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在北冰洋漂流的75天:极夜、风暴与北极熊

标签: 2021-02-02 23:31

极夜中随冰漂流的的科考船。受访者供图
一整年,一艘船被冻在北冰洋中央,随冰漂流。 在这艘名为“极星号”的德国科考船上,中国科考队员第一次来到冬季的北极中央地带。他们闯进极夜,迎着风暴、踏上海冰,与北极熊为邻,在北冰洋漂流考察75天。 这是人类历史上规模最大的国际联合北极科学考察项目。2019年9月,北极气候研究多学科漂流冰站计划(MOSAiC)正式启动,来自17个国家的300多名科学家随船进行漂流考察,开始了一场庞大的探极之旅。 目前,在北冰洋漂流一年的“极星号”科考船已启程返航,将于10月12日抵达不来梅哈芬港。届时,为期一年的MOSAiC漂流计划正式宣告结束。隐藏在北冰洋的全球气候变化的关键密码,也将逐渐浮出水面。 参与MOSAiC第一航段漂流的中方队员出发前合影。受访者供图
寻冰建站 船是不知不觉开到北纬85°附近的。 2019年9月21日,俄罗斯的“费多罗夫院士号”科考船载着科考队员们离开挪威特隆姆瑟港,驶往冰区。它的任务,是为MOSAiC设立浮冰阵列和卫星浮冰站,并将科学家们送至“极星号”科考船上。 未来一年,“极星号”将不会进行动力驾驶,而是依附冰站所在的浮冰,在风和洋流的影响下完全被动地随冰漂流。 在当时的北极,找到一块适合设站的浮冰,成为首要难题。 中国极地研究中心研究员、MOSAiC现场中方协调人雷瑞波介绍说,从位置上来说,这块冰要处于穿极流的上游区域,这样差不多一年之后船就能刚好到达大西洋北侧的弗拉姆海峡,完成一年周期的穿极观测。 作为主冰站,浮冰的直径应该在3千米-4千米,这样才能布放所有计划中的设备;平整冰厚度应该在1.0米-1.5米之间,没有贯穿的裂缝,这样才能保证海冰能存活1年而不发生破裂;海冰厚度最好是多样化的,有利于研究不同冰厚在同样的大气强迫下的生消过程;主冰站周边应该有90%以上的海冰,并且有若干块足以布放浮标的浮冰,作为主冰站的卫星观测冰站。 他记得,9月28日船开到北纬83°的时候,船上会议得出的结论是,在北纬84°以南都不太可能找到大浮冰,目标冰站在北纬85°-85.5°。令大家头疼的是,要是10月10日前后到达北纬85°,当地就已经进入极夜,加上海冰的不断消融,冰站作业面临的考验将会越来越大。 但船只能继续往北开。 “在接近北纬86°的地方,平整冰的厚度只有60-70厘米,也就是说我们还是没有找到合适的浮冰做站。”雷瑞波回忆,如果再找不到合适的冰站,MOSAiC就可能会改变原来的观测计划。 幸运的是,前来与“费多罗夫院士号”会合的“极星号”最终在北纬85°附近的另一片海域找到了能够作为主冰站的浮冰。 雷瑞波说,为了寻找这个主冰站,两艘船上来自不同国家的科学家利用不同源的卫星遥感数据,对预设位置方圆约100千米的浮冰进行了排查,对其中的16块浮冰利用直升机电磁感应或者冰面勘探实施了进一步的筛选,最后才确定下来。 “尽管这块浮冰无论厚度和大小都不能完全达到预先确定的目标值,但已经是当时最适合建站的海冰了。”他很是感慨,北极的急剧变化,让所有预先设计好的蓝图必须根据现场随时调整。这也是对现场科考人员的巨大考验。 随着这块浮冰漂流的“极星号”,的确没有按照计划于一年后漂出北冰洋。而是在今年8月初,就漂到了弗拉姆海峡。 为了充分利用船上的科考设备和后勤保障,“极星号”再次开回北冰洋进行为期两个月的漂流,然而,依然没有在往北航行的途中找到合适的浮冰建站,越走越北,一不小心就走到了北极点。 彼时已经结束MOSAiC第一航段漂流回到上海的雷瑞波,得知消息后有些担忧,“北极海冰的融化速度,大大超过了我们的预估。”
建设有冰站的浮冰产生的裂缝。受访者供图
极夜漂流 雷瑞波计算过,从10月12日建站完成进入极夜,到12月18日结束航段漂流,他和队友们一共经历了68天的极夜。其中,有40来天是永夜,一点折射的阳光都没有。 2006年在南极中山站越冬的时候,他曾经历过58天的极夜。“在南极的中山站,即便是极夜里最黑的那一天,也是能看到一点点亮光的。” 但在北纬85°,永夜比一般的极夜更加黑暗,“完全没有任何一点亮光。”参与MOSAiC的所有科学家,需要在这样的黑暗中不间断地开展野外作业,进行多学科观测。 雷瑞波介绍说,MOSAiC考察内容分为大气、海洋、海冰、地球化学循环和生态五个大学科,科学家们需要在船随浮冰漂流的过程中,观测海冰生长消融的过程中伴随的物理和生态过程变化,温室气体在大气、海洋、海冰之间如何交换与循环,海冰消融过程中是否会影响温室气体的交换等情况。 除了通过科考船上的设备进行观测,更多的观测工作,需要科考队员到布设有大大小小观测点的浮冰上去,完成冰芯采集、冰厚观测、积雪观测、海冰动力学过程观测等工作。 更具有挑战性的是,所有科考人员都需要轮流在极夜的冰面防守北极熊。“一次值守至少3个小时,完全没有光,也不知道熊什么时候会来。虽然它们有99.9%的可能性不会来,但就是那0.1%的危险不知道什么时候会出现。”雷瑞波形容说,这种感觉就好像被关在一个小黑屋,不知道什么时候“敌人”会突然出现。 他觉得,要是北极熊不来骚扰,海冰不破碎,其实寒冷和极夜并不那么可怕。 雷瑞波解释,漂流过程中,浮冰之间受力不平衡,且受到科氏力的影响,海冰之间不断地发生相互碰触,单块海冰本身各部分受力也不均一,自身会发生旋转。诸多因素影响下,冰场会发生形变、汇聚或扩散、剪切或涡旋;单块浮冰在平移中也会有旋转,甚至破碎。冰与冰之间挤压会形成冰脊,海冰破碎撕裂会产生裂缝和水道。 海冰破碎在整个漂流过程中经常发生,在风暴的加持下,很多本来不起眼的缝隙会发展成冰缝甚至水道,海冰进而发生破碎。 他记得,发生在2019年11月16日的一次风暴,在两个大气旋的叠加效应下,导致气象观测区、ROV观测区和遥感观测区与主冰站彻底分离,成了孤岛,水道达到20-40米宽,与主观测区连接的电缆全部拉断。 如果风暴继续肆虐,海冰更加碎片化,冰上的设备可能都会掉到海里,刚刚进入正轨的观测就会瞬间被打回原形,甚至可能还需要重建冰站。而在这样极端恶劣的天气里,人是基本不可能外出作业的,考察进度也会被严重耽误。 但在冬季的北极,一切别无他法,只能祈祷大自然“回心转意”。 极夜里,两只北极熊抱在一起。受访者供图
熊出没 海冰之外,冬季冰站作业另一个最大的危险源是——北极熊。 由于北极熊有冬眠的习惯,在冬季的北极考察中,遇见北极熊的概率并不高,但它们并非24小时冬眠,随时有可能循着人类生活的痕迹前来造访。 “有一次,一对熊母子在船前溜达来溜达去,散步,爬冰,蹲下,摆出各种姿势,满足了好多人的好奇心。”雷瑞波说,还有一次,一家三口走到了作业点,小熊被作为标记物的旗子吸引停下来玩耍,熊爸熊妈不断回过头来打招呼,给船上科考队员们做了一场“熊出没”的现场直播。 但在北极的极夜,如果人与熊近距离遇见,可能会带来致命的威胁。 “一般情况下,北极熊不会主动攻击人,但在极端饥饿的状态下或者人类活动和科考设备让它们觉得形成威胁了,它们会产生攻击性。” 雷瑞波说,MOSAiC的每次探冰作业都会配备专门的防熊队员,每个轮值人员在参与防熊工作前,都需要进行用枪培训。为了在北极熊靠近时发出警示,主要观测区外围架起了通电的防熊网,在一些重要的区域架起了瞭望塔,装上了探照灯。有的时候,还会动用信号枪和直升机撵熊。 第一次参与防熊时,雷瑞波才知道,防熊其实要比观测辛苦,在体感温度接近零下25℃的天气下,站着不动两个半小时,身体发冷,又绝对不能分心。 在驾驶台看熊值班,相对简单,但需要非常仔细。“每次瞭望,按时钟方向扫描,每个方向从天际线到船边,主要关注作业区,每隔10分钟瞭望扫描一次。在极夜环境下,即便借助船舶的探照灯,远处也很难看清楚,只能是尽力而为,但也不敢掉以轻心。” 如果在与科考船的距离远到探照灯够不着,只能依靠头灯照亮周围的观测点作业,防熊就更让人提心吊胆。“因为头灯能照亮的最大距离只有50米左右,在这样近的距离下,如果没有合适的区域躲避,就不得不使用信号枪,对熊进行驱赶。” 雷瑞波介绍说,MOSAiC的防熊队员一般会携带步枪和信号枪,但只有在和北极熊的距离50米左右,且无法躲避时,才可以使用信号枪;只有在距离小于30米且熊在进一步靠近时,人确定没法躲避时,才能考虑使用步枪。 “信号枪的作用是往远处驱赶北极熊,但信号弹必须打到北极熊跟前,要是打到熊身后,它可能会因为受到惊吓反而向人跑来,就更危险了。而步枪的使用概率极低,一是大部分人没有信心瞄准,二是不到迫不得已,没有人会愿意对‘北冰洋的主人’开枪。” 在北极,雷瑞波总结出来的防熊经验是,遇到北极熊,最好是躲,躲不了最好是吓走,总之不到最后一刻不要与北冰洋的“霸主”和“主人”发生任何冲突。 极夜的浮冰上,雷瑞波参与防熊工作。受访者供图
小意外与大麻烦 在MOSAiC极大的工作强度和广度下,科学家有时候也会忽略,在北极恶劣的气候环境面前,人的适应能力是有限的。 漂流观测还未正式开始,队友王杭州的手指就在布放设备的过程中被冻伤了。 雷瑞波对极地冻伤深有体会。2006年在南极越冬时,他曾经因为在零下16℃的野外没有戴手套作业,导致手指严重冻伤。“在现场就是手有点麻,等回到考察站,才发现三个手指都冻了,两个起了水泡,后来小手指局部肌肉坏死,两个手指的指甲盖也掉了。“ 根据那时的经验,雷瑞波叮嘱他,不能揉手指,不能用热水吸收,否则脆弱的血管会二次创伤。根据船医的判断和治疗,王杭州的手指没有太大问题,只是需要一段时间消肿和恢复。 雷瑞波回想,王杭州的手指应该是在零下12℃连续工作3小时后冻伤的。“他布放光学设备很多时候都只能戴一副很薄的线手套,后来时间紧张,干脆就不戴手套了。我心里当时也想这早点布放完,没顾得上提醒和照看。” 极地工作的高压,让雷瑞波差点忘记,自己也有一个在南极差点就冻没的手指。 “这次也是在回到船上脱下手套才发现,那个曾经受伤的手指居然一点血色都没有,也不知道疼,冻伤的半截跟其他部分就像只是黏在一起的。我就感觉,又遇到大麻烦了。” 雷瑞波一度怀疑自己会失去这个手指,“其实冻伤跟烧伤的破坏原理是一样的,如果冻到了肌肉,血管被破坏,碳化掉了,就没救了。当时医生也没有特别有效的治疗方法,只能走一步看一步。” 他觉得沮丧,一切仿佛又回到了13年前的南极。一晚上,要醒来好几次,一次一次观察手指颜色的变化。“如果颜色变红,就说明血液循环没问题,还能正常供血。”万幸的是,那个冻伤的手指在逐渐恢复,虽然还是很红肿胀痛,但好歹手指保住了。 对科考人员来说,更麻烦的是,冻伤意味着一段时间内无法进行户外工作,打乱现场考察的节奏。 雷瑞波的工作转移到了实验室里,主要是把冰密封在样品瓶里,在室温下融化后测量各个层位海冰的盐度,以及准备进一步布放的浮标。 实验室里的工作相对简单,但他的内心却更加着急,希望早点康复重新下冰。“一方面,极地科考最重要的就是野外作业,且漂流是不可逆的,工作一点都耽误不得;另一方面,也不希望自己因为养病而跟每天在野外忙碌的队友们格格不入。” 回想起这段经历,雷瑞波依然感慨万分,这是整个漂流过程中他经历的最危险的意外。“在极地,现场永远比想象的更加艰苦。要是工作中间能暖和一会儿,缓冲一下,可能什么事都没有。但就算一点点很小的失误,可能就会带来很大的麻烦,这就是极地野外工作的特点。”
科考队员在抢修冰站产生的裂缝。受访者供图

“北极的海冰越来越像南极的海冰” 在国内,去过南极次数多的考察队员,被叫做“老南极”。 雷瑞波觉得,在偌大的北冰洋,对于快速变化的北极气候和海冰来说,无论谁都也只是“小北极”,对自然及其变化应该有一颗敬畏的心。 寻找建站浮冰的艰难、风暴一来就被撕碎的海冰,都在诉说着北极气候变暖,北冰洋海冰越来越少、越来越脆弱的事实。 “调查显示,北冰洋气候变暖的速度是全球平均水平的2-3倍。最近几年全球气候变暖的速度其实是偏慢的,但在北极却没有变慢。北极作为全球变暖的放大器,对北极气候的研究关系到全球的命运,比如北极气候海冰的变化会影响中国等中低纬度国家冬季的极端天气气候事件的发生概率。” 雷瑞波说,正是因此,中国的科学家们有着很强烈的愿望,通过探索北极提高冬季极端天气气候事件的预测预报水平。 在中国历次的北冰洋考察中,气候变暖和北极海冰快速减少背景下,大气-海冰-海洋的相互作用是考察的重点方向。“但是我们本身对北极就不够了解,加上近年来北极海冰快速变化,呈现出各种以往没有观测到的新特征,北冰洋变得更加复杂,我们急需获得更多的观测数据来支持我们进一步认识快速变化中的北极。” 这也是中国积极参与MOSAiC国际合作计划的主要原因。 整个MOSAiC漂流过程中,科学家们发现北冰洋发生的最主要变化是,北极的海冰越来越像南极的海冰了。 “这跟我们以往想象的北极冬季海冰应该比较稳定的情况不太一样,想不到风暴一来海冰就轻易地被撕碎。”雷瑞波说,这是因为北极的海冰越来越薄,海冰变少后,海水水域扩大,海冰与海浪的相互作用加强,因此,北极动力破碎特征跟南极的海冰越来越相似。 另一方面,从热力学来说,积雪使得海冰表面被压到海平面以下,引起海水倒渗,形成湿雪层,最后冻结成冰。“就像南极海冰的热力学过程一样。” 这样的变化,让北冰洋的不确定性大幅增加,也让科学家们试图通过增加对北极海冰过程的认识提高气候模式的预测水平,有了更大的挑战。 雷瑞波深感,无论是中国还是国际的科学家们,需要做的努力还有很多。 到今年10月,MOSAiC为期一年的漂流计划将全部结束。雷瑞波透露,MOSAiC的观测数据将在2023年对全球公众开放共享。在此之前,所有参与到项目中的科学家将陆续通过论文发表研究成果,依据最新的北极数据,探讨气候模式对北极海冰过程的描述是否可以更加准确。 他也把参与MOSAiC的全部经历通过日记的形式记录了下来,编著了《在北冰洋漂流的日子》一书。 “我们国家目前还没有独立组织过冬季北极考察,是因为受限于‘雪龙’号极地科考船的破冰能力,但现在我们有‘雪龙2’号了,未来我们也可能会开展冬季北冰洋考察,更多的中国科考队员将去到冬季的北极现场。”雷瑞波说,他希望通过这份记录让大家提前知道,冬季的北极可能遇到什么,需要做好哪些准备。 新京报记者 吴娇颖编辑 陈思 校对 吴兴发

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