南极冰间湖成极地科研前沿 中国"雪龙"号深海观测揭示气候密码

问题:冰间湖为何成为极地研究焦点 南极近海常年被海冰覆盖,但在特定季节与动力条件下,会形成相对稳定的无冰开阔水域,即冰间湖。

其面积与持续时间虽具有不确定性,却往往主导局地海气交换、海冰生成与融化过程,并牵动深海水团形成。

对于全球尺度而言,冰间湖不仅关系到南极底层水等关键水团的生成与输送,也影响二氧化碳等物质从表层向深海的转移效率,是联结“海洋环流—碳循环—生态系统”的关键环节。

当前,如何在复杂海况下持续获取高质量观测,如何将短期航次发现转化为长期序列,是国际极地科学共同面对的难题。

原因:两类形成机制与对流“发动机”效应 从成因看,冰间湖大体可分为潜热型与感热型两类。

潜热型多由来自南极大陆的强劲下坡风驱动,风场把新生海冰不断吹离形成开阔水面,海面在强冷却下持续结冰并排盐,使表层海水变得更冷、更咸、更密,进而下沉并触发垂直对流。

感热型则更多与海洋深处暖水上涌有关,较暖水体侵入上层、融化海冰并维持开阔水面。

两类机制虽路径不同,但都可能强化海气热量与物质交换,促进高密度水团生成,为南极底层水形成提供条件。

在冬季,表层结冰排盐导致密度增加,冷咸水下沉并在一定条件下转化为底层水,是全球深海“传送带”得以维系的重要环节。

底层水向深海扩散,可携带碳、溶解氧与营养盐等要素,影响深海化学环境与生态结构。

此前我国在相关航次中捕捉到冰间湖区域强烈的垂直对流信号,观测到与底层水生成相关的关键过程,为理解极地海洋动力机制提供了直接证据。

影响:从气候“账本”到生态“食物网”的连锁反应 冰间湖的科学意义不仅在“水团生成”,也体现在其对气候调节与生态系统的复合影响。

一方面,底层水形成与下沉过程可将表层吸收的大气二氧化碳等物质带入深海,延长其在海洋中的停留时间,进而影响全球碳收支与气候变化趋势评估。

另一方面,季节更替会改变冰间湖的生态节律:进入春季后,海冰减少使阳光更易进入海洋上层,叠加深层上涌带来的营养盐补给,海洋微藻可能出现快速繁殖,进而为磷虾等关键物种提供食物,吸引鱼类、企鹅及鲸类等高营养级生物聚集,塑造南极近海典型而高生产力的食物网格局。

需要关注的是,在全球变暖背景下,风场、海冰覆盖、暖水入侵与冰架融化等因素可能共同改变冰间湖的发生频率与强度,进而影响底层水形成速率、碳向深海输送效率以及生态系统稳定性。

对这些变化的定量识别,离不开长期、连续、可比对的现场观测。

对策:以潜标与沉积物捕获器构建长期观测链 为获取“跨季节、跨年际”的连续信息,本次“雪龙”号大洋队在阿蒙森海冰间湖区域实施潜标打捞与多学科测量。

潜标系统将多类传感器通过缆绳串联,整体浸没于水下,底部重块固定于海底,上部浮球提供浮力,可在预定位置稳定运行并持续记录不同深度的温度、盐度、流速等关键要素,同时采集沉降颗粒物样品。

相比中低纬海域常见的海面浮标,潜标更适应冰山与流冰频繁的南极海域,能降低设备受损风险,提高数据连续性。

此次打捞的长尺度潜标集成了我国自主研发的生物声学、光学等探测模块,旨在把海洋物理过程与生物活动信号同步记录,为解释“对流发生时生态如何响应”“生物群落如何随季节迁移”提供证据链。

围绕“海洋碳泵”机制,我国自2003年以来在南大洋持续开展沉积物捕获器布放与回收工作,追踪藻类生产后形成的颗粒有机碳如何沉降并进入深海,进而评估冰间湖对碳汇强度的贡献。

相关研究正在形成更完整的年际碳循环图景,为国际社会评估南大洋碳汇能力、改进气候模型参数化提供数据基础。

前景:数据积累将提升气候预测与极地治理支撑力 面向未来,南极冰间湖研究将从“发现现象”走向“机制约束与预测评估”。

随着观测技术进步与长期序列扩展,科研人员有望更清晰地量化三类关键关系:其一,风场与暖水入侵如何共同控制冰间湖出现与演变;其二,垂直对流与底层水生成在不同年景下的强度变化;其三,碳输出与生态系统生产力之间的耦合机制。

上述认识将直接服务于对全球热量与碳循环的再评估,也将为极地环境保护、海洋生物资源认知以及国际科学合作提供更坚实的科学依据。

在南极这一对全球气候高度敏感的区域,任何看似局地的海冰变化与水团形成过程,都可能通过海洋环流与碳循环放大其影响。

持续、可靠的观测与开放共享的数据体系,将成为提升气候预测能力的重要支点。

随着全球气候变化影响日益显现,南极冰间湖研究的重要性与日俱增。

中国科考队持续开展的极地科学研究,不仅丰富了人类对地球系统的认知,更为应对气候变化提供了宝贵的科学依据。

每一次深海数据的采集,都是人类探索自然奥秘的重要一步,这些积累的科学认知终将成为守护地球家园的关键力量。