中國科學(xué)家登陸南極40年之際 讓我們聊聊這片偏遠(yuǎn)大陸的前世今生

首次登上南極考察的中國科學(xué)家董兆乾（左）張青松（右）和澳大利亞南極局副局長Knowles Kerry博士在一起

南極冰蓋平均厚度1829米，最大可達(dá)4700米

南極洲及周邊海域地圖

中國科學(xué)家登陸南極40年之際

讓我們聊聊這片偏遠(yuǎn)大陸的前世今生

從遠(yuǎn)古走來，今日一派冰雪料峭景色的南極都經(jīng)歷過什么？厚重的冰蓋下隱藏著怎樣獨(dú)特的歷史？它又將面對怎樣不確定的未來？在中國科學(xué)家登上南極40年后的今天，我們應(yīng)該好好了解一下這片偏遠(yuǎn)大陸的來路與前途。

躋身南極研究大國

1980年1月12日，兩位中國科學(xué)家登上了澳大利亞南極科考站凱西站，第一次代表中國科學(xué)界正式踏上南極大陸，也是第一次將南極大陸納入中國科學(xué)家的研究視野。

首登南極40年后，通過幾代人的努力，我們正在從對南極懵懂無知的國度，變成南極研究的大國。中國已在南極擁有泰山、中山、昆侖和長城4個科考站，第5個科考站羅斯海新站也正在建設(shè)中。中國還組織過35次南極科學(xué)考察任務(wù)，而搭載著第36次科考團(tuán)的雪龍2號，目前正航行在南極宇航員海附近的海域。

繼《南極公約》凍結(jié)了世界各國對南極的領(lǐng)土要求后，從科學(xué)的角度認(rèn)識南極便成為中國及其他大國探索南極的根本動機(jī)。南極洲大陸經(jīng)歷過十分復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動，在厚重的冰層下及周邊海域內(nèi)蘊(yùn)含大量潛在資源，是人類社會未來發(fā)展的重要保障之一。認(rèn)識南極的演變、形成和礦產(chǎn)分布，是針對南極展開綜合研究的重要目標(biāo)。

南極冰蓋也是最直接的科研對象。每年，降雪落下，混雜著天空中的塵埃、顆粒、氣體甚至落在冰面上的隕石一起凍結(jié)成冰，將許多關(guān)于南極演變和地球環(huán)境演變的線索保存下來。人們鉆井取出冰芯，逐漸揭示出冰雪中深埋的秘密。

南極獨(dú)特的自然環(huán)境，也造就了地球獨(dú)一無二的極地生態(tài)群落。對南極生物和生態(tài)環(huán)境的研究，是人們考察南極的另一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。大到海象、海豹、座頭鯨，小到賊鷗、企鵝、磷蝦，這些冰雪世界的萬物生靈，是南極展示給人類的最美好一面。

南極從哪里來

南極洲的封凍是新生代以來全球“冰室效應(yīng)”的一個縮影。中生代時(shí)期（距今2.51億—0.66億年），溫室氣體二氧化碳的濃度長期保持較高水平，全球氣候普遍溫暖，海平面高企，地球南極的情況大為不同。

地球南極與南極洲大陸是兩個不同概念。整個中生代，南極洲大陸在南極圈（南緯66°34′）附近徘徊，最終在距今大約8000萬年前的白堊紀(jì)晚期達(dá)到與今日相似的位置。中生代的地球南極或許存在冰層，但南極洲大陸只可能有少量冰層，并未形成覆蓋整個南極洲陸地的大冰蓋。

溫暖延續(xù)到了新生代，距今約5000萬年前是新生代最溫暖、溫室氣體濃度最高的時(shí)期。后來，全球溫度總體開始震蕩走低，直到人類生活的時(shí)代，世界的溫度達(dá)到自恐龍滅絕以后的最冷階段。在逐漸變冷的過程里，南極冰蓋和北半球冰蓋先后出現(xiàn)。

第一個巧合

是什么引起了新生代的全球變冷和南極封凍？最先引起人們注意的是新生代變冷與一系列大規(guī)模造山運(yùn)動在時(shí)間上的巧合。

5000多萬年前，世界海陸格局與現(xiàn)在大為不同：特提斯洋尚未變成地中海，阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶尚未形成，大西洋也遠(yuǎn)沒有今日寬廣，各片陸地還在延續(xù)著從盤古大陸分裂的趨勢。在后來演變?yōu)橹袊�的土地上，還呈現(xiàn)出東高西低的地貌形態(tài)。

伴隨著特提斯洋走向消亡，非洲板塊、印度板塊同歐亞板塊全面碰撞，一條斜跨半個北半球的板塊縫合帶宣告誕生，形成了最近兩億年來最大的超級造山帶。它從歐洲的比利牛斯山脈開始，經(jīng)過阿爾卑斯山脈，經(jīng)過中東的扎格羅斯山脈，中亞的興都庫什山，抵達(dá)亞洲的喜馬拉雅山脈，甚至延伸到東南亞的火山島鏈。

群山改變了世界。山體巖石中的硅酸鹽與降水中溶解的二氧化碳發(fā)生化學(xué)風(fēng)化，將二氧化碳固定到沉積物中。于是，從距今5000萬年起，地球大氣的二氧化碳濃度快速下降，引發(fā)冰室效應(yīng)，地球的溫度開始下降。

數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)大氣二氧化碳濃度降低到600ppm時(shí)，南極冰蓋才開始迅速增大，從陸地上的局地冰蓋，變成超出海岸線的大型冰蓋。此時(shí)正好是大約3280萬年前，而這個時(shí)間點(diǎn)，又和環(huán)南極洋流的產(chǎn)生時(shí)間形成了第二個巧合。

第二個巧合

影響南極地區(qū)溫度的因素除了冰室效應(yīng)，還有環(huán)南極洋流的形成。地球兩極附近存在著尺度巨大的環(huán)極地西風(fēng)帶，它們攪動大氣，最終帶動海水運(yùn)動。如果在相應(yīng)的緯度上沒有陸地的阻隔，就能夠形成暢通無阻的環(huán)極地洋流——這恰恰是南極的情形。

南極洲大陸先后與南美洲大陸、澳大利亞大陸分離。在大約5000萬年前，南極洲首先與南美洲分離，淺水的德雷克海道開啟；3350萬年前，南極洲與澳大利亞分離，形成塔斯馬尼亞海道，環(huán)南極洋流帶初步形成；2850萬年前后，南極洲與南美洲進(jìn)一步分離，淺水的德雷克水道變成深海，洋流增強(qiáng)。

歷經(jīng)數(shù)千萬年，南極洲大陸最終成為與世隔絕的孤洲，環(huán)南極洋流從無到有從弱到強(qiáng)，逐漸將南極洲與低緯海洋的熱量隔絕開來，使恰好位于地球南極區(qū)域的南極洲大陸，在新生代降溫的大背景下進(jìn)一步變冷。

于是，在大約3400萬年前，冰蓋開始覆蓋南極洲大陸；到了大約3280萬年，羅斯海灣開始形成冰架，標(biāo)志著南極冰蓋從陸地流進(jìn)海洋。此后盡管出現(xiàn)過多次反復(fù)，但冰蓋的規(guī)�？傮w上隨著溫度下降而不斷增大，其中在2300萬年和1390萬年前出現(xiàn)過兩次顯著增大。

南極洲冰蓋的生長又反射更多的陽光，使地球進(jìn)一步變冷，是地球出現(xiàn)北極冰蓋的重要因素之一。在兩極冰蓋的共同影響下，這顆星球用兩億年中最為寒冷的姿態(tài)迎接了人類的到來。

海上冰架陸上冰蓋雙雙加速融化

從新生代冰室效應(yīng)和周期性的冷暖旋回中走來，古老的南極在當(dāng)代卻正經(jīng)歷著來自人類的嚴(yán)峻考驗(yàn)。2019年，大氣二氧化碳濃度超過了415ppm，再創(chuàng)新高的同時(shí)，也超過了過去1500萬年來的二氧化碳濃度上限值。我們的世界正在逐漸步入未知領(lǐng)域，人類卻對此毫無經(jīng)驗(yàn)。南極也以劇烈的變化，走向充滿不確定的未來。

2019年9月，南極洲東部的埃默里冰架末端斷裂，1636平方千米的冰山隨波逝去，成為漂浮在南大洋上的巨大冰山。很快，它會繼續(xù)分解成小塊浮冰，逐漸消融。

2017年7月，南極洲西部南極半島的拉森C冰架發(fā)生斷裂，形成了面積達(dá)5800平方千米的冰山A-68，是北京市面積的近1/3。

海上冰架來源于陸地冰蓋的向海流動，末端破裂進(jìn)入海洋是正常冰架消解過程，但它們發(fā)生的速率和規(guī)模正越來越大，從側(cè)面反映了整個南極冰蓋的消融愈演愈烈。

2015年，來自美國NASA的一支研究團(tuán)隊(duì)提出，南極新增冰蓋質(zhì)量大于冰蓋融化質(zhì)量，引發(fā)輿論、學(xué)術(shù)界甚至政界的多方爭議。很快，就有不同的學(xué)者指出，這個研究團(tuán)隊(duì)使用的估算方法存在較大瑕疵，給出的結(jié)論存在問題。

利用新的方法和數(shù)據(jù)，科學(xué)家們描繪出南極冰蓋加速消融的嚴(yán)峻畫面。在過去的40年里，以每十年為一個階段，南極冰蓋的年均消融速率從80年代的400±90億噸，猛增至2017年的2520±260億噸，融化速率增加了五倍。

融冰成水，匯成溪流，流入湖泊或者海洋。在這個越來越熱的世界里，南極冰蓋正在加速融化。南極正和這個世界上所有其他的冰封世界一樣，一齊走向難以預(yù)料的未來。

重返中新世的陰影

如前文所述，在大約3300—3400萬年前，600ppm的二氧化碳可能是南極冰蓋快速發(fā)育的一個門檻，如今的人類，距離這個門檻正在越來越近。隨著世界各國工業(yè)化的發(fā)展和能源需求的增長，碳排放失控的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)從迷霧中顯出身形。

研究者們模擬過幾種不同碳排放路徑，但即便是中等排放路徑RCP4.5，也面臨二氧化碳濃度在本世紀(jì)中期突破600ppm的極大風(fēng)險(xiǎn)。而高排放路徑RCP8.5，即世界保持當(dāng)前碳排放規(guī)模繼續(xù)發(fā)展下去，則面臨著全球氣溫升高3.2-5.4℃，二氧化碳濃度超過1000ppm的風(fēng)險(xiǎn)。這對南極可能意味著什么？也許遙遠(yuǎn)的地質(zhì)歷史可以給出一些線索。

在距今約1400萬年前的中新世氣候溫暖期，全球平均溫度大約比現(xiàn)代高3-4℃，接近本世紀(jì)末碳排放失控場景下的最壞情況（RCP8.5）。有研究人員分別使用不同的地球軌道背景配以不同的二氧化碳濃度，對當(dāng)時(shí)南極冰蓋的情況進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到500ppm時(shí)，冰蓋將大幅離開海岸線；達(dá)到840ppm時(shí)，南極洲將出現(xiàn)大范圍巖石裸露。

因此，500-840ppm的二氧化碳濃度，可能是南極冰蓋將會出現(xiàn)大幅后退的關(guān)鍵區(qū)間。不出意外的話，我們這一代人可以親眼見證這一時(shí)刻的到來。

如果保持高排放水平到本世紀(jì)末，隨著兩極冰蓋和山地冰川的融化，以及海水受熱膨脹，最終引起的海面上升有可能達(dá)到0.6—1.1米，當(dāng)然，也不排除更高一些。南極的變化，從來并不僅僅關(guān)乎南極本身。這就像人類的行為，影響到的從來不僅僅是人類自己。南極的未來，既掌握在地球自身的節(jié)律里，也取決于人們將會作出怎樣的抉擇。

2019年8月，冰島Ok冰川因消融嚴(yán)重被取消冰川資格，成為歷史的一部分。冰島人為Ok冰川撰寫了墓志銘，留在了它曾經(jīng)矗立過的地方：“Ok冰川是冰島首個失去資格的冰川，在未來200年，冰島所有的冰川也將步此后塵，立此碑是為宣示，我們深知正在發(fā)生什么，亦知該做些什么，但只有后世的你，才知道我們是否做了該做的。”（文/ 云舞空城 文及圖片來源/星球科學(xué)評論公眾號）