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近年來(lái)，南極洲的冰層融化加速，人類(lèi)面臨海平面上升的嚴(yán)重威脅。因?yàn)楸艿撞康暮Ｑ鬆顟B(tài)及其與冰層交互作用，直接影響著冰架的穩(wěn)定性，所以為了更精確預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)，科學(xué)家迫切需要對(duì)南極洲各大冰架的底部環(huán)境有更多了解。
最近，康奈爾大學(xué)的研究小組，正利用一種名為Icefin的水下機(jī)器人，首次深入探測(cè)了南極洲最大冰架——羅斯冰架底部的海底裂縫，并發(fā)現(xiàn)這里存在復(fù)雜的內(nèi)部循環(huán)模式，為我們理解冰架裂縫的作用提供了新的視角。
冰架裂縫的重要性
南極洲擁有90%的陸基冰量，如果南極洲的冰全部融化，將會(huì)導(dǎo)致海平面上升約65-70米，因此南極洲冰層的穩(wěn)定，對(duì)全球海平面至關(guān)重要。
冰架底部存在大量裂縫，是冰?；?dòng)最活躍的區(qū)域。裂縫使暖水能夠進(jìn)入冰架底部，同時(shí)也使冷水和冰層融水流出，這種交換直接影響著冰架的融化和再凍結(jié)。
但是，直接觀測(cè)冰架裂縫內(nèi)部一直是個(gè)巨大的技術(shù)難題。裂縫狹窄、曲折，水深可達(dá)幾千米，傳統(tǒng)的水下潛水器難以進(jìn)入，科學(xué)家只能依靠數(shù)值模型進(jìn)行推算，但缺乏直接驗(yàn)證會(huì)導(dǎo)致精準(zhǔn)度不高的問(wèn)題。
Icefin機(jī)器人
為了突破這一限制，康奈爾大學(xué)的研究小組選擇了新型的細(xì)長(zhǎng)水下機(jī)器人Icefin進(jìn)行了直接探測(cè)。
Icefin大約12英尺長(zhǎng)，直徑只有10英寸，配備推進(jìn)器、攝像頭、聲吶和傳感器，用于測(cè)量水溫、鹽度、壓力等參數(shù)。
這次實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用熱水鉆孔，在羅斯冰架上打了一個(gè)1900英尺深的孔，靠近冰架和坎布冰川的交匯處。這是研究團(tuán)隊(duì)研究水下條件長(zhǎng)期影響的理想場(chǎng)所，因?yàn)榱_斯大陸架比以前探索過(guò)的冰架更古老，使其更能代表南極洲的其他冰架，而坎布冰流則停滯不前。
在三次潛水中，Icefin被駕駛進(jìn)入一個(gè)裂縫，深入150英尺，測(cè)量了這里的各項(xiàng)水文參數(shù)。這是人類(lèi)首次直接探測(cè)冰架裂縫內(nèi)部的環(huán)境狀態(tài)。
復(fù)雜的內(nèi)部循環(huán)
通過(guò)這次直接測(cè)量，研究人員發(fā)現(xiàn)冰架裂縫內(nèi)部存在非常復(fù)雜的水流循環(huán)。除了預(yù)期的上升和下降流之外，還有強(qiáng)大的橫向水流噴射進(jìn)入裂縫。冷水下降時(shí)會(huì)從下部側(cè)面進(jìn)入裂縫，并在裂縫內(nèi)循環(huán)上升。
他們發(fā)現(xiàn)，裂縫不同深度的兩側(cè)冰層融化和再凍結(jié)的速率也不相同，與水流的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)。裂縫下部的強(qiáng)烈橫向噴射將熱水帶入，使這里的冰層融化加速。而裂縫上部由于脫鹽冷卻效應(yīng)，冰層再凍結(jié)速率較快。
“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在這樣狹小的空間內(nèi)，水流運(yùn)動(dòng)模式是如此復(fù)雜多變。”康奈爾大學(xué)天文學(xué)系的極地海洋學(xué)家、研究科學(xué)家Peter Washam說(shuō)：“每個(gè)特征都揭示了不同類(lèi)型的環(huán)流或海洋溫度與冰凍的關(guān)系。”
改進(jìn)冰架穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型
傳統(tǒng)的冰架底部融化模型過(guò)于簡(jiǎn)化，很難反映真實(shí)的復(fù)雜水動(dòng)力過(guò)程。這次直接的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了裂縫內(nèi)部存在復(fù)雜的三維環(huán)流和不均勻的冰海相互作用。
這項(xiàng)研究突破了長(zhǎng)期以來(lái)直接探測(cè)冰架裂縫內(nèi)部環(huán)境的技術(shù)障礙。Icefin的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了冰下世界研究的新紀(jì)元。我們有望在不久的將來(lái)，利用各種新型水下機(jī)器人，大規(guī)模直接觀測(cè)南極各冰架的底部裂縫，建立起高分辨率的三維觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這將極大提高我們預(yù)測(cè)南極冰量變化和海平面上升的能力。
Icefin團(tuán)隊(duì)由天文學(xué)、地球和大氣科學(xué)以及康奈爾工程學(xué)副教授、行星宜居性與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任布蘭妮·施密特(Britney Schmidt)領(lǐng)導(dǎo)。該研究還包括由奧塔哥大學(xué)教授克里斯蒂娜·胡爾貝(Christina Hulbe)領(lǐng)導(dǎo)的新西蘭研究小組的成員。
這項(xiàng)研究由RISE UP項(xiàng)目(羅斯冰架和歐羅巴水下探測(cè)器)資助，該項(xiàng)目是美國(guó)宇航局模擬研究計(jì)劃行星科學(xué)與技術(shù)的一部分，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)美國(guó)南極計(jì)劃提供后勤支持。
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