王治鈞

全球變暖正在加速南極冰川的融化，人類隨之將面臨全球海平面的升高以及島國和沿海城市的安全問題，這是一個危險信號。2002年位于南極半島的拉森冰架崩塌，2008年位于南極半島西南側(cè)的威爾金斯冰架中約570平方千米的冰體也發(fā)生了崩塌，由此可見，這并不是危言聳聽。因南極地區(qū)環(huán)境惡劣，致使長期以來關(guān)于南極洲的地質(zhì)學(xué)研究幾乎空白，隨著近十年期間透地雷達、衛(wèi)星影像等遙觀技術(shù)的不斷發(fā)展，南極洲冰下的結(jié)構(gòu)才逐漸被人們揭示出來。

達斯汀·施羅德是美國斯坦福大學(xué)的雷達冰川學(xué)家，他曾參與多個冰川科考研究項目，也參與過美國國家航空航天局（NASA）冰橋（IceBridge）科學(xué)計劃，擅長利用透地雷達研究冰川和冰層，他的研究覆蓋了南極冰川、格林蘭島冰川，以及木星的冰川衛(wèi)星。

達斯汀曾在TEDx斯坦福的活動中分享了他的團隊是如何用雷達探冰以及未來引起海平面上升的可能性。

給飛機裝上“透視眼”

當科學(xué)家談?wù)撈鸷Ｆ矫嫔仙臅r候，通常會用一個基于冰層和氣候模型制作出來的海平面變化預(yù)測模型圖。包括過去300年海平面歷史數(shù)據(jù)，下圖所示的黑圈區(qū)域，是科學(xué)家用模型預(yù)測出的未來百年后的海平面可能達到的高度范圍。下面的箭頭指示是當前的海平面，如果百年后的海平面數(shù)值增長的下限位置提高0.5米，就會影響到400多萬人口，他們需要遷移到更高地方，如果達到預(yù)測的上限1.2米，影響將會更大。

如果把一些極端情況考慮進來：比如南極部分冰川一旦坍塌消融，海平面數(shù)字會大大超出預(yù)測區(qū)間。

我們需要重視冰川坍塌的可能性。要具體研究冰川坍塌的可能性，研究員們需要建立一套坍塌消融模型，包括它發(fā)生的條件、坍塌過程和物理原理等，這是難點所在，因為冰川坍塌發(fā)生在冰面以下幾千米的地方，衛(wèi)星探測等技術(shù)對此有一定的局限性。

對于南極冰川研究的一大挑戰(zhàn)是：地理覆蓋龐大，時間上跨度大。就地理空間上說，這是一塊特殊的大陸，平均海拔2350米，是平均海拔最高的大陸，那里甚至比撒哈拉沙漠更為干燥，有部分區(qū)域比火星還要寒冷。就時間跨度而言，南極冰川不僅以千年和百年的時間跨度在變化，在短短數(shù)天內(nèi)也在不停地發(fā)生改變。如果對整個冰層下數(shù)公里的區(qū)域進行持續(xù)長期的觀測，難度可想而知。

為了研究冰川，達斯汀領(lǐng)導(dǎo)一個科研團隊通過透地雷達的方式來探測冰川內(nèi)部。他們將可以穿透冰層的雷達系統(tǒng)吊裝到DC-3運輸機上——這種機型因性能可靠曾經(jīng)在二戰(zhàn)時期被大量使用，一直沿用至今。

在機翼下裝置的雷達天線，發(fā)射雷達信號傳送到下面的冰層，同時傳回有關(guān)于在冰層內(nèi)部和下面狀況的信息。

在這個過程中，科學(xué)家和工程師需要在飛機上連續(xù)工作8個小時，確保雷達運行正常。

通過這樣的飛行考察得到的雷達測繪圖展現(xiàn)了冰層的垂直信息，就像是一塊蛋糕的截面。頂部是冰層的表面，底部是大陸的基巖，中間的冰層包含著冰層歷史的相關(guān)信息。

這個雷達透冰探測技術(shù)十分有效。它可以透過冰層觀察3千米以下的冰川，實踐證明這是研究冰層的完美工具。

幾十年來不同國家組成的團隊和國際合作項目利用雷達繪制了南極大陸的冰川圖，把這些數(shù)據(jù)匯總疊加在一起分析，我們就可以得出一個真實的南極大陸圖像。

然而幾十年的時間里，打造的僅僅是南極表層的一個快照，并沒有關(guān)于冰層如何演變的線索，研究團隊意識到需要加入時間線，看它的變化，而這才是研究的重點。

填補 “透視眼”盲區(qū)的老膠片

達斯汀和斯坦福、劍橋等一些科學(xué)家希望能從以往的數(shù)據(jù)資料中找到更有價值的“寶藏”。

研究團隊找到了1971年—1979年間收集南極冰蓋數(shù)據(jù)的舊膠片。達斯汀如獲至寶，他知道美國電影藝術(shù)科學(xué)檔案館會將老電影的膠片電子化處理成數(shù)碼電影，于是達斯汀借用了這套數(shù)位修復(fù)設(shè)備，和團隊重新制備了老膠片的所有信息。

當時的透冰雷達探索了南極表面以下的山脈，火山和湖泊，以及冰蓋內(nèi)的層，揭示了氣候和流量的歷史。某些地區(qū)很難到達，幸運的是碰巧前人飛過這些冰川。

當年的雷達數(shù)據(jù)在數(shù)字化處理之后，最終研究員們獲得200萬個高清的圖像，他們花費巨大的精力把50年前的信息與冰層的現(xiàn)狀進行比對分析。

幸運的是，舊數(shù)據(jù)記錄得極其詳細，以至于可以輕松從中分辨出此前火山爆發(fā)留下的灰層、以及那些侵蝕冰層的通道。這項研究填補了有關(guān)南極洲環(huán)境歷史、以及氣候變化是如何影響該地區(qū)的更多細節(jié)。

研究員們在分析對比后得出一些結(jié)論：和50年前的舊影像相對比，南極的懷特冰川冰架已經(jīng)越來越薄，僅1978年—2009年間就萎縮了1/3，融化的速度遠遠超過我們曾經(jīng)的預(yù)測。

這些數(shù)據(jù)已經(jīng)在線發(fā)布到斯坦福圖書館的公共檔案，其他科學(xué)家也能夠?qū)⑵渑c現(xiàn)代雷達數(shù)據(jù)進行比較，用以了解幾十年來冰層厚度、冰川特征和它們長期的變化。

懷特冰川位于南極洲西海岸、介于海洋和其它冰川之間，屬于該大陸結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，大小與美國佛羅里達州相當，因其大部分河床低于海平面，向內(nèi)陸傾斜，正因為如此，這個區(qū)域是研究冰川融化的重點。

如果懷特冰川出現(xiàn)了下降，其它部分也會迅速跟進。該冰川在過去幾十年一直在以每年400米的速度消退，照此速度懷特冰川將在未來500～1000年崩塌解體，這會讓海平面會上升大約2米。

如果南極冰川融化會讓世界海平面額外上升4.5米，可以想象一下對于倫敦、上海、紐約、東京等這些接近海的城市意味著什么。

利用太陽“透視”南極冰川

對于現(xiàn)在的透地雷達探測系統(tǒng)來說，長期運營的相對成本不低，這限制了觀察冰川的新思路，低成本的運行機制可以將傳感器覆蓋到更多區(qū)域，可以獲得長期的測量數(shù)據(jù)。達斯汀在尋求一些新的地面雷達系統(tǒng)。

比如“固定點冰川雷達”，在觀察點埋下一些車載電池供電，讓它們在那里一次性待上數(shù)月甚至數(shù)年，然后隔幾分鐘，或者幾個小時就送一個脈沖到冰層內(nèi)部，這樣就能獲得連續(xù)的觀察——但這有很大的局限性，只能針對一個點。

另外一個思路是利用現(xiàn)有的無線電波系統(tǒng)。整個空間是存在各種無線電波信號的，而最強烈最耀眼的無線電波源就是太陽，達斯汀的學(xué)生團隊就在嘗試用太陽發(fā)出的無線電信號替代人工雷達信號。這些學(xué)生的思路是通過戶外無線電頻率觀測日落，并嘗試著探測太陽在海平面落下的反射。

探測太陽在海洋平面落下時的反射，與探測一塊冰層底部的反射在理論上是極度相似的，這個想法并不是遙不可及。在早期的地震領(lǐng)域也有相同的案例，以往的震動來源是靠引爆炸藥，后來漸漸過渡到利用周圍環(huán)境的地震噪音;再比如應(yīng)用于軍事的防御性雷達自身不用發(fā)送雷達信號，它會使用電視信號或者其他的無線電信號來探測標示物體的位置。

如果這個方法可行，傳感器的制造成本將會大大削減。造價低的傳感器就可以批量生產(chǎn)，然后可以在冰層上調(diào)配成百上千個這樣的傳感器去做成像。

這些創(chuàng)新開源的技術(shù)，讓學(xué)生們可以像科學(xué)家一樣思考，達斯汀的實驗室一直在營造一個“以創(chuàng)新為基”的環(huán)境，鼓勵學(xué)生去針對不同的問題進行低成本和高性能的優(yōu)化。