加速变暖的极地，不断消失的海冰，对我们到底意味着什么？
加速变暖的极地，不断消失的海冰，对我们到底意味着什么？
极地地区是地球气候系统的重要组成部分，其变化对全球气候和环境产生深远影响。近期，《国家科学评论》期刊邀请多位极地科学领域的专家，就北极加速变暖、南极和格陵兰冰盖变化、极地生态学、碳汇以及极地研究能力发展等议题展开深入讨论。
《国家科学评论》期刊2025年第1期封面。中国南极秦岭站位于罗斯海‘难言’岛上，在2024年2月7日开始测量工作。
北极加速变暖：局部效应还是能量传输？
北极地区正在经历加剧的变暖，其变暖速度是全球平均值的2到4倍。这种现象的驱动机制仍存在争议。雷瑞波教授认为，这可能是由局部效应和低纬度能量传输共同作用的结果。局部效应主要表现为一个正反馈循环：夏季更多的冰融化导致更少的阳光反射，进而吸收更多热量，引发更多融化。此外，云的作用也不容忽视，因为更多的蒸发会导致更多云层，从而增强向下长波辐射。
热量通过大气或海洋循环进入北极。虽然大气传输的影响被认为是短期的，但大西洋的温暖水流可能通过增加水温和空气温度，减少海冰数量，特别是在大西洋段，发挥重要作用。
值得注意的是，北极被陆地包围，融化的多年冻土可能使北极的温室气体增加多达30%。同时，北极的变化正在影响中低纬度地区的极端冬季事件，如中国遭遇的极度寒潮。
格陵兰和南极冰盖：海平面上升的关键因素
南极和格陵兰冰盖共同拥有地球上68%的淡水。冰盖的质量变化主要通过积雪、蒸发、水流以及冰架或冰舌的融化和崩塌来实现。格陵兰冰盖在1970年代之前基本稳定，之后开始融化，并在过去30年中加速，导致海平面上升12毫米。南极西部冰盖的变化类似，已导致约7毫米的海平面上升。近年来，由于南极东部降雪量增加，南极东部冰盖的质量有所增加，这一意外变化凸显了对冰盖变化理解的不足和不确定性。
政府间气候变化专门委员会（IPCC）对冰盖的质量平衡和动态给予了高度重视。特别是，由于缺乏观测数据，南极东部作为一个主要的未知部分尤为突出，这妨碍了气候模型的发展。准确建立冰盖的动态模型以反映近年来快速的冰盖变化仍然是一个挑战。
极地生态学：独特的生物链与生存策略
两个极地区域拥有丰富的生物资源，其生态系统必须具有很高的生产力。北极海洋生态系统中的基石物种之一是飞马哲水蚤，而南极海洋生态系统中的一个基石物种是南极磷虾。然而，对于这些生物如何在秋冬时期生存，食物来源和冬季生态系统的网络仍然知之甚少。
在南极洲，生物学研究的另一个重大机会是在厚约1.8公里、距今约200万年的冰盖内等待着我们。这个冰盖中可能存在被冻结的微生物。如果冰盖下有封闭的冰下湖泊，那里可能会有已经与我们世界隔离了200万年的活体物种。这将对人类理解地球甚至普遍情况下的生命起源和演化大有帮助。
极地碳汇：全球碳循环的关键环节
极地地区在整个地球的碳循环中起着关键作用。南大洋吸收了进入海洋的大多数碳（大约18.5±9.5亿吨），这比沿海岸地区的贡献高出几个数量级。两个极地海洋加起来吸收的海洋碳量占了世界海洋吸收量的一半以上，与中国所有草地及森林的二氧化碳吸收相当。
碳储存与生物地球化学过程深刻相关。碳从沉降到储存的海洋路径可看作是生态系统中从光合作用的碳水化合物的生成及其在食物链中的消耗。冰藻在秋至冬季中在海冰下积累, 然后在春夏融化时迅速下沉。当它们下沉并到达海洋中间深度时，它们为以浮游生物、蟹类及虾类为主的生物群体提供食物。随着气候变化与海冰的快速减少，光合作用产生的碳水化合物更多地在浅水中形成维持浮游生物，浮游生物继续支持鱼类和海豹类哺乳动物。
极地研究能力：中国的发展与挑战
过去40年里，中国逐步构建起了极地探险与研究能力，包括两艘大型破冰船、七个南极和北极的研究站及观测站，以及相当全面的极地研究设备。2019年中国的极地研究能力经历了一次重大更新，一艘先进破冰研究船雪龙2号的竣工极大地增强了我们探索和研究极地海洋的能力。现在这艘破冰船在年服务时间上位列极地研究船之中的前五。然而，由于其承担后勤服务任务，用于海洋学研究的时间有限。此外，由于空中观测能力的缺乏，我们在南极冰盖上的研究活动落后于如美国和俄罗斯这些国家。我们还需提高我们在广泛区域上连续采集冰雪样本的能力。
2024年标志着中国极地研究能力建设的又一个标志性里程碑。2月7日，南极秦岭站在4年建设后开始运作。这座美丽的研究站位于罗斯海‘难言’岛上，是南极地区天气条件最恶劣的位置之一。来自其他国家的一些专家认为我们在选择这个位置时发疯了，因为该位置的极端大风会限制冬季户外活动。然而，不在这样独特的位置，如何研究南极独特的地理气候过程？尤其是，该地点允许我们研究生成和维持海岸裂冰的南极山风，并开发一个持久的观测网络以研究和监测南极底水，世界上最大的水团的形成和路径。此外，裂冰的存在以及站点与海洋的邻近允许方便的物资装载。
图1：中国建造的具有PC3破冰能力的破冰研究船雪龙2号于2019年下水并应用于南大洋的科学调查，显著增强了中国在冰覆盖极地海域的调查能力。
图2：一只北极熊在北冰洋的夏季冰流上迁徙。
图3：在南大洋冰区恢复锚定观测系统是极其艰难的。中国科学家们使用橡皮船恢复锚定系统，以便在冰下全年获取海洋观测数据。
图4：由空中遥感手段测量的伊丽莎白公主岛上的冰盖厚度和基岩高程填补了一个南极数据空白。
图5：中国在东南极中山站部署了四套大气检测激光雷达观测系统，实现了同步、地基形式下对南极洲大气的准全高度观测（0-110公里）。