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中方队员参与完成北极气候研究多学科漂流冰站

作者:AG九游会老哥俱乐部 发布时间:2021-01-17 17:49 点击数:

  将“极星”号破冰船开进北冰洋,让它冻结在中心区域的海冰上,随冰漂流。从2019年9月20日至2020年10月12日,多国科学家在海冰上开展了为期一年的科学观测、采样和研究……

  这是迄今为止人类最大规模的北极科考计划——北极气候研究多学科漂流冰站计划(MOSAiC)。为此,北极科学委员会酝酿了10余年。

  来自20个国家60多家研究机构的600多名科学家和后勤保障人员,分5个航段,对大气-海冰-海洋-生态系统各圈层及其相互作用进行观测研究,以加深理解北极中央海域大气-海冰-海洋-生态系统间的耦合过程,提高北极天气预报、海冰预报和气候预测的能力。

  这期间,在国家海洋局极地考察办公室统一策划下,来自中国极地研究中心,自然资源部第一海洋研究所、第二海洋研究所、第三海洋研究所等9个科研院所和高校的17名中方考察队员参加了该计划的不同航段,在浮标阵列构建、冰底生态过程、温室气体循环、海冰和海洋过程观测等领域作出了重要贡献。中方参与人数仅次于德国、美国和俄罗斯,与瑞典和挪威等北极国家相当,是重要的参与国之一。这也是中国第一次参与北冰洋冬季考察航次。

  气候变暖是人类当前面临的最大挑战之一,而北极气候变暖是全球平均水平的2~3倍。极地海冰作为全球气候系统的一个重要组成部分,其变化是指示全球气候变化的重要标志。

  MOSAiC计划由德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所暨亥姆霍兹极地海洋研究中心(AWI)发起,是历史上最宏大的北极考察项目,也是近年来最为重要、影响最大的国际北极研究计划,涵盖了大气、海冰、海洋、生态和地球化学循环等学科。

  我国自1999年首次开展北极科学考察以来,已经实施11次北极考察,但至今尚未组织过北冰洋冬季考察航次。

  中国科学院院士陈大可介绍,MOSAiC计划最先联系中国参加的目的只是想要“雪龙”船为其实施该计划提供后勤支持。但这是深度参与国际大科学计划的绝好机会,因此中方希望全面参与该计划的现场观测和科学研究。在此背景下,陈大可3次带队参加了分别在俄罗斯和德国举行的MOSAiC准备工作会议,与国际同行开展了深入交流和探讨。最终,MOSAiC计划每个科学工作组都有中国科研人员参与其中:

  ——中国极地研究中心研究员雷瑞波负责现场工作的协调,并参加了海冰组的现场工作;工程师蓝木盛参加了生态组的现场工作。

  ——海洋一所高级工程师马小兵、助理研究员孔彬参与了物理海洋组的大部分作业。

  ——海洋二所卫星海洋环境动力学实验室副研究员何海伦、博士后林龙参与了海洋组的现场工作。海洋二所海洋生态与环境实验室助理研究员白有成、助理研究员任健、副研究员庄燕培参与了生态组的现场工作。

  ——海洋三所海洋-大气化学与全球变化重点实验室研究员詹力扬、助理研究员李玉红参与了生物地球化学组的现场作业。

  北极气候研究多学科漂流冰站计划中方现场协调人雷瑞波在日记中写到,中方队员创造了历史,他们成为中国第一批在北极完全没有折射光的极夜环境下开展冰上漂流作业的科研人员,在MOSAiC计划留下了中国印记,和诸多来自不同国家的科学家一道,为解释北极气候变化的奥秘一起努力着。

  ——在气-冰-海相互作用方面,中方为构建MOSAiC浮标阵列贡献了主要力量。中方一共布放了1套“海冰气无人冰站观测系统”、26套海冰物质平衡浮标、23套海冰漂流浮标、5套冰基拖曳式浅层海洋剖面浮标以及1套固定层位海洋浮标。观测数据为研究海冰物质平衡过程及其与上层海洋耦合机制的季节变化奠定了基础。

  其中“无人冰站”是极地中心牵头自主研发的海-冰-气无人值守观测装备,成为了主冰站有人观测的重要补充;中方牵头构建的海冰物质平衡浮标阵列成为了航次的亮点工作之一。他们首次在北冰洋浮冰上开展了水下激光粒度仪剖面时间序列观测,为研究冰底海洋生物活动的季节变化提供了基础数据。

  ——在冰区生态学方面,获得了水下原位激光粒度仪31次剖面观测,开展了北冰洋冰下的碳沉降通量观测,提高了对冰下碳循环过程的认识。在北冰洋中心区成功布放了我国首套冰基沉积物捕获器。该冰基捕获器与“极星”号破冰船一起随海冰漂流,以搜集完整年度的冰下沉降颗粒物,用于分析全球变化背景下北冰洋中心区生物通量的季节性变化及其相应的生物地球化学规律。

  ——在冰区生物地球化学循环方面,詹力扬使用了其自主研发的温室气体走航观测系统,该系统一直工作到航次结束,首次获得了北冰洋核心区域在海-冰-气界面的重要温室气体一氧化二氮(俗称“笑气”)和一氧化碳的重要数据,填补了该研究领域的国际空白。

  ——在大气环境方面,中方通过船基大气汞在线监测分析仪,对全航段大气气态单质汞浓度进行了自动在线观测。

  雷瑞波说,MOSAiC计划有着鲜明的中国元素和智慧。在任务执行中,我国考察队员开展了有效的国际合作,发扬了极地精神,展示了中国科学家的良好素养和风貌,为未来开展中国极地考察和国际合作提供了宝贵经验。“随着中国国家实力和世界影响力的提升,我国将持续面临‘更深入参与北极治理和气候变化应对’的呼声及需求,更广泛和深入的国际合作势在必行。”

  这是我国在北冰洋中心区域布放的首套冰基沉积物捕获器,没有太多经验可循。由于是在冰面上布放,既无法借助船载机器的力量,又要负责带领几位刚认识不久、不同国籍的队友合作完成作业,任健感觉压力巨大。一有时间,他就在心中反复推演布放流程,并与队友们多次讲解、沟通。

  天公作美。2019年10月25日,虽然气温达到零下25摄氏度,但风力不大。一大早,任健一行搭乘雪地摩托到达离母船“极星”号2公里的布放地点。这里远离母船,茫茫一片漆黑。

  等两位防熊队员各自就位,他们就开始了布放工作。打开冰洞后,任健、蓝木盛和其他队员把大型三脚架安置在上方。接着,他们用特制绳索串联起捕获器等设备,再通过三脚架上的滑轮,将设备依次放入冰洞。

  任健在现场指挥调度。他紧张地看着绳索带着设备慢慢进入冰洞,消失在冷冰冰的北冰洋里。

  为了便于运输,几百米的绳索盘在一起,分成几捆。这种情况下,绳头稍一走错就会打结,串联起来的设备就会拧成一串“麻花”,无法布放。

  好在前期准备非常仔细,布放过程中一路顺畅,毫无差错。最后的浮标被推到了冰洞上面,预示着布放顺利完成。

  “测试完浮标上的GPS一切正常后,我躺倒在冰面上,身体被白雪和黑夜包围,阒然无声,有种悬浮在宇宙中的松弛感。”任健说,就这样,他们用了3个小时,完成了我国首套冰基沉积物捕获器的布放。

  目前,这套捕获器已顺利回收,收集了北冰洋中心区10个月的冰下颗粒物,为认识冰下的生物地球化学变化过程提供了极为宝贵的样品。

  2020年5月4日,孔彬与第三航段后勤组的队员合作回收了海洋一所布放的固定层位浮标。此项作业预期的冰上作业时间是3小时左右,但是考虑到冰上作业情况复杂,孔彬申请了一天的作业时间。

  浮标布放在距离“极星”号十几公里以外的冰站,孔彬与另外3名后勤组人员只能坐直升机前往。到现场后,浮标布放位置的海冰厚度达到了2米左右,超出了预期。

  回收浮标需要将浮标周围的海冰全部挖出。虽然使用了冰钻和电锯等工具,2米厚的海冰仍让整个作业变得很困难。

  经过半天多的挖掘,浮标与海冰即将完全脱离时,冰钻凿通了水线,导致海水上涌,回收作业又增加了难度。克服了种种困难后,最终孔彬与其他3位后勤组人员成功回收了一所布放的固定层位浮标。

  “在北极进行冰上作业,虽然提前考虑到了各种可能发生的情况,但可能仍会‘状况百出’,现场工作人员需要有足够的耐心和应变能力来解决问题。”孔彬说。

  “可以说,我们在世界的边缘,度过了黑暗、寒冷、漫长的冬季。”回忆起在北极漂流的日子,对于任健和其他考察队员来说,有几个不得不提的关键词。

  极夜。第一航段的考察队员在北冰洋中心区域度过了约80天的极夜。在主冰站,离船700米范围内,考察队员冰上作业主要借助“极星”号破冰船上的探照灯。但在生物采样区则必须避免人造光源,考察队员只能用带红光的头灯,避开光合作用有效波段以减少人造光源对生物的影响,保持本底的生存环境。

  防熊。雷瑞波在他的日记中写到,MOSAiC计划的每次探冰作业都会配备专门的防熊队员,并通过防熊网、瞭望塔、直升机等多种方式防熊。“作业前和作业中,你都要时刻提醒自己,假如熊来了,你要怎么办,应该采取的作业措施是什么?”

  风暴。在风暴的影响下,很多细小的冰缝隙会发展成冰缝甚至水道,引起海冰破碎。2019年11月16日,在两个大气旋的叠加效应下,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,考察队员只能更换作业点。

  疫情。随着新冠肺炎疫情在世界各地的快速蔓延,MOSAiC计划也遇到了巨大的挑战,航次计划不得不进行大调整。为此,德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所暨亥姆霍兹极地海洋研究中心(AWI)组织了航空疏散,安排相关人员通过医疗疏散返回。百年一遇的科学研究计划和百年一遇的疫情让各国考察队员心中五味杂陈。考察期间,詹力扬的妻子通过短信通信告诉他母亲被查出患有恶性肾肿瘤。妻子要在疫情防控期间一人带着两个小孩并照顾患病的婆婆。这让詹力扬深深陷入了对家人的愧疚。得知母亲手术成功后,詹力扬在妻子的支持下继续坚守岗位,增加了额外的研究工作内容,获得了大量的现场数据。因航次时间调整,孔彬回国后在他的微信朋友圈里说:“5个多月,终于回家了!婚礼时间错过了,但是媳妇还在!”

  1893年,挪威探险家弗里乔夫·南森和“弗拉姆”号木制帆船穿极漂流,MOSAiC计划也在向这个100多年前的壮举致敬。雷瑞波将他在第一航段中的日记辑结成《在北冰洋漂流的日子》一书。陈大可在序中写到,这是一段“充满激情、责任和梦想的日日夜夜”。


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