海冰形成过程

近日，齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋技术科学学部海洋遥感团队在北极高精度海冰密集度监测方面取得新进展，相关成果发表于遥感领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(IF=8.125)。高精度海冰监测对于研究全球气候变化和指导航运安全等方面具有重要意义。该研究结合光学遥感数据和被动微波海冰密集度产品，通过融合光谱和纹理特征的海冰密集度监测算法，自动获取高精度海冰密集度监测结果。通过验证和比较，证明该研究结果精度较高，能够探测到更多的海冰细节信息，为高质量海冰密集度监测提供了技术支持。 　　该研究成果受国家自然科学基金(42106172)和山东省自然科学基金(ZR2022QD061和ZR2021QD135)等联合资助。

中国科学技术大学极地环境研究室谢周清课题组通过雪龙船考察，发现了夏季北冰洋大气汞循环的独特现象，并经分析认为夏季大气化学过程将导致北冰洋汞污染加剧。 汞，俗称水银，是一种大气污染物。由于汞具有较高的蒸气压、低溶解性和较长的大气保留时间，可以在全球传输，从而到达南北极等边远地区。在北极地区，已经发现大气汞在传输过程中会沉降进入水生生态系统，并随食物链在北极熊等生物体中富集，特别是在北极冬天向春天过度时，大气汞由于溴的氧化，转化为可溶性更强的二价汞，犹如下&ldquo 汞雨&rdquo ，加速了大气汞向北冰洋的沉降。与大家对冬春季节&ldquo 汞雨&rdquo 的关注相比，由于北冰洋夏季的大气被认为较干净，这个季节汞的过程被忽视。 谢周清课题组依托我国极地破冰船&ldquo 雪龙&rdquo 号，建立了船基海洋大气环境化学观测平台，开展了多年的海洋边界层走航观测。在2012年的中国第五次北极考察期间，中国雪龙号首次横穿中心北冰洋，通过船基大气汞的在线高分辨率观测并结合2010年雪龙号在北冰洋考察的数据，获取了北冰洋大气汞的时空分布特征。 2012年（a）和2010年（b）北冰洋大气汞浓度分布图 北冰洋大气汞呈现西高东低以及中心海冰区与开阔水域显著不同等空间分布特征。进一步的研究发现，这种变化与海冰融化和淡水输入有关。夏季，随海冰融化，一年或多年老冰中的汞进入水体，在太阳光和微生物作用下，溶于水中的汞被还原再次释放到大气中，导致冰区大气汞浓度高于开阔水域。另一方面，在无冰区楚科奇海大气汞浓度显著高于格陵兰方向海域和挪威海，并拌随海水盐度的下降及有色溶解有机物的上升，表明河流淡水的输入是导致北冰洋西高东低的重要因素。夏季，环北冰洋特别是楚科奇海的河流携带高浓度的汞进入北冰洋，从而增加海水中溶解态汞，与此同时，河流带入高浓度的有机溶解物增加了溶解态汞还原为零价气态汞的能力，进而释放到大气中。那么是否随着全球变暖，夏季海冰消融的加速以及环北极河流输入的增多，北冰洋向大气释放的汞将增大呢？ 对比北冰洋夏季大气汞7月至9月的浓度后发现，2010和2012年均表现为夏天大气汞浓度低于秋季，大气汞的变化与一氧化碳背景浓度波动显著相关，表明夏天北冰洋上空也会发生显著的大气化学过程，释放到大气中的汞被氧化重新降落到海洋和冰面上。北冰洋太阳辐射从7月到9月呈减小的趋势，夏季大气化学过程相对较强，从而表现为夏季大气汞浓度低于秋季。这意味着融冰和河水贡献的汞由于大气化学过程的作用，更多的留在北冰洋中，从而加剧汞对北极生态系统的危害。

p 　　航程12000多海里，执行我国第九次北极科学考察的“雪龙”号9月26日回到母港——位于上海的中国极地中心码头。 /p p 　　在本次科考中，科考队以“雪龙”号为平台，围绕海洋酸化等热点问题，进行了深入全航程监测。 br/ /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/a9f1a932-2366-451c-b917-28209df4f667.jpg" title=" 工作人员取冰.jpg" alt=" 工作人员取冰.jpg" / /p p 　　什么是海洋酸化?在北冰洋开展海洋酸化研究有何特别意义?目前北冰洋酸化研究存在什么困难? /p p 　　全航程监测北冰洋海水pH值 /p p 　　和全球变暖“祸出同因”， 海洋酸化同样源于人类向大气过量排放的二氧化碳。 /p p 　　不同的是，全球变暖是由于排入大气中的二氧化碳温室效应作用，海洋酸化是溶入海水中的二氧化碳和水发生化学反应，产生大量碳酸根和氢离子，变成北冰洋“汽水”。随着溶于海水的二氧化碳不断增加，海水pH值和碳酸钙饱和度持续下降。 /p p 　　走航观测是本次海洋酸化研究的一个重要组成部分。正因如此，对自然资源部海洋三所助理研究员祁第来说，从上海出发，经过日本海、鄂霍次克海、白令海，直到北冰洋高纬海区，以及自北冰洋返回上海，“雪龙”号69天的航程具有特别意义。 /p p 　　“船开出去后，借助船体加装的高精度pH走航观测系统，每隔20分钟，我们就能获得表层海水的高时空分辨率数据，初步统计，此次北极科考获得了两千多个点的、跨越多个经纬度的北极大空间尺度的高分辨pH走航数据。”祁第告诉记者。 /p p 　　海洋酸化是个很缓慢的过程，如果精度不高这种变化根本看不到。祁第说，这次科考中除了pH走航系统能进行全航线监测外，还设置了40多个水文站位。水文站位采样，是将重达200多公斤的CTD放入海中进行相关作业。CTD由24个10升的采水瓶和一些测试仪器组成。每下降到一定深度，采水瓶会自动采集海水样品。船上实验室的电脑也会实时接收并显示仪器观测到的海洋数据。 /p p 　　祁第告诉记者，此次作业中，CTD下沉至4000多米的海底，一般需经过4个多小时，才能完成作业。尽管采样工作量大，却是获取海洋全水深酸化数据的最可靠手段。此外，水文站位的表层数据还可以和走航数据进行比对校正，确保了走航观测数据精度的可靠性。 /p p 　　为了解海冰覆盖下的海水酸化状况，本次考察设置了9个短期冰站和1个长期冰站。当船到达某一个冰站，工作人员将搭乘从船上放下的小艇，行至浮冰上，借助冰芯钻取及采集手段、半自动采水系统采集样品，并利用海洋环境多参数分析仪，现场分析温度和盐度。但冰站作业却是探究海冰融化驱动酸化机制的最直接办法。 /p p 　　酸化比太平洋或大西洋等快4倍多 /p p 　　1999年，经国务院批准，我国首次北极科学考察队搭乘“雪龙”号极地科学破冰船首航北冰洋。当年的科考任务中，把如今仍不被很多人所熟悉的海洋酸化研究列入其中，正是时任领队兼首席科学家陈立奇研究员主持。 /p p 　　上世纪80年代，作为我国最早选派到美国学习全球变化科学的学者之一，陈立奇参与了“海气实验计划”的全球计划。大量实践和研究使他敏锐地意识到，人类活动对全球变化的作用，已经接近并超过自然变化的强度和变率。 /p p 　　“从工业化到本世纪初，海洋平均pH下降0.1的时间，从每百年单位进入每十年。”谈及研究的初衷，陈立奇回忆，当时的推测是，在这种全球变化背景下，作为生态系统结构简单、对气候和环境变化也最敏感的地区，北冰洋会首先感应到这种酸化加速并被放大。 /p p 　　过去20年，北极升温幅度是全球平均升温的6.7倍。北极快速升温导致北冰洋海冰大量融化，每年夏季开阔水域超过1000万平方公里，高浓度的二氧化碳容易入侵北极海水，导致其上层水体的酸度升高。 /p p 　　与此同时，全球变化和北极变暖引起的北极海洋环流和大气模态异常，让北冰洋酸化雪上加霜。北冰洋海冰覆盖面积快速后退，诱发太平洋携带“腐蚀性”的酸化海水大范围入侵，这也是导致北冰洋酸化海水快速扩张的最主要原因。 /p p 　　如今多项研究已证明，北冰洋是全球海洋酸化“领头羊”。 /p p 　　“北冰洋是我们观测到的第一个如此迅速且大范围、长时间酸化加重的大洋，比在太平洋或者大西洋观测到的结果要快4倍以上。”祁第说，历经9次北极科考，基于对过去20年来所有横穿北冰洋航次数据的精细分析，结合历次我国北极科考航次的数据集成后发现，北冰洋酸化水体以每年1.5%速度快速扩张，并预估酸化水体将在本世纪中叶覆盖整个北冰洋。 /p p 　　组成全球观测网，用数据说话 /p p 　　2016年，一则新闻引发关注。在澳大利亚东部海岸绵延2300公里的“国宝”大堡礁，由于珊瑚大规模白化，已导致北部和中部区域约35%的珊瑚死亡或濒临死亡。白化现象最严重的部分珊瑚礁中，一半以上珊瑚已经死亡 剩余珊瑚中有一部分无法从白化恢复正常，死亡比例将进一步上升。 /p p 　　海洋酸化带来的影响打破了地理边界。 /p p 　　在北冰洋，翼足目类海螺是北冰洋食物链中重要的一环，是北极三文鱼和鲱鱼重要的食物。2013年发布的《北极海洋酸化评估：决策者摘要》，指出北极海洋正在酸化，并对海洋生物和渔业资源构成威胁。 /p p 　　祁第解释，在pH值较低的海水中，为了保护自己，这些钙化生物会长得越来越小、外壳越来越厚。作为饵料，它们的价值也会下降，这将影响渔业和水产养殖等，进而通过食物链破坏整个生态系统。 /p p 　　从时间横轴来看，从第三次北极考察开始，我国北极科考酸化研究安装了船载走航二氧化碳观测系统，不仅可以观测海洋吸收二氧化碳的量和潜力的变化，还可以为评估海洋酸化提供重要数据 基于中美国际合作，第四次北极科考开发的净群落生产力走航观测系统，扩展了生物过程对海洋酸化的影响研究和贡献评估。 /p p 　　祁第表示，当前海洋酸化演化成全球生态环境危机，尽管在北冰洋开展海洋酸化研究有着“一叶而知秋”的重要意义，但也面临重重困难，数据是一大瓶颈。 /p p 　　目前来自欧盟、美国、加拿大、日本和韩国等的科学家，都对北冰洋海洋酸化的研究给予了高度关注，并对北极陆架海域和南部海盆海水的酸化状况、海冰融化、生物过程、太平洋冬季水入侵影响等进行了研究。面对全球大洋研究最为匮乏的区域之一，这些国家的科研人员同样受困于高时空尺度的数据。 /p p 　　几年前我国提出了以北冰洋和北太平洋酸化为重点海区的观测网计划(nPAOA-ON)。“我们对北冰洋酸化的研究表明，在全球气候变化驱动下的海洋酸化没有国界，人类需要携手聚焦典型海域酸化实时监测，组成全球观测网并对酸化趋势和影响评估，采取应对和减缓措施，以构筑保障海洋生态屏障。”陈立奇说。 /p p 　　此次科考中，我国同样邀请了法国、美国科学家，乘坐“雪龙”号采集海洋酸化数据，就这一全球环境热点问题开展科学合作。 /p p 　　“就目前的研究而言，海洋酸化的损害后果仍难以评估。”但祁第可以肯定的是，要了解酸化对海洋生态系统意味着什么，需要用数据说话，开展长期监测研究。 /p