科学家们对拉森C冰山崩解的关注点、方式和原因,可以看看冰架的性质:冰架是冰盖或冰川的最外边缘,是在冰川缓慢向下并流向海洋时形成的。冰架漂浮在水面上,因此它们从附着在陆地上的物体转变为自由漂浮的冰山,并不会导致海平面上升。但它们的存在起到了保护冰川的作用,将陆地上的冰体与更温暖的海水隔离开来。

“冰架通常位于充当软木塞或支撑结构的地方,”达特茅斯大学地球科学副教授罗伯特·霍利( Robert Hawley )说。“来自陆地的冰川流入冰架,但冰架会阻止它们,并将其控制住。”

当冰盖从陆地分离并自由漂浮时,就变成了一座冰山,这种情况在南极洲时有发生。但拉森C特别引起了关注,因为它是有史以来记录的最大冰山崩解事件之一,而且崩解过程似乎进行得特别快,我们能够观察到整个过程的展开。

“不仅是他们让数据变得更自由,”拉克曼说,“或者卫星资源数量的增加。他们还都在尽最大努力使信息近乎实时可用——在获取后的数小时内。这本身就是我们监测世界能力的一项显著进步。”

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拉森C冰架的裂缝 NASA/John Sonntag

去年晚些时候——在NASA报告称裂缝已增长到估计70英里长、300多英尺宽、约三分之一英里深之后——拉森C才真正引起了人们的注意。NASA在年度“冰桥行动”( Operation IceBridge )南极考察期间发现了这条不断增长的裂缝。这些对极地地区的航空测量是为了补充NASA的冰、云和陆地高程卫星(ICESat)自2009年停止记录信息以来丢失的数据(2018年,一架新的ICESat卫星将接替它)。冰桥行动以拍摄一些非常漂亮的照片而闻名,但其真正目标是精确测量极地冰的厚度。

极地冰数据之所以重要,不仅仅是因为冰很酷,而是因为它能提供对地球的洞察。例如,南极洲附近的水域在洋流中起着至关重要的作用,但人们对其了解甚少。北极和南极冰盖的融化速度,为我们提供了气候变化和海平面上升的洞察。

冰桥行动(以及ICESat2)配备了雷达高度计,欧洲航天局(ESA)的ICESat同等卫星Cryosat-2也是如此。雷达高度计通过发送无线电波然后测量电波返回所需的时间来测量高程。照片可能要等到冰川严重融化时才能显现,但雷达高度计不容易被迷惑。

霍利说:“两根天线像一对耳朵一样监听回波。就像我们通过声音到达一只耳朵和另一只耳朵的微小时间差异来判断声音来自何方一样,我们也可以通过监听雷达信号到达其中一根天线和另一根天线的时间来判断回波来自哪个方向,从而确定回波的来源。”

与其他形式的卫星探测不同,雷达高度计不受光线影响,也不受云层遮挡。这使得卫星能够获得相当精确的数据,用于获取详细的高程数据并创建粗略的景象图。这是ESA使用Cryosat-2数据制作的一幅图,展示了拉森C在断裂前的尺寸和维度。

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CryoSat-2在拉森C断裂前拍摄的拉森C图像。爱丁堡大学–N. Gourmelen

两颗卫星,NASA的MODIS和ESA的Copernicus Sentinel-1,捕捉到了最后的断裂。Sentinel-1卫星工作在微波光谱范围,将微波发射到地表并收集反射,从而生成高分辨率图像——即使天气恶劣,或南极的冬季使冰川陷入黑暗。

拉克曼说:“它能够不分昼夜、不受云层影响地做到这一点,因为微波可以穿过云层。它也能够穿过极夜——这对于如此详细地监测它至关重要。”

Senitinel-1让研究人员能够关注拉森C,但它也有一个缺点。Sentinel-1是一颗主动卫星,这意味着它向某个区域发送信号并等待其反射回来的信号——但它无法同时在所有地方执行此操作。

拉克曼说:“Sentinel 1的程序设计是每隔几天从该地区采集一次图像,因为太空机构的预算以及他们能从任何一个地区收集多少数据,这是显而易见的。他们已经将大量资源集中在南极半岛。”

由于他们知道冰山崩解迫在眉睫,研究人员开始寻找替代方案。他们确定MODIS是最可行的。MODIS,即中分辨率成像光谱仪,是一种热传感器,实际上搭载在两颗卫星——Aqua和Terra——上,它们协同工作。想象MODIS最简单的方式是将其视为一台没有快门的相机。当卫星绕地球运行时,它会不断地捕捉图像。

由于MODIS使用热感应,这依赖于地表发射的辐射,因此它可以在南极冬季的黑暗中工作。而且MODIS每隔一两天就能捕捉到地球的完整图像,这意味着冰山崩解的某些方面很可能会被记录下来。但MODIS也有其不足之处——分辨率不如Sentinel,并且云层会阻挡其视线。

对我们来说幸运的是,周三晚上的天气晴朗。Sentinel当时正好向南极发射微波——但MODIS恰好提供了第一张图像。

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MODIS记录的拉森C冰山崩解。NASA
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欧洲航天局拍摄的拉森C断裂画面。欧洲航天局

近年来,北极和南极冰架崩塌的事件有所增加。冰川学家认为,近期崩塌的速度可能与气候变化有关,因为虽然崩塌是常见的,但冰通常会恢复——它会变大。但这种情况一直没有发生;西极的冰量一直在减少。但目前尚不清楚拉森C的崩解是又一个气候失控的预兆,是自然过程的结果,还是两者复杂的混合。

霍利担心我们正错过更重要的画面——我们应该关注拉森C断裂后的情况。

霍利说:“当拉森B冰架解体后,流入该冰架的冰川速度随后加快,并一直保持在较高的速度。尽管冰架本身不影响海平面上升,但作为支撑作用的冰架的消失,会因为这些加速的冰川而间接导致海平面上升。”

拉森C,现在被命名为A68冰山,将被追踪一段时间。它的大小使其如果蜿蜒进入航运通道,会构成风险。而且它已经分裂成两块,虽然仍然相当大。

只要我们能够使用帮助我们观察A68崩解的卫星,我们就能保持这种警惕。

拉克曼说:“我们从南极和北极获得的许多知识,几乎所有信息,都来自于卫星。”

更正,7/17:本文的先前版本将拉森C与20艘泰坦尼克号进行了比较,而实际上该冰山重达2000万艘泰坦尼克号。这个特别严重的错误已被更正。

 

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