互动:什么时候北极将迎来第一个无冰的夏天?

Daisy Dunne的单词。汤姆普拉特设计。

在马赛克

世界上最大的极地研究考察队目前正在北极进行。这次为期一年的考察被称为“北极气候多学科漂流观测站”(MOSAiC),有来自19个国家的300名研究人员参加。科学家们正在从一艘被困在海冰中的船上进行测量,这些测量可能有助于改变气候模型。必威手机官网“碳简报”的科学作biwei6868家黛西·邓恩于2019年秋季加入了这支探险队的前六周。这是聚焦于摩西远征的四篇文章中的第二篇。

自1979年卫星首次开始监测北极以来,海冰覆盖的平均面积至少已经缩小40%。冰的平均厚度减少了超过一半在同一时期。

这些迅速的变化让气候科学家面临一个紧迫的问题:北极海冰何时会消失?

变化的速度在9月最为明显,这是北极夏季的尾声。每年,北极海冰都会经历一个季节性的循环,在较冷的冬季,海冰的面积和厚度都会增加,然后在春季和夏季,随着气温的上升,海冰又会收缩。

当海冰达到今年的最低水平时,夏天结束时都被称为“夏季海冰最小值”。今年,海冰最小是第二个最小的在记录中,只有海冰低的殴打2012

在马赛克

世界上最大的极地研究考察队目前正在北极进行。这次为期一年的考察被称为“北极气候多学科漂流观测站”(MOSAiC),有来自19个国家的300名研究人员参加。科学家们正在从一艘被困在海冰中的船上进行测量,这些测量可能有助于改变气候模型。必威手机官网“碳简报”的科学作biwei6868家黛西·邓恩于2019年秋季加入了这支探险队的前六周。这是聚焦于摩西远征的四篇文章中的第二篇。

“北极真正温暖的夏天确实对冰产生了影响,”他说宝宝雷克斯教授,来自阿尔弗雷德韦格纳人学院的大气科学家(AWI)。雷克斯是马赛克的领导者,是有史以来最大的北极研究探险之一。(必威手机官网最近碳简短加入为期一年的海上前六周探险。)

在北极天气报告之后,REX已经花了几个月,以密切关注探险。他说,北极在5月和2019年7月和7月7月的温度上受到高于平均水平的温度,他说。

1979年9月(深蓝色)和2019年9月(浅蓝色)的北极海冰范围。9月通常是北极“海冰夏季最小”的月份。数据来源:国家冰雪数据中心。汤姆·普拉特为碳简报绘制的地图。必威手机官网

今年的海冰低于近期迅速变化的照片。过去13年已经见过13个最低夏季海冰达到了有记录以来的最小值。

随着幸存的海冰逐年减少,冰的平均年龄也在减少。20世纪80年代,在北极发现的大部分海冰是“多年冰——这些冰至少熬过了一个融化季节。然而,在过去的十年里,大部分都是浮冰。”一年级的冰,它通常更薄,在夏天更容易融化。

北极海冰:1984 - 5

卫星在20世纪80年代开始监测北极海冰。当时,南极大部分都被“多年冰”覆盖着——比一年更古老的冰。这种冰比新形成的冰更厚,更稳定。

每年,海冰都会在寒冷的冬季增加,然后在夏季再次收缩。这就产生了在观想中看到的潮起潮落的模式。

北极海冰:2017-18

在过去的30年里,浮冰已经大部分变成了“第一年冰”,也就是不到一年的时间。第一年的冰更脆弱,更容易融化。与此同时,被海冰覆盖的总面积减少了40%以上。

信贷:NASA的科学可视化工作室

(从1984年到2019年的整个时间序列的海冰覆盖和年龄的可视化可以在文章的底部。)

海冰的快速下降超过了卫星记录淘汰即使是最悲观的预测气候模型这是科学家用来预测地球未来的数学工具。

MOSAiC探险队的一个主要科学目标是获得更清晰的图像,以了解如何自然和人为的影响正在推动快速的海冰冰。希望能够获得洞察力,及时,可以改善用于对北极海冰进行预测的模型。

“在过去的几十年里,我们的模型在反映海冰减少方面并没有很大的改进,”他说马修Shupe博士,马赛克的共同领袖和来自的北极研究员科罗拉多大学博尔德分校国家海洋和大气管理局(美国国家海洋和大气管理局)。“所以我们的最高目标是改进模型。”

改进气候模型有助于回答未来冰量减少的问题。有一个问题仍未得到解答,那就是,如果北极能看到它的第一次。”无冰的“ 夏天。

科学家们有各种各样的方法来定义“无冰”的实际含义,但最常见的定义是指北极海冰在夏末的覆盖面积低于100万平方公里。在这一点上,研究人员预计北冰洋中部将完全没有冰,加拿大、阿拉斯加和格陵兰岛的北部海岸线仍有残余的海冰。

夏季海冰覆盖面积降至接近于零的水平会产生严重的后果,但在某种程度上,这可以被视为一种象征性的措施,他说玛丽卡•霍兰德博士他是英国大气研究大学的资深海冰科学家(UCAR),他将利用马赛克数据来预测北极的未来。她说:

“北极夏季无冰只是一个进一步的感叹号,强调这种情况正在发生,而且是戏剧性的、前所未有的。”但在我看来,变化已经非常巨大,是前所未有的,我们不能忽视这一点。”

北极海冰年龄从不到一年(浅蓝色)到四年以上(深蓝色)的变化。范围显示为1985-2019年同一周(10月22-28日)。数据来源:国家冰雪数据中心。图表由碳简报使用H必威手机官网ighcharts

北极的热量

近几十年来海冰的急剧减少与气候变化密切相关。北极是地球上变暖最快的地区之一。全球平均气温已经上升了1C自工业时代开始以来,但北极已经看到了这样的升温量。在北极的一些地区,气温上升是四次高于全球平均水平。

研究据2016年发布的一份报告计算,北极夏季海冰覆盖面积每减少3平方米,就会向大气中排放一吨二氧化碳。(一吨二氧化碳的排放量大约是一个人的往返经济舱的排放量从伦敦到纽约。)

北极变暖的速度比地球其他地方都快,这一现象被称为“北极放大”。北极放大现象发生的原因是复杂的,但研究表明,这种现象与大气、海冰和海洋之间的相互作用密切相关。

这种相互作用的一个例子发生在海冰融化时。气候变化给北极的大气和海洋带来了更多的热量,导致海冰更快地融化。海冰是明亮的白色,因此,反射了大部分射入的阳光。当冰消失时,就会露出深色的海洋,而海洋吸收了更多的阳光。这意味着,冰盖的缩小导致北极变暖的速度加快,这反过来又会导致更多的海冰消失。

阳光互动与海冰的例证与海洋与海洋相比。信贷:汤姆普拉特碳简介必威手机官网

这种相互作用被称为冰反射反馈——或者是“反照率效应”。(“反照率”是用来描述表面反射率的术语。)这是影响北极海冰融化速度的最著名的反馈循环之一,但还有许多其他的反馈循环,解释道米歇尔博士Tsamados他是来自澳大利亚的海冰研究人员伦敦大学学院参加马赛克探险“有些是积极的,有些是消极的,”他说。

正反馈是自我强化的过程,比如海冰的消失导致了更多的变暖,从而导致更多的冰融化。然而,负面反馈是导致对系统变化进行调节的过程。

例如,近年来,科学家已经观察到冬季海冰增长速度的加快。Tsamados说,这部分是因为“薄冰比厚冰生长得快得多”。“这是一种负面反馈——系统中的一种弹性。”

然而,在冬季观察到的海冰生长增加是不足以反对夏季融化的快速上升,他补充道。“我们已经把这么多的二氧化碳宣传,即北极不能反击。现在,积极的反馈是赢得负面反馈的胜利 - 这意味着海冰正在排水。“

全貌

理清北极海冰的正反馈和负反馈的影响是该研究的主要目标马赛克探险。为此,研究人员正在研究北极气候系统的各个方面。

这次考察以“极地船”为中心,这是一艘德国考察船,它故意将自己冻结在海冰中长达一年之久。船的周围是一个庞大的冰营,其中有测量海冰、大气、海洋和生态系统变化的仪器。

Matthew Shupe博士修复了“梅德城”的电缆 - 马赛克冰营的一个派系。信用:碳诗句的雏菊邓恩必威手机官网

“如果你想了解海冰,你必须了解海洋和大气。你必须把它看成一个完整的整体。杰里米·威尔金森博士,来自的海冰物理学家英国南极调查参与马赛克。

这是因为许多影响海冰的反馈回路涉及海洋和大气的变化。

例如,研究冰反照率反馈的马赛克科学家不仅需要记录冰面积和厚度的变化,还需要记录穿透冰的阳光量和冰下海洋吸收的热量量。为了做到这一点,他们在测量海洋温度和入射阳光变化的仪器附近安装了测量冰层厚度变化的仪器。

在马赛克冰营地,测量冰雪厚度变化的地面雷达。信用:碳诗句的雏菊邓恩必威手机官网

“我们有光谱仪,用来测量可见光。我们有一些向上看天空,还有一些向下看冰面——通过‘折射’,我们得到了反照率。马塞尔Nicolaus博士他是这次探险的第一站极地船的领队。

“折射”是一个术语,用来描述光线从空气进入冰时发生的弯曲。当光线照射到表面时,一部分会被折射或吸收,而一部分会被反射回太空。因此,计算被折射的光的部分,就可以得出冰的整体反射率,也就是它的反照率。

了解阳光、海冰和大气变化之间的相互作用将是回答有关北极海冰未来问题的关键,Shupe说。“我们回答有关北极未来问题的方式是用我们的模型——我们必须有可靠地代表基本过程及其相互作用的模型。”

马赛克科学家希望通过研究发生在北极的小规模过程来更好地了解海冰融化的情况。例如,来自大气和海冰研究小组的研究人员正在使用专门的仪器来测量从海冰的微小裂缝中逸出的热量,而生态系统研究小组已经部署了一个水下摄像机来记录海冰下部的藻类的生长。

在四米深的水下,通过自动水下摄像机的眼睛可以看到极地船尾的船头。资料来源:阿尔弗雷德·韦格纳研究所

Shupe说,这些小的过程支撑着更大范围的系统,最终决定了海冰的覆盖。

在这种小型过程上获得数据也可能是改善用于对未来海冰水平进行预测的气候模型的关键托马斯博士Rackow他是一名来自AWI的气候建模师,也参与了MOSAiC项目。他说:“使用MOSAiC的想法是为了更好地理解通常需要在气候模型中‘参数化’的小规模过程。”

一些影响海冰的过程发生的规模比气候模型在模拟中所能捕捉到的要小。相反,科学家们必须用数学方程来表示这些过程对海冰的影响,从而简化它们。这被称为"参数化”。

Tsamados说,“熔体池”是气候模型中没有很好体现的小规模过程的一个例子。在夏季的几个月里,温暖的空气温度会导致海面上的冰融化,导致形成深水池熔体池-在冰面上。

北极融化池。资料来源:dpa图片联盟/ Alamy Stock Photo。

这些池塘给冰面施加压力,增加了崩塌的可能性。它们还会改变冰的反照率,使其吸收更多或更少的热量。尽管有这些影响,一些气候模型不包括在他们的模拟中熔化池,或者假设所有熔化池的外观和行为都是相同的。

气候模型不能很好地模拟小规模过程的一个原因是,能够详细说明这些过程如何工作的实地数据相对较少。Shupe说,或者可用的数据只运行了几个星期——通常北极实地研究的时间。他补充说,通过花一整年的时间在海冰上漂流,马赛克团队的目标是收集更全面的数据,这些数据可以及时用于填补气候模型的空白。

设定一个日期

拉科说,提高气候模型模拟北极地区的能力将是更好地确定北极第一个无冰夏季的日期的关键一步。“仍然有很大的范围,这取决于你所关注的模式。但基本上,所有的模型都表明,在某个时候,夏季海冰将会消失。”

事实证明,北极第一个无冰夏季的日期很难预测。不同的气候模型得出了广泛的可能日期,跨越2005年到2100之后。然而,大多数的气候模型都表明,这种情况很可能会发生本世纪中叶

即使改善气候模型可能是提升更精致的估计的关键,也有几个因素让事情变得复杂。

首先,人类在未来几十年中产生温室气体排放的速度将在确定北极海冰消失的速度时发挥着重要作用。

一种研究2016年发表的一项研究发现,如果人类在减少全球排放方面不付出什么努力,北极最早可能在2032年迎来第一个无冰夏季。(这一发现假设世界遵循一种被称为“RCP8.5”。)

但是,将全球变暖限制为1.5℃ - 由国家/地区设定的抱负温度目标巴黎协议- 可以大大减少北极在夏天自由变冰的机会。

在未来的一系列情景下,包括全球气温上升限制在1.5摄氏度(黄色),1.5摄氏度与“温度超调(蓝色)和2C(浅蓝色)。还显示了超过这些温度目标的情况。这包括适度高排放的情况(RCP4.5;深蓝)和非常高的排放(RCP8.5;红色的)。改编自JAHN等人。2018年。

一种研究2018年发表的一项研究发现,如果全球气温被限制在1.5摄氏度以内,北极在2065年之前“非常不可能”看到第一个无冰夏季。在这之后,在任何一年里,北极第一次看到无冰夏季的可能性增加到五分之一左右。

相比之下,如果2C的温度上升 - 巴黎协议设定的上限 - 北极人数根据该研究的第一个有用的机会在2035年在2035年看到它的第一款。在2045年,在任何给定年份的无冰夏天的机会将到2045年。

该研究的第一作者说:“我很惊讶,升温0.5度会产生如此大的变化。亚历山德拉扬博士是2018年科罗拉多大学大学和海洋科学助理教授,在2018年讲碳简介。必威手机官网biwei6868

使确定第一个无冰夏季的日期变得复杂的第二个因素是“自然可变性”——这个术语用于描述影响海冰的年复一年的自然事件和过程的影响。

当北极风暴降临时,马赛克科学家开始移动设备。资料来源:Esther Horvath/Alfred Wegener Institute

北极风暴是一种可以影响海冰的自然事件。与中纬度气旋不同,北极风暴通常不会带来大量的雪和雨。然而,它们可以带来非常强的风,可以撕裂海冰,导致它分裂,解释说Ola佩尔森博士,美国国家海洋和大气管理局的极地气象学家(美国国家海洋和大气管理局)参加马赛克活动。他说:

“过去几年里,人们一直注意到,当我们遇到一个真正大的北极气旋时,海冰就会消失。”

2012年,北极夏季海冰达到了有记录以来的最低水平,部分原因是一场风暴大风暴八月击中冰。

一种地标报道政府间气候变化专门委员会(联合国政府间气候变化专门委员会)的研究发现,在观察到的夏季海冰减少中,多达一半可能是由于北极气候的自然变化。

“仅仅因为系统内部的内部自然可变性依赖于第一个冰夏季的挑战日期,这意味着将始终存在不确定性,这意味着始终存在不确定性,”荷兰说。

一种研究2016年发表的一篇论文计算出,北极系统的自然变异相当于大约20年的不确定性。这意味着任何无冰夏季预报可能需要一个20年的窗口期,只是为了考虑到自然事件和过程的影响。

马赛克期间进行的实地测量有可能提高气候模型预测北极变化的能力——但这可能需要一些时间,说Jari Haapala教授他是该研究所海洋研究部门的负责人芬兰气象研究所

“如果我实事求是的话,马赛克的新结果将至少需要5年时间才能应用到气候模型中。这可能需要更长的时间。”

这是因为马赛克的所有现场都将首先进行分析,然后在同行评审的科学期刊上发表 - 然后在哈帕拉说,在气候建模社区中转发。

一个主要的担忧是,北极海冰正在迅速转移,即气候莫德勒可能无法跟上变化的步伐,说:

“我们已经没时间了。如果在最早的预测日期发生无冰夏天 - 大约2035年 - 那么那就是剩下的时间。它可能是现实超越我们的预测能力。”

无冰的影响

当北极迎来第一个无冰的夏天时,将对极地和其他地区产生影响。

商业航运业对海冰预测研究有着浓厚的兴趣。自从人类开始航海以来,国际贸易商就一直在寻找世界各港口之间最划算的航线。对许多人来说,大西洋和太平洋之间最短的路线是穿过北极——但厚厚的海冰的存在阻止了所有船只通行,除了最耐寒的船只。

夏天海冰的消失会让船只找到一个新的,更快大西洋和太平洋之间的航线。一种研究2016年发布的一项研究发现,到本世纪中叶,标准的开放水域船只可以通行穿越北极的航线。“我认为(到那时)北极将变得非常不同,将有更多的活动和资源被开发。这很可能会发生。”拉科说。

新航线的开通可能会给北极独特的野生动物带来更多的威胁。一种研究2018年发布的一项研究发现,商业航运的扩张对包括独角鲸、露脊鲸、白鲸和北极熊在内的一系列北极海洋哺乳动物构成了严重威胁。

加拿大努勒维特北极湾的独角鲸。资料来源:Todd Mintz / Alamy Stock Photo。

随着海冰的消失,北极的动物可能面临进一步的威胁埃里森博士方,为AWI的MOSAiC生态系统研究小组的协办人。她告诉碳简报:必威手机官网

“如果整个夏天没有海冰的持续存在,那么将冰作为栖息地的生物群(野生动物)可能会受到非常强烈的影响。”冰也是一种将生物从北极其他地区带到北极中部的环境,所以这可能会对生长季节播种种群的数量产生影响。”

Fong说,这些变化可能会影响北极生态系统的每一个层面,从海冰下生长的植物藻类到海洋北极熊它是该地区的顶级掠食者。

一种研究2018年发表的研究发现,海冰减少可能会让北极熊更难找到食物。北极熊最喜欢的猎物是环海豹,它们会在冰面上捕猎。该研究在2014-16年追踪了一群生活在波弗特海的母熊,发现平均而言,熊为了寻找食物比前几年走得更远,在这个过程中消耗的能量也更多。必威体育在线注册

虽然这两者之间的联系尚未明确,但有可能是因为海冰的减少使得它们捕食海豹的地方越来越少,安东尼博士帕加诺,在San Diego动物园保护研究所研究所进行了研究,在2018年告诉碳简介:必威手机官网

一只北极熊妈妈和她的幼崽在北冰洋中部。信用:碳诗句的雏菊邓恩必威手机官网

“令人担忧的是,随着冰层逐年提前融化,北极熊将在三个方面受到影响:它们捕捉海豹的成功率降低,因为它们离开主要觅食栖息地的时间提前了;他们的体重比历史上增加的要少;然后它们也会移动更远的距离。如果这一趋势继续下去,我们预计繁殖成功率将继续下降。”

第二个研究今年发表的研究发现,北极熊可能会调整他们的觅食行为,使之与每年看到的冰的生长和消退的模式一致。作者说,这“意味着,在[冰]破裂时间上,即使是微小的进步,也可能对觅食机会、身体状况以及随后的繁殖和生存产生不利影响。”

霍兰德说,冰雪条件的变化也会影响土著人口。她说:“这对那些利用这些冰旅行或打猎的人也有影响,因为新形成的冰不那么稳定或安全。”

生活在低纬度地区的人们也可能受到海冰减少的影响,尽管影响不那么直接。一种日益增长的研究领域表明,海冰的变化可能会影响其他地区的天气,特别是中纬度地区。

阿拉斯加州巴罗,因纽皮厄克猎人眺望楚科奇海。资料来源:Design Pics Inc / Alamy Stock Photo。

“北极发生的事情不会只留在北极,”察马多斯说。“海洋的环流、低纬度的天气模式——这些都与北极密切相关。”

科学家们已经指出最近北极的快速变化似乎恰逢北半球跨越了一段更频繁的极端天气事件。这些事件包括严重的冬季美国,加拿大欧洲, 也热浪干旱

一些科学家认为这两种现象都是联系。究竟北极的变化可以在中纬度地区的极端天气事件中驾驶的变化仍然是为了辩论。(必威手机官网今年碳简短发表了一个详细解释者检查提议的机制。)

研究2014年发表的一项研究发现,北极海冰减少可能导致欧亚大陆出现极端寒冷冬季的可能性增加了一倍。后面的研究发现北极变暖也可能与北半球更强烈的热浪有关。

然而,一个研究今年发布发现,北极海冰变化可能对中纬度的严重冬季有“最小的影响力”。

通过使用气候模型,研究人员发现海冰的减少并不总是在寒冷的冬天之前。在他们的模型模拟中,研究人员观察到这两个事件经常同时发生,这表明它们可能有一个共同的原因,罗素Blackport博士是埃克塞特大学的研究员,在纸张发布时。“减少海冰和寒冷冬天之间的相关性并不意味着一个导致对方。”

FONG说,将需要更多的研究来了解戏剧性北极地区对戏剧性北极下降的真正影响 -

他说:“我们需要多年来的大量数据,来确定[海冰减少]的影响将是什么。这是现代历史上从未见过的二氧化碳浓度。这显然会有影响,但这些影响是什么,还很难说。”

每周北冰洋冰期:1984 - 2019。信贷:NASA科学可视化工作室。

黛西·邓恩是被选中报道马赛克的五名记者之一。她离开特罗姆瑟后的费用由组织这次探险的阿尔弗雷德·韦格纳研究所承担。

卫星图像来源:NASA的科学可视化工作室