深潛南極，水下無人機首次詳細描繪南極冰架基底

人類活動導致的溫室氣體排放，使得全球氣溫持續(xù)升高。高溫導致極地冰川和冰蓋加速融化，海平面上升?？茖W家一直試圖了解南極冰架融化的具體機制，尤其是冰架底部與海洋相互作用的過程。不過，南極洲環(huán)境惡劣，交通不便，開展科研難度極大，而且，冰架底部位于厚厚的冰層之下，難以直接觀測，所以要深入了解地球系統(tǒng)，特別是極地地區(qū)的復雜過程頗為不易。

“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，一項由瑞典哥德堡大學研究人員領(lǐng)導的國際研究團隊共同完成的研究，首次通過水下無人機對南極冰架底部進行了詳細的測繪，揭示了冰架融化的復雜過程。該研究成果于2024年7月31日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上。

（上圖：自主式水下航行器“蘭”（Ran）受命潛入西南極多特森冰架的冰腔，對上覆冰層進行詳細掃描。該探測任務于2022年在布滿浮冰的海域展開。攝影：Filip Stedt。）

該研究團隊利用一艘名為“蘭”的水下無人潛航器，深入探測了位于西南極洲的多特森冰架（Dotson Ice Shelf）。這艘無人潛航器配備了先進的聲納系統(tǒng)，對冰架底部進行了高分辨率的掃描。通過長達27天的不間斷工作，“蘭”成功繪制了冰架底部的地形圖，為科學家們提供了前所未有的數(shù)據(jù)。

具體來說，研究人員利用自主式水下航行器（AUV）深入多特森冰架底部，并使用向上探測的多波束聲納系統(tǒng)，繪制了覆蓋西部、中部和東部區(qū)域，總面積達140平方公里、延伸至冰腔內(nèi)17公里的高分辨率冰底地圖。此外，研究人員還同步測量了冰下20至80米處的洋流、溫度和鹽度數(shù)據(jù)。這項獨特的數(shù)據(jù)集揭示了冰架底部形態(tài)的多樣性，包括侵蝕痕跡、陡峭的墻壁環(huán)繞的平坦冰平臺（階地）、基底裂縫處增強的融化，以及此前未知的、出現(xiàn)在高融化區(qū)域、長達20至300米、呈淚滴狀的向上凹痕等。研究人員進一步證明，冰架底部形態(tài)的差異可以由多種融化機制解釋，這些機制主要受洋流速度、熱含量以及與基底裂縫的相互作用所控制。

（上圖：為了精確測量冰底的形態(tài)，科學家們特意選用了一種多波束聲吶系統(tǒng)。這種設備能在距離冰面約50米的地方，對冰底進行高精度掃描，最終繪制出了冰底地圖。這張圖由安娜·瓦林繪制，并發(fā)表在《科學進展》上。）

該論文的主要作者，哥德堡大學的安娜·瓦林（Anna W?hlin）教授表示：“以往我們主要依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)和冰芯來研究冰架的變化。而這次，我們直接潛入冰架內(nèi)部，獲得了更加直觀的觀測結(jié)果。這就像是第一次看到了月球的背面?！?/p>

研究結(jié)果顯示，多特森冰架的底部并非平整，而是存在著復雜的凹凸地形，類似于陸地上的山丘和谷地。這些地形特征是由冰架底部強烈的洋流和地球自轉(zhuǎn)共同作用形成的。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，冰架底部在垂直裂縫處融化速度極快，這加速了整個冰架的退縮。

上圖展示了論文中討論的各個過程。（請注意，垂直尺度被放大了。）圖源：W?hlin, Anna, et al.

紐約大學柯朗數(shù)學科學研究所的大衛(wèi)·霍蘭德（David Holland）教授強調(diào)：“我們預測未來海平面上升的能力，很大程度上取決于我們對南極冰架底部情況的了解。這項研究為我們提供了寶貴的數(shù)據(jù)?！?/p>

這項研究的意義在于，它不僅揭示了南極冰架融化的復雜性，而且為科學家們提供了新的研究方向。通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，科學家們可以更好地理解氣候變化對南極冰架的影響，從而更準確地預測未來海平面上升的速度和幅度。

海洋與濕地·小百科

【多特森冰架】

多特森冰架（Dotson Ice Shelf）是位于南極洲的一塊冰架。冰架是浮在水面上的冰層，通常從大陸冰蓋延伸出來，形成一個大型冰面。多特森冰架位于南極洲的西部，尤其是安哥拉灣（Amundsen Sea）的北側(cè)。多特森冰架的研究對了解全球氣候變化和南極冰蓋的動態(tài)至關(guān)重要。冰架的變化可以影響全球海平面的上升，因為它們作為冰蓋的“堵塞器”，防止冰川直接流入海洋。如果冰架崩潰或減少，它可以加速冰川的流動，從而加速海平面上升。

【海底無人機】

海底無人機（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），或稱自主式水下航行器、自主水下車輛，是一種可以在水下自主航行的機器人。它能根據(jù)預設程序或?qū)崟r指令，執(zhí)行各種水下任務，如海底地形測量、海洋生物調(diào)查、水下考古等。AUV搭載多種傳感器，可在復雜水域自主航行、避障并收集數(shù)據(jù)，為海洋科學研究、海洋工程、軍事等領(lǐng)域提供重要支持。相比于載人潛水器，AUV具有成本低、安全性高、效率高等優(yōu)勢，是現(xiàn)代海洋探索的重要工具。

【撕裂狀特征】

撕裂狀特征（Teardrop-Shaped Features），也可以翻譯為淚滴狀凹痕，是指在冰架底部高融化區(qū)域形成的形狀類似撕裂水滴的地形特征。“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編發(fā)現(xiàn)“Teardrop”這個詞在這個研究中是比較重要的一個詞，一共出現(xiàn)了12次。這些獨特的地形由冰架底部流體的旋轉(zhuǎn)和復雜流動模式造成，尤其是邊界層流動的影響。流體的旋轉(zhuǎn)和湍流會導致底部冰層的侵蝕，形成這種類似撕裂水滴的形狀。撕裂狀特征的出現(xiàn)通常與融化速率較高的區(qū)域相關(guān)，因為這些區(qū)域的水流動能和熱量較大，使得底部冰層快速變形。這些特征對于理解冰架的融化過程和評估冰架穩(wěn)定性及全球海平面變化具有重要科學意義。

【冰架基底融化】

冰架基底融化（Basal Melting of Ice Shelves）是指冰架底部因與海洋水體接觸而發(fā)生的融化過程。冰架是懸浮在海洋上的冰層，冰架基底融化涉及到溫暖的海水與冰架底部接觸，引發(fā)冰的融化。這個過程受到多種因素的影響，包括水溫、鹽度和水流速度等。基底融化不僅改變了冰架底部的地形，還對冰架的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，從而影響到冰架對冰蓋的支撐能力，進而影響全球海平面上升。

編譯 | 王芊佳
審核｜Richard

參考資料略