了解南极洲最可怕冰川的竞赛

Science season in Antarctica begins in November, when noontime temperatures at McMurdo Station climb to a balmy 18 degrees Fahrenheit and the sun hangs in the sky all day and night. For a researcher traveling there from the United States, the route takes time as well as patience. The easiest way is to fly from Los Angeles to Christchurch, New Zealand—a journey of 17 hours, if you’re lucky—and then to McMurdo, a charmless cluster of buildings that houses most of the southern continent’s thousand or so seasonal residents and both of its ATMs. McMurdo isn’t the end of the line, though. Often it’s just a pass-through for scientists hopping small planes to penguin colonies or meteorological observatories farther afield.

南极洲很少有地方比斯威茨冰川更难到达,斯威茨冰川是佛罗里达州大小的一块冰水,在麦克默多以西800英里处与阿蒙森海汇合。直到十年前,几乎没有科学家踏足过那里,而冰川的偏远,加上其恶劣天气的名声,确保了人们对它的了解。然而,在以冰为生的小群体中,斯维特一直是黑暗猜测的主题。如果这座神秘的冰川“变坏”——冰川学家——说的是冰川分解成冰山并最终塌陷到海洋中的过程,那可能不仅仅是科学上的好奇。事实上,这可能是一种改变文明进程的事件。

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2008年12月,宾夕法尼亚州一位名叫斯里德哈·阿南达科里什南(sridhar anandakrishnan)的科学家和他的五位同事乘飞机、拖拉机和摩托雪橇从麦克默多出发两天,踏上了通往斯维特的史诗之旅。所有的冰川都在流动,但是卫星和机载雷达任务已经显示出一些令人担忧的事情正在发生在海堤上:冰川正在不稳定,将更多的冰倾倒入海中。在该地区的彩色地图上,它的流量从稳定的蓝色变为红色警报。正如安纳达科里什南所说,“斯维特开始流行了。”

这种变化不一定会引起恐慌。大冰川可以加速或减速,原因是科学家们仍然不能完全理解。但阿南达科里什南知道,斯维特的不寻常特征,它的形状像一个楔子,薄前端面对海洋,使它很容易失去大量的冰迅速。更重要的是,它的大小值得考虑。许多冰川类似于穿过山谷的狭窄河流,像滑槽或滑梯一样将小冰山悠闲地移入大海。如果情况不好,斯维特就不会这样做。“斯维特是一个可怕的冰川,”阿南达克里什南简单地说。它的前端直径约100英里,它的冰川盆地——楔状物的厚部分——一直延伸到南极西部内部,深度从3000英尺到4000英尺。在阿南达科里什南第一次探险之前的几年,科学家们已经开始问,在冰川的突然搅动中,前缘变暖的水是否会起到一定的作用。但他想知道在斯维特下面深处发生了什么,那里的冰与地球相遇。

如果神秘的斯维特冰川“变坏”,它可能会改变文明的进程。

在2008年的探险和一年后的另一次探险中,安纳达科里什南的团队对斯维特进行了地质上相当于超声波的研究。每天早上,他们都会在冰冷的帐篷里醒来,用卫星电话给麦克默多打电话,证明他们还活着,吃一顿快餐,然后乘摩托雪橇穿过冰盖的空白处离开。在预先安排好的地点,他们会在一个通常在70到100英尺深的洞底放置炸药,用雪填充洞底,然后将其炸毁。能量波将从电荷流到冰川床,再回到地表,在那里它将被一组检波器记录下来,这些检波器是非常灵敏的地震仪器。通过测量海浪反弹所需的时间,以及观察海浪特性的变化,安纳达科里什南的研究小组可以获得数千英尺以下冰川床的深度和构成的线索。他们一遍又一遍地重复这个过程。

到2009年任务结束时,安纳达科里什南和他的同事已经从大约150个钻孔中收集了数据。新的信息并没有准确地解释是什么加速了斯维特的加速,但这只是一个开始。与此同时,卫星地图越来越红。2014年,美国宇航局冰川学家埃里克·里格诺(EricRignot)得出结论,斯维特正在进入一个“不可阻挡”的崩溃状态。更糟糕的是,科学家们开始认为它的消亡会在南极洲西部引发更大的灾难,就像腐烂的支撑梁不仅会导致一堵墙倒塌,还会导致整个房子倒塌一样。斯维特的损失已经导致每年全球海平面上升4%左右。当整个冰川消失时,海洋可能会上升几英尺;当它周围的冰川也消失时,海洋可能会上升十几英尺。当那发生的时候,好吧,再见,迈阿密;再见,波士顿。

没有人能确切地说出斯维特什么时候会变坏。但是阿南达科里什南和他的同事们现在对冰川造成的危险有了更加敏锐的感觉。他说:“我们在一座火山的边缘行走,却一无所知。”

斯里德哈·阿南达克里什南去过南极洲20多次。

Ross Mantle

去年9月一个温暖的下午,在哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球天文台(Lamont Doherty Earth Observatory)的一次会议上,安纳达科里什南(Anandakrishnan)做了一次演讲,详细介绍了他返回斯维特的计划。总共有120名科学家出席了这次会议,其中一些人每年都会开会讨论西南极冰盖问题。25年来,他们一直在争论该地区潜在的不稳定是否是引起警报的原因,以及作为维系冰盖的基石的斯维特是否是短期风险。今年的会议有一个更大的意义:美国和英国最近宣布了一个5000多万美元的合资企业,称为国际斯威茨冰川合作。在五年的时间里,科学家们将以各种可能的方式探测冰川。

在会议上,很难动摇形势紧急的观念。“问题是,接下来会发生什么?美国斯威茨合作项目协调员特德·斯坎普斯告诉我。“我们是要50年还是200年后才能看到从冰川向海洋中卸载冰的速度真的大幅增加?”“作为一个现实的考虑,世界需要知道。在过去的几十年里,气候学家已经越来越擅长模拟地球大气对日益上升的温室气体浓度的反应。但旨在将各种未来情景转化为实际影响(如海平面变化)的冰盖模型并没有那么可靠。其中一个原因是,冰川的物理现象已经被证明是极其复杂的,许多影响其行为的因素仍然未知。“这些模型存在不确定性和粗糙性,”宾夕法尼亚州冰盖专家戴夫·波拉德告诉我。他说,斯维特的合作重点是填补一些空白。

合作的建筑师,美国国家科学基金会和英国的自然环境研究委员会,从24个提案中选择了八个研究项目。有些人会把注意力集中在斯维特的前端,它延伸到南极洲的海岸线之外,形成一个悬挑的冰架,漂浮在阿蒙森海上。冰架是件好事。正如冰川学家们常说的,它们的作用就像软木塞,防止上游的冰把瓶子里的酒灌入大海。它们还保护冰川不受海水变暖的影响。斯维特的冰架已经破碎,因此合作中的一个小组,自称塔桑(斯维特-阿蒙森地区调查和网络),将调查海洋环流和暖空气的局部影响。另一个名为“融化”(不是缩写)的小组将使用带卫星发射器的潜水机器人和密封装置来检查冰川所谓的接地线,即冰川前端位于海底的点。

安纳达科里什南的地震实验将是合作工作中最关键的部分之一。他的团队取了“幽灵”这个名字,它代表了冰下斯维特的地球物理栖息地。他的研究将在冰河下的深海平面下绘制出一条河床,以期预测未来斯维特的行为。阿南达科里什南说,柔软、湿润的沉积物可以使冰川滑动得非常快,而且很可能有很多这样的沉积物位于岩脉下面。他把它比作“当你走进后院和你的孩子们玩泥巴的时候,你可能会发现什么”。它有一点力量,但不是很大。”

南极洲西部的斯维特冰川和佛罗里达州一样大。

Bryan Christie Design

会议前几周,我访问了宾夕法尼亚州的阿南达克瑞什南。他的办公室是一个简朴的空间,白色的煤渣砖墙,堆满了书籍和成堆的文件,几乎没有什么纪念品可以证明他去过南极洲20多次。我们谈话时,他提出了研究斯维特的计划。他告诉我,在2008年和2009年,他检查了大约25英里长的冰川床区域。从2020年和2021年冬天开始,未来四年的蓝图更具雄心壮志:随着近吨炸药的拖拽,安纳达科里什南和十几位同事应该能够绘制出一个面积是其10倍的区域。如果一切顺利的话,地震波的回响将照亮横截面下面的轮廓和物质组成。

阿南达克里什南站起来,走到一块白板前,给我画了一张冰川床的几何图形。这条线从前面的隆起处开始,冰川在那里与大海相遇,然后随着向内陆的移动,慢慢地向下倾斜。他说,目前还不清楚斯维特在拔掉接地线并开始快速下降之前有多长时间。“它有点像挂在那里的指甲上,”他解释说,指着肿块。

冰川,如在海洋中终止的斯维特,往往遵循一个熟悉的模式的崩溃。起初,水从下面啃咬冰架,使其变弱变薄。它开始漂浮,而不是安全地坐在海底,就像一艘搁浅的船从沙滩上升起。这使得它的底部更多地暴露在水下,并且弱化和变薄仍在继续。这个架子现在太脆弱了,无法支撑自身的重量,它开始以巨大的一块一块地向海中猛冲去。更多的冰从冰川内部流下,补充失去的东西,整个循环又重新开始:融化,变薄,断裂,后退;融化,变薄,断裂,后退。

很难找到任何科学家,特别是阿南达科里什南,他们认为斯维特可以避免这种命运。因为它的河床位于海平面以下,水将把它带到遥远的内陆。当斯维特的接地线开始后退时,很可能在未来几十年内,阿南达科里什南说,它可以做得相当快。这种撤退一开始可能只会稍稍提高海平面。通过雷达研究,科学家们相信他们发现了另一个肿块,现在称为鬼脊,它在现有的肿块后面大约45英里处。这就是安纳达科里什南的幽灵小组将从地表进行的地震实验所追踪到的。山脊是由湿沉积物构成的,还是坚硬干燥的?是低还是高?这种深奥的差异可能会产生非凡的影响。阿南达科里什南说,如果从他在斯维特的实地考察中得到任何好消息,那可能是因为他发现冰川有可能牢牢地卡在幽灵山脊上。

因此,你可能会认为斯维特是一个悬在悬崖边上的人。就在他摔倒的时候,他抓住一块石头,一个结实的把手,以避开深渊。当然,岩石可能会在他手中松动,并以悲剧的方式移动。然后他会掉下来。

上世纪50年代末,第一个踏上斯威茨冰川的探险队包括一位名叫查理·本特利的结痂冰川学家。他花了25个月的时间驾驶拖拉机在南极洲西部行驶,在冰上进行探测。他的过程很像安纳达科里什南的。本特利会钻一个足够深的洞,以到达被称为冰层的紧密的雪层,或者更好的是,固体冰;在其中放置炸药;然后用检波器记录冲击波。在那些日子里,这些数据是以类似的形式记录下来的,用一根针“来回摇动,在一张纸上刻下一些东西,这些东西正快速地过去,”阿南达科里什南说。“之后,你会看到记录,纸上的距离相当于一定的时间。”本特利的重大发现是,南极洲西部的大部分土地实际上都低于海平面,尽管它被厚厚的冰层覆盖着。

Anandakrishnan从未打算用数字网络来帮助这一进程发生革命性的变化,但事情就是这样发展的。20世纪80年代中期,当他作为威斯康星大学电气工程研究生来到美国时,他对冰和气候几乎没有兴趣。他出生于印度,十几岁时在马里兰州郊区度过,这就是为什么他在演讲中表现出一种轻松的风俗习惯;他的父亲是一名土木工程师,曾担任美国国立大学的科学顾问。戴安驻华盛顿大使。安纳达科里什南大学期间的主要兴趣是光纤和激光。他计划成为硅谷的教授或光学工程师。但后来他接了一则招聘暑期工的广告。

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一群威斯康星州冰川学家正试图将他们的仪器连接在一起,这样他们就可以在中央硬盘上记录他们的数据。安纳达科里什南为他们的项目设计了一个光纤系统,最终被要求去南极洲安装。他23岁。“这些事情我完全不知道,”他说。“我来自一个纯粹的工程背景。我知道冰川存在。我知道冰川和海平面有关。但我真的只知道这些。”当他回到学校的时候,他回忆道,“我已经进入了电气工程博士学位一年了。如果我想要的话,我有一个有保障的豪宅或一艘游艇,或者在大学里的职位。或者我可以重新学习地震学、地质学、冰川学、气候学、海洋学。“他被冰层的“无尽的地平线”所迷惑,但他也被一个他称之为“Capital-T”的玩具、雪地车、叉车、起重机和货机所吸引。他立即申请了冰河学博士学位,这恰好是宾利的系。

阿南达科里什南知道在冰上爆炸的小炸弹可能看起来很原始。每次爆炸都会产生一种恶臭气体,这种恶臭气体会从钻孔中爆炸出来,伴随着烟灰残留物,有时会落在研究人员和他们的设备上。他说:“但现实情况是,几乎没有其他方法可以获得我们试图获得的信息。”机载雷达任务可以以同样的精度完成一些相同的工作,而且不那么麻烦,但是它们不能穿透岩石,因此它们不能揭示冰川床的性质。

地震探测也曾是如此。1957年宾利在斯维特附近开车时,他唯一能确定的就是深度。当数字记录在20世纪80年代成为标准时,研究人员可以关注床层在不同点和不同角度的反射强度的微小变化。阿南达科里什南说,这种新的敏感程度深刻地改变了他的领域。

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炸药的革新也起到了作用。早期的冰川探测,包括宾利的,都是用TNT完成的。在即将到来的斯维特探险中,仍在设计自己大部分设备的阿南达科里什南将使用PETN,一种经常在塑料炸药中发现的化学化合物。(它装在200克的圆筒里,大约和你的食指一样大。)除了非常稳定之外,petn速度很快;它的地震波以每秒12000英尺的速度通过冰传播。这一点至关重要,因为更高频率的爆炸将收集有关冰川床的更详细信息。

到了拍摄斯维特的时候,风必须安静。禁止任何人呼吸、咳嗽或打喷嚏。阿南达科里什南说:“我们有一个协议,规定该地区所有的机器都要关闭。”“什么都不会发生。人们不能走路。他们不能说话。每个人都有存货。在地震能量到达检波器前的5秒钟内,这是你唯一希望那些设备能听到的声音,“在地面上,你听到一声巨响。如果你离得足够近,而且射得足够大,你可以感觉到它在脚下,在鞋底轻轻地拍一下。研究小组将快速查看数据,以确认爆炸到达了床上。然后他们会继续前进。

我问阿南达科里什南,他是否有可能用炸药击碎部分斯维特,有时可能加起来大约一公斤。我想象着某种灾难性的雪崩,比如在阿尔卑斯山。他摇了摇头。“这个冰盖太大了,”他说。他的小炸弹会摧毁我们坐的办公室,但与大自然的力量相比,它们根本算不了什么。

也许想象斯维特未来的最大问题在于想象一场人类历史上从未发生过的自然灾害。在宾夕法尼亚州立大学的一天,我拜访了安纳达科里什南的同事理查德·艾利,他让我坐在他的办公室里,坚持要我看一段他在YouTube上重播的短片。像他的朋友阿南达科里什南一样,艾利在威斯康星州和查理·本特利一起学习,30年来一直在思考西南极洲的不稳定。这段视频详细描述了20世纪70年代末挪威的一场灾难。在农业城镇里萨,这片土地是一种不稳定的土壤,叫做快速粘土,在一个建设项目中突然液化。几小时之内,82英亩地落入湖中。有一人死了,拍摄这一事件的人几乎没有死里逃生。

“这不是冰,”艾黎一边看着,一边警告我。“但这是一个类比,当事情可能破裂,当悬崖太高,没有东西堆积在底部时,会发生什么。”艾利的观点是,这可能是斯维特的情况。随着冰川的崩塌,楔形物的更大横截面暴露在外。这个过程创造了一个冰崖,它变得如此之高,以至于无法再支撑自己。在工程上,冰遭受了物质破坏。在模型中,它会断裂,而且会很快断裂。由此产生的冰山很可能会漂走,被海浪和潮汐带走,而不是形成一个堆积物来减缓速度。

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“所以问题是,”艾利说,“以不可逆或几乎不可逆的方式触发它的临界点在哪里?在他看来,斯威茨合作中最关键的部分之一就是研究冰川的接地线何时可能会越过幽灵山脊。可想而知,这就是灾难发生的时刻。艾利说:“如果斯维特表现得很好,在高排放的情况下,到2100年,我们的海平面上升只有一米,那么一米就是一件大事。”这将是痛苦的,但人类可以通过建造水闸和海堤,重新思考房地产开发模式,并从脆弱的海岸线撤退来适应。但是,它周围的海水和冰川的储量可能更大。“你必须考虑3英尺,但可能10或15英尺,”艾利说。大概15英尺。在这种情况下,杰斐逊纪念馆和芬威公园将在水下,谷歌丛将成为一个群岛。在美国以外,损失将是不可估量的。上海、拉各斯、孟买、雅加达都会被洪水淹没或淹死。

就目前而言,斯维特的迅速崩溃的前景似乎已经足够让一些科学家建议支持它。迈克尔·沃洛维奇和约翰·摩尔最近提出的其中一个地质工程方案,建议在岩脉底部建造一个砾石和岩石的“人造门槛”,以保护岩脉免受温水的影响。在一篇学术论文中,Wolovick和Moore承认,这样的一项事业“可以与人类曾经尝试过的最大的土木工程项目相媲美”。当我与Wolovick交谈时,他告诉我,这个想法旨在引发关于“冰川干预”的争论,这可能需要一个世纪的时间来构思和执行。不管代价如何,他说,这似乎是值得的。海平面的快速上升可能意味着数万亿美元的损失和数亿人的大规模移民。地球上较贫穷的地区总是遭受最坏的痛苦。“如果从源头上阻止海平面上升,”沃洛维奇说,“那对每个人都有好处。”

如果最糟糕的事情发生了,杰斐逊纪念馆就在水下。上海、拉各斯、孟买都会被洪水淹没或淹死。

当我问安纳达科里什南他对这个计划有什么看法时,他说这让他怀疑我们是否有可能忽视更大的问题。他同意,地球工程的障碍将是人类历史上最困难和最危险的建设项目。作为到过冰川的仅有的二十多人中的一个,他有权这么说。他指出,大约100名工人在修建胡佛大坝时丧生;这里的危险可能同样大,甚至更严重,即使你能找到合适的设备。他告诉我:“但无论地球工程学是否有效,这是一个单独的问题,它不能解决把二氧化碳排放到大气中的影响。”“这就是提高气温、融化冰川、酸化海洋以及改变地球周围气候模式的原因。”

宾夕法尼亚州立大学冰盖建模师戴夫·波拉德和他的同事马萨诸塞大学的罗布·德科托发现了斯维特的不同未来。波拉德告诉我:“从破坏性的海平面上升和迅速退缩到南极西部中部‘照常’排放,到‘几乎没有海平面上升和边缘的微小退缩’,第二个未来是可能的,但前提是我们保持大气中二氧化碳的浓度在今天或只允许他们走得稍微高一点。这一壮举将涉及大幅削减化石燃料,并尽快大规模地向可再生能源经济转型。波拉德的观点是,如果人类决定从根本上改变他们的行为,即使是像斯维特这样脆弱的冰川也可以被控制。

这是最大的问题。我们是如此的渺小,如此的顽固,在阻止冰的挑战是如此之大。拯救斯维特,甚至发现鬼脊是否稳定,都无法拯救世界。随着气温的不断升高,阿南达科里什南可能很快就得把炸药打包,到别处去了。到那时,其他一些冰川将被它的指甲挂住。


乔恩·格特纳(@jon gertner)是《创意工厂:贝尔实验室》和《美国创新的伟大时代》的作者。他的第二本书,关于格陵兰冰盖的融化,将于今年夏天出版。

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