冰川與全球氣候變化

如果在20世紀80年代之前提出對冰進行研究——也就是現(xiàn)在所說的冰川學——將是啟動全球氣候變化國際行動的關(guān)鍵，大多數(shù)氣候科學家可能會發(fā)笑。但這的確發(fā)生了。20世紀70年代蘇聯(lián)在南極洲東部的難以到達極（PoleofInaccessibility）進行的項目中取出東方站冰芯，拉開了這項研究的序幕。到20世紀80年代中期，法國與蘇聯(lián)的研究人員密切合作，于1987年共同發(fā)表了關(guān)于冰芯氣泡中穩(wěn)定的水同位素和溫室氣體濃度（CH4

和CO2）的結(jié)果。這些影響立即被揭示出來：溫室氣體濃度與冰蓋上空氣溫度之間存在明顯的相關(guān)性（由冰中的同位素比率顯示），如圖1所示。在這件從南極冰蓋以下2km深取出的冰芯樣本中可以觀察到持續(xù)了約110000年的冰川間冰期循環(huán)。盡管溫度的變化是對地球軌道幾何形狀變化的反應，正如以前在深海沉積物記錄中所顯示的那樣，但溫室氣體濃度對溫度的變化起著放大作用。第二年，即1988年，聯(lián)合國組建了政府間氣候變化專門委員會（IPCC），該委員會發(fā)布定期報告總結(jié)當時關(guān)于氣候系統(tǒng)的知識。

圖1.東方站冰芯所記錄的160000年以來的氣溫（藍線）和溫室氣體（紅線表示CO2，綠線表示CH4）數(shù)據(jù)。ppmv：按體積計百萬分之幾；ppbv：按體積計十億分之幾；kaBP：距今1000年前。從南極洲和格陵蘭島鉆取的冰芯中獲得了古氣候記錄，它代表了千余年或更大時間尺度上的全球氣候變化。其波動受到南極洲和格陵蘭島當?shù)靥攸c的影響，導致冰芯樣本記錄的數(shù)據(jù)存在有趣的差異。這些差異基本上是由兩個因素造成的。首先，格陵蘭島位于北冰洋以南，其他許多陸地幾乎都位于格陵蘭島北部，如加拿大東部和斯堪的納維亞半島在過去幾十萬年的冰川時期由大片冰蓋所占據(jù)，而格陵蘭島則是在相對較短（10000年）的間冰期內(nèi)存在的唯一北半球冰蓋。3km高的勞倫蒂德冰蓋和斯堪的納維亞冰蓋使當時的大氣環(huán)流模式與今天存在差異。與北極相反，南極洲被南大洋包圍，連同附近的其他大陸太靠近赤道，即使在寒冷的冰川時期也無法維持大型的冰蓋。因此，南極附近主要的循環(huán)模式在冰川循環(huán)中基本保持不變。格陵蘭島與南極洲的反應不盡相同的第二個原因是由于北大西洋通過洋流循環(huán)將溫暖的赤道海水向北方的極地輸送?，F(xiàn)在，這些海流為北歐提供了大約30％的熱量，使該地區(qū)比亞洲相應緯度地區(qū)溫暖許多。此環(huán)流（被稱為大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流，AMOC）似乎對海洋密度和溫度結(jié)構(gòu)的變化非常敏感。在大部分冰川時期，這種環(huán)流比今天更向南轉(zhuǎn)移，但是該系統(tǒng)也會偶爾轉(zhuǎn)移到與目前相似的地點，并大大改變當?shù)氐臏囟?、海冰范圍和格陵蘭冰蓋的水汽供應等。這種環(huán)流系統(tǒng)的變化使得格陵蘭古氣候記錄比南極的同期記錄更加多變。氣候模型表明，在溫室氣體濃度持續(xù)增加的情況下，大西洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流將在下一個或兩個世紀中保持平穩(wěn)下降。如果冰芯科學表明過去的氣候變化既明顯又出人意料，那么自小冰期結(jié)束（大約19世紀中葉）以來的冰川變化的視覺資料（見于繪畫和后來的攝影作品）成為了展示正在進行的氣候變化的明顯證據(jù)。分布于全球山區(qū)的冰川在19世紀或20世紀初達到最大面積，因此為世紀級的時間尺度上發(fā)生的氣候變化提供了明確的證據(jù)，即使對一些不流動的冰河也是如此。然而，若全球約200000座高山冰川全部融化，也只會使全球平均海平面上升40cm。雖然這將是一個重大的變化，但它不會使海平面發(fā)生考驗沿海城市和基礎(chǔ)設施抗災能力的災難性的上升。但是，如果格陵蘭和南極冰蓋也在一個世紀的時間尺度上對氣候變暖作出反應，那么它們將釋放出巨大的提升全球海平面的能力：在格陵蘭，所有冰川融化將使海平面上升7m，而南極洲儲存的冰川將能使海平面上升65m。今天許多冰川問題建模者面對的一個重要挑戰(zhàn)是，我們預計下一個或兩個世紀中冰川的融化會引起海平面上升多少？這個問題最近由于南極邊緣周圍許多大型冰架的坍塌而成為焦點，并且有研究者提出，過去這些年海平面上升顯得較為靈敏，冰川這個龐大的慣性系統(tǒng)對氣候變暖的響應速度比此前的預期快得多。冰架，也就是浮動的冰川，而不是冰凍的海冰，是由于大陸冰蓋的冰川移動入海而形成的，它們也充當阻擋內(nèi)陸冰川自由流動的冰壩。這些冰架通過在大陸架海域的淺灘上與海底接觸而產(chǎn)生支撐力（圖2）。

圖2.由于支撐效應的消除，冰架損失對陸基冰川的動態(tài)影響的示意圖。綠色虛線輪廓表示冰川和冰架的剖面，并演示了它們在冰架借由浮動冰架下面的基巖來提供顯著背應力的情況下會發(fā)生怎樣的變化。如果由綠色色塊代表的冰架變薄，典型情況是通過底部融化（綠色向上箭頭），則冰架與基巖頂部失去接觸，從而降低支撐力。這使得冰能夠更快地離開陸地（紅色箭頭），使內(nèi)陸冰川高度降低（綠色向下箭頭），導致海平面上升。冰架一旦失去與陸地的接觸，通常會迅速破碎并退回內(nèi)陸（如冰架終點附近的裂縫所示）。藍色虛線代表海平面。冰架有可能迅速瓦解，在短短的幾年或幾十年內(nèi)，數(shù)千平方千米的形成于數(shù)千年前的冰塊可能會分崩離析。這種冰架坍塌主要有兩種機制。在第一種機制中，由較高氣溫產(chǎn)生的冰架表面融水填補了冰架上的裂隙或底部凹陷。由于反照率低，蓄積的融水吸收更多太陽輻射并持續(xù)升溫，最終導致冰架一直破裂至底部，甚至可以達到表面以下數(shù)百米，這一過程稱為“水力壓裂”。第二種機制是通過基部融化和溫暖海水對冰架的削弱，相對于大氣層，這通?？梢韵虮芴峁└邤?shù)量級的熱量。隨著冰架變薄，它變得無法支撐自身的重量而分裂（圖3），并表現(xiàn)為一個自組織的臨界系統(tǒng)。

圖3.高80m、長500m的部分浸沒冰塊的離散顆粒模擬模型。冰塊運動終止于40m深的水中，并因其自重而斷裂。單個模擬冰川顆粒為1m3，旨在模擬冰的黏彈性行為。注意碎片尺寸的現(xiàn)實分布和裂縫的大小，這與單純的巖石或砂堆雪崩的碎片和裂縫的大小完全不同（圖片由JyrkiHokkanen提供，CSC-IT科學中心）。溫度的上升促進了冰架加速坍塌的兩個機制。但為使內(nèi)陸冰快速流動，則冰需要位于反向傾斜的基巖上，也就是說，基巖必須深入內(nèi)陸。許多位于西南極洲阿蒙森海和別林斯高晉海的大型冰川填充槽就屬于這種情況。僅用十年的數(shù)據(jù)，GRACE（重力恢復和氣候試驗）重力異常衛(wèi)星就已經(jīng)表明，這一地區(qū)（包含松島和斯韋茨冰川）表現(xiàn)出非常明顯的負質(zhì)量平衡。也就是說，在該區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了從冰蓋到海洋的質(zhì)量損失。未來的質(zhì)量損失率取決于基巖幾何形狀的關(guān)鍵細節(jié)和與南大洋相連的海洋空腔的水深測量。冰架的快速融化必然會使溫水進入冰架空腔，這種溫水通常很深（500m或更深），這是因為它的密度遠遠高于較輕、較冷的地表水。然而，一個典型的冰架開始在1km左右的水深處浮動。這條接地線是融化發(fā)生得最快的地方，也是冰架從受基巖摩擦而減速轉(zhuǎn)變到自由浮動的臨界過渡的