追踪地球冰冻圈的变化


格陵兰岛东北部Zachariæ Isstrøm海面上重新冻结的湖岸边。来源:美国国家航空航天局/ Jeremy Harbeck

地球上的一切——土地、水、空气、人——都通过各种化学、物理和生物过程联系在一起,构成了我们所说的地球系统。

这个庞大系统的关键组成部分之一是冰冻圈,也就是地球上所有的冰水。这个重要的“球体”包括阿拉斯加的冻土、喜马拉雅山脉顶部的雪,以及极地地区的所有冰。

冰冻圈的作用在高纬度地区尤为明显,在那里格陵兰岛和南极冰盖覆盖了大部分的陆地,海冰覆盖了极地的大片水域。广阔的明亮的白色冰,加上极地以外被冰雪覆盖的大片区域,通过将部分太阳辐射反射回太空,有助于控制全球气候。

由于冰冻圈的重要性,美国宇航局致力于广泛研究地球上的冰。随着最近退役的重力恢复和气候实验卫星任务以及它的继任者GRACE后续任务,科学家们已经研究了冰盖质量平衡的变化。这些任务测量了地表质量和水变化对地球引力的影响。

十多年来,“冰桥行动”在天空中进行了对北极、南极洲和阿拉斯加的调查。在完成了1000多次飞行后,科学家和工程师们收集了海冰、冰川和冰盖的高度、深度、厚度和流动数据。

从2009年到2019年,美国宇航局的“冰桥行动”研究了北极、南极和阿拉斯加的极地冰。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

冰桥于2021年正式结束,但它的遗产将通过2009年以来收集的数百兆兆字节的陆地和海洋冰数据保存下来。这次任务收集了一系列数据,以弥合NASA为研究冰冻圈、冰、云和陆地高度卫星(ICESat和ICESat-2)而建造的两个太空激光高度计之间的数据鸿沟。

去年,科学家利用ICESat-2报告了格陵兰岛和南极洲冰盖的急剧减少。搭载了太空中最先进的激光测高仪,该飞船使科学家能够绘制高程图,以前所未有的细节来测量冰的损失。

研究人员得出结论,2003年至2019年,格陵兰冰盖平均每年失去2000亿吨冰。南极冰盖平均每年损失1180亿吨冰。在这16年里,冰的融化导致海平面上升了0.55英寸(14毫米)。

利用ICESat和ICESat-2激光高度计的数据,科学家精确测量了2003年至2019年期间南极洲和格陵兰岛冰原的冰融化量。如图所示的南极半岛,是该大陆变化最快的地区之一。
美国宇航局戈达德太空飞行中心/K。拉姆齐

通过研究ICESat和ICESat-2任务之间观察到的变化,科学家们还报告了格陵兰岛沿海冰川的显著变薄——这是NASA科学家调查的冰冻圈的另一个重要方面。

作为NASA的格陵兰岛海洋融化任务的一部分,科学家们希望更好地了解海洋变暖是如何影响沿海冰川的。格陵兰岛融化的冰川是海平面上升的一个重要原因,这已经给全球沿海社区带来了担忧。

2020年,该任务的科学家完成了对格陵兰岛峡湾和冰川的广泛调查,进一步揭示了海洋变暖加速冰川退缩的方式。他们的研究表明,峡湾中变暖的海水侵蚀了冰川的底部,导致上面的冰脱落。科学家们得出的结论是,更大的冰川因为侵蚀过程而融化得更快。

科学家们预计,气候变化将加剧海洋变暖,并削弱那些格陵兰冰川。但是海洋和其他极地冰之间的相互作用超越了冰川。

例如,去年美国国家航空航天局的科学家发现,海冰的迅速融化导致了北极地区被称为波弗特环流(Beaufort Gyre)的更湍急的洋流。与世界上其他海洋洋流一样,波弗特环流在调节全球不同温度和盐度的大规模水交换方面发挥着重要作用。通过这个被称为温盐环流的过程,洋流与地球系统的许多其他组成部分相互作用,从而控制全球的温度。

NASA的这项研究包含了12年的卫星数据,研究显示,自上世纪90年代以来,环流已经获得了大量的冷水。由于其中一些淡水会被另一种被称为大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation)的洋流系统慢慢吸收,洋流变化的深远影响也会影响西欧和北美的气候。

地球的大传送带,在热盐洋流的驱动下,在地球上泵出了大量不同温度和盐度的水。这个动画显示了泵浦发生的一些主要区域。图片来源:NASA/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室

尽管极地地区拥有地球上大部分的冰,但低纬度地区的积雪和高山冰川是全球生态系统的重要组成部分。在加州内华达山脉这样的山脉中,积雪在温暖的月份逐渐释放水分,成为饮用水和灌溉用水的主要来源。这些水也是水力发电的重要来源。

由于积雪往往隐藏在森林树冠和其他复杂地形下,用太空卫星研究高山积雪可能很困难。为了补充卫星对美国西部各州降雪的观测,美国宇航局的SnowEx项目自2017年以来一直在调查积雪。这项活动旨在确定雪的深度、密度和其他详细特性,科学家需要这些特性来准确估计有多少水将融化并流入山区小溪、河流和水库。

为了将这些局部测量扩大到全球观测,科学家需要进行一些复杂的计算,将空中和地面的雪观测与卫星数据结合起来。美国国家航空和宇宙航行局资助了一些工作,帮助确定结合不同卫星观测和根据地面条件研究积雪的最佳方法。

气候变化还会影响冬季融雪带来的淡水数量。气候变化导致降雪减少的地方,在温暖的月份,干旱就会随之而来。此外,高山冰川和积雪的变化也会导致自然灾害。由于气候变暖导致更多的降水以雨的形式而不是雪的形式出现,水会淹没河流并引发洪水。

为了研究受洪水、滑坡和其他自然灾害影响的程度,美国国家航空航天局(NASA)的亚洲高山小组(High Mountain Asia Team)正在对喜马拉雅山脉、喀拉昆仑山脉和兴都库什山等山脉为数百万人提供淡水的地区进行有史以来最全面的冰雪调查。在那里,冰川融化和降水模式的变化变得更加普遍。随着融水湖在这些冰川之上形成,周围的冰川会变得不稳定,最终导致湖泊决口、洪水和泥石流流向下游。

通过将有关冰冻圈的专业知识与实地活动以及大量正在运行和即将发射的卫星相结合,NASA及其合作伙伴可以帮助世界各地的社区预测气候变化的影响,并潜在地减轻与地球冰冻圈密切相关的自然灾害和灾害。

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