作者:唐一尘 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/12/12 16:58:46
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冰川“跑得”比火车快?
跃动研究有助于预测海平面变化

挪威斯瓦尔巴特群岛的瓦伦伯格布里恩冰川出现激烈跃动。图片来源:HEÏDI SEVESTRE

通常,大多数的涌流比冰川的前进速度快了几百倍,并且更安静。但有时,冰川的速度也十分惊人。例如,在1953年,巴基斯坦的Kutiah冰川在3个月里前进了12公里。除了破坏定居点,冰川跃动还会威胁到遥远的社区。它们能堵塞河流,形成湖泊,之后可能引发洪水,并且通过减少冰川的质量,威胁下游城镇和农场赖以生存的融水。

现在,通过研究从西藏到挪威斯瓦尔巴德群岛的北极岛屿的冰川,研究人员开始了解为什么有些冰川会在极端的停滞和前冲之间摇摆,以及如何预测这些冰川跃动。

一直以来,大多数冰川学家都认为冰川的物理特性,例如其厚度、形状,以及所处的地形,决定了它是否会“狂飙突进”。现在,他们相信一个外部因素也起着重要作用:降水和融化产生的水。这些水能在冰面上淤积成池,然后通过冰缝向下渗透,到达冰川底部,然后加温、润滑,最终融化冰川。

没有人认为这是完整的解释。挪威奥斯陆大学遥感专家Andreas Kääb说:“综合因素决定了冰川是否出现波动。”但冰川融水是一个主要因素。人们很可能在全球变暖的世界看到更多的冰川跃动,这对风险管理构成了严峻挑战。

研究冰川跃动也有助于人们了解大规模冰川流动的全球影响:南极和格陵兰冰盖的移动,可能会突然改变,进而影响海平面。“基础物理理论是一样的。”奥斯陆大学冰川学家Thomas Schuler说。

冰川跃动增多

十年来,冰川跃动既让科学家着迷,也让人困惑。“如果你认为冰川是一个银行账户,那么跃动就是大规模的支出潮。”Kääb说,所有冰川都必须摆脱其上游积聚的质量,而“有些冰川的速度更快,但也有冰川却不管出于什么原因被困住了,直到几十年甚至几个世纪后,以一种壮观的方式暴发”。

目前,只有1%的冰川——约有2300座——正在经历激烈的运动,但随着遥感技术的发展和监督的密切,这个数字可能会上升。这些冰川集中于斯瓦尔巴特群岛、加拿大育空地区、美国阿拉斯加州、中国西藏和喀喇昆仑地区等热点地区。

这些地区不同的地理格局只会加深这个谜题。例如,一些专家认为喀喇昆仑地区的冰川因其陡峭程度而容易跃动。例如,当大量的雪聚集在冰川顶部,仅仅是重力就会引发跃动。但这并不能解释为何地势相对平坦的斯瓦尔巴特群岛,不断跃动的冰川比比皆是。

甚至就连相邻的冰川也有完全不同的特性。挪威极地研究所冰川学家Jack Kohler指着斯瓦尔巴特群岛一对相邻的巨大冰川——Kongsvegen和Kronebreen说:“它们就像孪生兄弟,但一个有跃动,而另一个却没有。这是一个谜。”

为了了解跃动的深层动力,研究人员试图亲身体验,但这并不容易。1980年,加拿大温哥华英属哥伦比亚大学冰川学家Garry Clarke认为,在育空地区的Trapridge冰川上,发现跃动的几率非常高。他指出,冰川的上游越来越陡,裂缝也多了,这通常是不稳定的迹象。“它看起来准备再次冲刺。” Clarke说。

Clarke团队安装了仪器监测从冰温到水压再到冰层下的电导率等一系列数据。“我们希望能捕捉到能量激增的开始,我们所要做的就是等待。但那一刻从未到来。”他说。

然而,在斯瓦尔巴特群岛,Schuler和同事的运气更好。2004年,他们开始监测挪威奥斯特芬那冰盖—— 一个560米厚、横跨8500平方公里的怪物。他们的目标是评估冰川质量的波动,但没想到会发现了冰川跃动。3年后,他们看到了裂缝的形成。2007年夏天,他们在冰川上安装了GPS接收器,然后,Schuler 说“事情变得越来越有趣了”。

正如研究人员在2015年报告的那样,奥斯特芬那冰盖的运动在每年7月初都出现加速,并在8月下旬放缓。更快的速度与气温高于冰点的天数有广泛关联。但年复一年,在8月份冰川跃动减缓后,它的运动速度仍比加速之前快。“每年夏天冰川运动速度都被推到更高的水平,”Schuler说。与此同时,它的裂缝正在加深和扩大。突然间,在2012年秋天,冰川出现了惊人的崩塌。在接下来的几个月里,它喷出了4.2立方千米的冰——足以填满170万个奥林匹克标准泳池。

不能忽视的水

Schuler团队基于气候变暖与冰川跃动加速之间的相关性,认为引发这种冰川激烈活动的原因是融水沿冰缝流到底部。当渗透水结冰时,它释放的潜热使周围的冰变暖。Schuler 提到,“仅凭这一点就能极大地改变冰川的动力学,因为温暖的冰流速度要快得多。”随着越来越多的水聚集在奥斯特芬那冰盖下,压力也越来越大,就像一个液压千斤顶举起冰川。

最终,奥斯特芬那冰盖开始解体。奥斯特芬那冰盖研究是一个启示。英国圣安德鲁斯大学冰川学家Heidi Sevestre说:“如果水是触动冰川跃动的重要因素,那么气候变化一定会产生影响。”

无独有偶,冰川跃动导致2016年7月中国西藏阿里地区日土县东汝乡阿汝村发生冰崩。遥感监测数据显示,此次冰崩范围约10平方公里,长6.3公里,最宽处约2.6公里。研究人员表示,发生跃动的冰川位于阿里地区阿鲁错西侧无名山脉,近几年已处于跃动期。在全球变暖背景下,该冰川的面积在1971~2010年间萎缩了近9%,但从2013年~2016年7月2日,该冰川向前推进了300米。

而发生如此大规模的跃动,主要原因是该地区近期的降水使冰下静水压力增强、冰体滑动速度加快。而且,冰川下游的V字型山谷对冰川运动阻力较大,导致该冰川在跃动前期积蓄了大量的运动势能。随着跃动的发展,冰川上部积累区大量冰体快速下泄,连同整个冰舌区冲出山口。

模型显示,与奥斯特芬那冰盖类似,冰舌被“解锁”后,阿鲁冰川开始跃动。“你需要大量的水触发开关。” Kääb说,“但一旦水找到出路,跃动就会停止。这对冰川来说是一种解脱。”

保持平衡

Sevestre和同事Douglas Benn已经将融水和降水的影响纳入了一幅更广阔的图景:为什么有些冰川会跃动,而且跃动可能会出现在哪里。“为了避免崩塌,冰川只有一项工作要做:保持平衡。”Sevestre说。这意味着它们需要摆脱从空气、地面、融水,以及冰前进产生的摩擦力中获得的热量。

在2015年出版的《冰川学》杂志上,Sevestre和Benn提出了一项模型研究,表明冰川在气候极端情况下最容易保持热平衡:在寒冷、干燥的气候中,它们可以将热量释放到寒冷空气中,而在温暖潮湿的环境中,它们通过融水释放热量。相比之下,中间条件下的冰川很容易脱离平衡,不断积累内部热量,直到足够多的融水在其底部积聚,从而引发跃动。

正如英国斯旺西大学冰川学家Adrian Luckman所说,冰川的行为“可能比我们想象的要多得多”。

在斯瓦尔巴特群岛的一个晚春的日子里,奥斯陆大学冰川学家Christopher Nuth在雾中骑着他的雪地摩托颠簸前行。

现在,Kongsvegen冰川可能会再次跃动。它的上游积雪堆积,越来越陡峭,而且运动正在加速。Nuth等人将太阳能电池板与一个固定在冰上的GPS接收器连接起来。这与Kronebreen冰川的传感器网络将允许研究人员精确测量冰的运动。

斯瓦尔巴特群岛的科学家们希望,将这两座邻近的冰川连接起来,能揭示出它们以截然不同的速度移动的原因。他们也希望这一发现有助于人们更广泛了解冰川流动力学,从而拯救生命和预测海平面变化。Nuth说:“我们甚至可能捕捉到冰川跃动。”(唐一尘编译)

 

 
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