互动:北极什么时候会迎来第一个无冰的夏天?

雏菊邓恩的话。由汤姆·普拉特设计。

在马赛克

世界上最大的极地科学考察是目前正在进行的北极。在长达一年的远征,被称为多学科漂流天文台北极气候的研究(马赛克)的,包括来自19个国家300名研究人员。从被困在海冰的船舶,科学家们进行测量,可能有助于改变气候模式。乐动乐动体育 英超;体育下载app碳简要的科普作家菊花邓恩参加了远征它的前六个星期的2019年秋天这四篇文章的第二个重点马赛克探险。

由于卫星刚开始监测北极在1979年,被海冰覆盖的平均面积缩水了至少40%。冰的平均厚度下降了多于一半在同一时期内。

这些快速的变化都留下气候科学家面临的一个紧迫的问题:当将北极海冰消失?

变化的速度在北极夏季即将结束的9月最为明显。每年,北极的海冰都会经历一个季节性循环,在寒冷的冬季,海冰的面积和厚度都会增加,而在春季和夏季,随着气温的上升,海冰面积和厚度又会减少。

在夏季结束时海冰达到全年的最低水平的点被称为“夏季海冰最小值”。今年,最小海冰是第二个最小的记录,在看到海冰低只有挨打的份2012

在马赛克

世界上最大的极地科学考察是目前正在进行的北极。在长达一年的远征,被称为多学科漂流天文台北极气候的研究(马赛克)的,包括来自19个国家300名研究人员。从被困在海冰的船舶,科学家们进行测量,可能有助于改变气候模式。乐动乐动体育 英超;体育下载app碳简要的科普作家菊花邓恩参加了远征它的前六个星期的2019年秋天这四篇文章的第二个重点马赛克探险。

“真正炎热的夏季在北极地区现在已经过时了对冰冲击,”说教授马库斯·雷克斯从阿尔弗雷德·韦格纳研究所的大气科学家(AWI)。雷克斯是马赛克,最大的北极研究探险队尝试过的一个领袖。(乐动体育下载app碳简要最近加盟长达一年的探险队在海上的前六个星期。)

雷克斯已经度过了几个月领导到远征密切关注北极的天气报告。北极是在五月和2019年7月高于平均水平的温度,这可能恶化夏季海冰融化的速度击中,他说。

北极海冰在1979年9月(深蓝色)和2019年9月(浅蓝色)的程度。九月通常是一个月的时候北极看到它的“海冰夏季最低”。数据来源:美国国家冰雪数据中心。由汤姆·普拉特对碳简要地图。乐动体育下载app

今年的海冰低适合近期快速变化的画面。过去13年中所看到的13个最低记录夏季海冰最小值。

随着生存的海冰逐年减少,海冰的平均年龄也在下降。在20世纪80年代,在北极发现的大部分海冰是“多年冰——至少在一个融化季节中幸存下来的冰。然而,在过去的十年里,冰盖已经变成了大多数。”第一年冰”,其通常较薄,更容易产生在夏季融化。

北极海冰:1984-5

大约在20世纪80年代,卫星开始监测北极海冰。那时,极地大部分被“多年冰”覆盖,这种冰的年龄超过一年。这些冰比新冰更厚更稳定。

每年,海冰生长在寒冷的冬季,夏季再次缩减。这会在可视化看到潮起潮落模式。

北极海冰:2017 - 18

在过去的30年里,冰原大部分变成了“第一年冰”,也就是不到一年的冰。新生冰更脆弱,更容易融化。在同一时期,海冰覆盖的总面积下降了40%以上。

信用:NASA的科学可视化工作室

(海冰盖和年龄在整个时间序列的可视化 - 1984年至2019年 - 可以在观看底部的文章。)

海冰在卫星记录的迅速衰退超越即使是最悲观的突出物制成的气候模型,科学家用数学工具,使有关地球未来的预测。

马赛克探险的一个主要科学目标是获得一个更清晰的图像如何自然和人为的影响推动海冰损失迅速。希望能对增益的见解其中,在时间上,可以提高用于制造对北极海冰的预测模型。

“有没有在我们的模型中如何表示,在过去的几十年中下降的海冰了很大的改进,”说马修的Shupe博士马赛克,共同领导和来自北极研究员科罗拉多大学博尔德分校以及国家海洋和大气管理局(NOAA)。“所以我们的顶层目标是提高车型。”

改善气候模型可以帮助回答关于未来的融化速度的问题。一个仍然无人应答时,如果在所有的北极可以看到它的第一个“不冻”夏天。

科学家们已经确定什么是“无冰”,其实就是各种方式,但最常见的定义是指在北极海冰覆盖面积在夏季末下降到低于百万平方公里点。在这一点上,研究人员预计北冰洋中心是完全免费的冰,随着加拿大,阿拉斯加和格陵兰岛的北部海岸线坚持海冰的残余。

他说,夏季海冰覆盖面积降至接近零的临界点将会带来严重的后果,但在某种程度上可以被视为一种象征性的措施玛丽卡•霍兰德博士他是美国大学大气研究公司(UCAR),谁将会使用镶嵌数据来做出关于北极的未来预测。她说:

北极达到无冰的夏天只是一个进一步的惊叹号,强调这正在发生,这是戏剧性的和前所未有的。但在我看来,这些变化已经是巨大的,前所未有的,我们不能忽视这一点。”

历时不到一年的北极海冰(浅蓝色)到历时四年以上的海冰(深蓝色)范围随时间的变化。范围显示1985-2019年同一周(10月22-28日)。数据来源:美国国家冰雪数据中心。图通过使用碳简要H乐动体育下载appighcharts

北极热

近几十年来海冰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自工业时代的开始,但北极地区周围可见这一数额变暖。在北极的一些地区,温度上升四次高于全球平均水平。

研究发表在2016年计算出的二氧化碳每吨排放到大气中,北极夏季海冰覆盖由3平方米收缩。(CO2的吨左右被人从返回经济舱机票旅行排放量伦敦到纽约。)

北极以更快的速度使全球其他地区被称为“升温现象北极放大”。为什么北极扩增发生的原因很复杂,但研究表明,这种现象是密切相关的大气,海冰和海洋之间的相互作用。

这种相互作用的一个例子发生在海冰融化的时候。气候变化给北极的大气和海洋带来了更多的热量,导致海冰融化得更快。海冰是亮白色的,因此会反射掉大部分入射的阳光。当冰消失的时候,它会露出黑暗的海洋,吸收更多的阳光。这意味着冰盖的缩小会导致北极变暖的更快,这反过来又会导致更多的海冰消失。

相较于海洋阳光海冰相互作用如何插图。信用:汤姆·普拉特对碳简介乐动体育下载app

这种相互作用称为“冰反射反馈” - 或‘反射效应’。(“反照率”是用来描述一个表面的反射性的术语。)这是反馈的最知名的一个循环,即影响北极海冰的融化速度 - 但是也有许多人解释说,米歇尔Tsamados博士,一个海冰从研究员伦敦大学学院参加马赛克探险。“他们有些是积极的,有些是负面的,”他说。

正反馈是是自增强的,如海冰导致更多的加热,并因此消失过程中,更多的冰融化。负反馈,不过,是导致系统发生变化的调节过程。

例如,在最近几年,科学家已经观察增加的速度,海冰生长在冬季。这部分是因为“薄的冰可以更厚的冰更快成长”,Tsamados说。“这是一个负反馈 - 该系统是一种弹性的。”

然而,在冬季观测海冰增长的增加还不足以对抗熔化出现在夏季迅速崛起,他补充道。“我们把出这么多的二氧化碳,北极只是无法反击。眼下,正反馈正在赢得对负反馈 - 这意味着海冰会血本无归“。

全貌

理清北极海冰正,负反馈的影响的一个主要目标马赛克远征。要做到这一点,研究人员正在研究北极气候系统的各个方面。

这次远征是围绕着极地号的,一个德国研究船是故意自己冻成的海冰了整整一年。船舶周围是一个庞大的冰营,特色是在海冰测量的变化,以及对大气,海洋和生态系统的仪器。

马赛克的冰阵营的一派 - 马修的Shupe博士在“大都会城市”修复电缆。信用:雏菊邓恩的碳简介乐动体育下载app

“如果你想了解海冰,你就必须了解海洋和大气。你必须把它看作一个完整的整体。杰里米·威尔金森博士从一个海冰物理学家英国南极调查局参加马赛克。

这是因为许多影响海冰反馈回路的涉及海洋和大气的变化。

例如,马赛克科学家研究冰反照率反馈不会只需要记录更改冰面积和厚度,而且阳光穿透冰层被海冰下方的海洋吸收的量和热量。要做到这一点,他们附近的那些测量改变海洋温度和入射太阳光设置仪器测量改变冰厚度。

一名在地面雷达测量在Mosaic冰阵营变为冰雪厚度。信用:雏菊邓恩的碳简介乐动体育下载app

“我们有光谱仪,用来测量可见光。我们有一些人向天空仰望,有的向下看向冰面 - 从“折射”我们得到的反照率,”说马塞尔·尼古拉斯博士从马赛克海冰科学家,谁是远征的第一站期间极地号邮轮的领导者。

“折射”是用于描述当它从空气通入冰发生光的弯曲的术语。当光撞击表面,它的一些将被折射或吸收,而它的一些将被反射回的空间。计算已折射的光的一部分,因此,使冰的整体反射性的图像,也称为其反照率。

的Shupe说,了解变化在阳光下之间的相互作用,海冰和大气将是关键,以回答有关北极海冰的未来的问题。“我们回答有关北极的未来问题的方法是使用我们的模型 - 我们必须有模型,可靠地代表了必要的流程和如何相互作用他们。”

马赛克科学家希望通过研究在北极发生的小范围的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微小裂缝中流失的热量,而生态系统研究小组则部署了一台水下照相机来记录海冰下部海藻的生长情况。

极地号的船头通过自主水下摄像机的眼睛从四米的深度观察。信用:阿尔弗雷德·韦格纳研究所

舒普说,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范围。

这种小规模的过程中获得的数据也可能是关键,提高用于未来海冰水平进行预测的气候模型,说:托马斯博士Rackow他是一位来自AWI的气候模型建模师,正在参与MOSAiC项目。“马赛克的想法是为了更好地理解在气候模型中经常需要‘参数化’的小规模过程,”他说。

一些影响海冰的过程所发生的规模比气候模型在模拟中所能捕捉到的要小。科学家们不得不简化这些过程对海冰的影响,用数学公式来表示它们。这被称为"参数设置”。

“熔融池”是没有很好地在气候模型表示的小规模的方法的一个实例Tsamados说。在夏季,热空气的温度会导致海冰从上面融化,导致水深潭的形成 - 被称为融化的池塘- 在冰上表面的顶部上。

熔体池在北极。来源:德新社图片联盟/ Alamy图片社图片。

这些池塘给冰施加压力,增加了崩塌的可能性。它们还会改变冰的反射性——或者说“反照率”——导致它吸收或多或少的热量。尽管有这些影响,一些气候模型不包括融化在他们的模拟池塘,否则假定所有熔体池塘外观和行为以同样的方式。

原因之一是气候模型不模仿小规模的工艺精良是因为有相对较少的现场数据可以说明详细介绍这些过程是如何工作的。或者说,现有的数据只运行了几个星期的课程 - 的时间为北极实地考察平时的量,的Shupe说。通过在海冰花了整整一年的漂流,马赛克团队旨在收集更全面的数据,这可能会在时间,用来堵塞缺口的气候模式,他补充道。

设定一个日期

改善气候模型来模拟北极地区将是更好的牵制,在其北极会看到它的第一个无冰的夏季日起关键步骤的能力,Rackow说。“还有一个很大的范围,这取决于模型,你看。但是,基本上,什么都模特展示的是,在某些时候,夏季海冰将丢失“。

北极将迎来第一个无冰夏季的日期已经被证明是难以预测的。不同的气候模型提供了广泛的可能日期,跨度很大2005至2100年后。然而,大多数气候模型表明,它很可能在地球前后的某个时候发生中间的世纪

即使提高气候模型可能是关键,想出一个更精致的估计,有几个因素进一步复杂事项。

首先是在其生产人类在未来几十年温室气体排放的速度将决定北极海冰如何迅速消失发挥很大的作用。

一个研究发表在2016年发现,如果人类做出很少的努力,削减全球温室气体排放,北极可以看到它的第一个无冰的夏季,早在2032年(这一发现假定世界如下称为“非常高排放的情景RCP8.5”。)

通过在国家的抱负温度设定目标 - 但是,全球变暖控制在1.5℃巴黎协定- 可以大大减少北极冰成为免费在夏季的机会。

北极看到,从2020年至2100年其第一个无冰的夏天下了一系列的未来方案,包括全球气温上升限制在1.5℃(黄色),以1.5℃“的概率温度超调”(蓝色)和2C(浅蓝色)。其中,这些温度指标均超过情景也显示。这包括适度高排放的场景(RCP4.5;深蓝色)和非常高排放情景(RCP8.5;红)。从雅恩等调整。2018。

一个研究发表于2018年发现,如果全球气温限制在1.5℃,北极是“非常不可能”看到它的第一个无冰的夏天2065年之前,这一点后,北极的机会看到它的第一个无冰的夏季加重围绕一个在五年的任何一年。

相比之下,如果气温上升2℃ - 巴黎协定上限设置 - 北极有一在五在2035年看到它的第一个无冰的夏天的机会,根据这项研究。无冰夏季的任何一年产生一个在两到2045年的机会。

该研究的第一作者说:“我很惊讶,半摄氏度的升温会造成如此大的不同。亚历山德拉扬博士在大气和海洋科学助理教授在科罗拉多大学博尔德分校,告诉简碳在2018年。乐动体育下载app乐动体育 英超

第二个使确定第一个无冰夏季的日期变得复杂的因素是“自然变化”——这个术语用来描述每年影响海冰的自然事件和过程的影响。

马赛克科学家开始作为北极风暴下降到移动设备。信用:以斯帖霍瓦特/阿尔弗雷德韦格纳研究所

北极风暴是一种会影响海冰的自然事件。与中纬度气旋不同,北极风暴通常不携带大量的雪和雨。然而,它们可以带来非常强烈的风,这可以撕裂海冰,导致其破裂,解释说奥拉佩尔松博士他是美国国家海洋和大气管理局(noaa)的极地气象学家。NOAA)参加马赛克。他说:

“过去几年人们一直注意到的是,当我们遇到一个真正大的北极气旋时,海冰就消失了。”

在2012年,北极夏季海冰达到了有记录以来的最低水平 - 部分原因是由于一个大风暴创下八月冰。

一个里程碑意义的报告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)发现,高达夏季的海冰观测到跌幅的一半可能会下降到北极气候的自然变化。

“有钉下一个日期为第一无冰的夏天只是因为在系统内部自然变化的挑战 - 这意味着将永远是不确定性,”荷兰说。

一个研究发表在2016年计算,北极系统的自然变异量达围绕二十年的不确定性。这意味着,任何无冰的夏季预测可能需要有一个20年的窗户,正好占自然事件和过程的影响。

马赛克期间采取的实地测量有可能改善气候模型在北极预测变化的能力 - 但是这可能需要一些时间,说:Jari Haapala教授,马赛克科学家,谁是海洋研究部门的负责人的芬兰气象研究所

“如果我是现实,这将需要至少五年镶嵌而成的新成果在气候模型来实现。它可能会需要更长的时间。”

这是因为从镶嵌的所有域结果将首先需要进行分析,然后发表在同行评审的学术期刊 - 然后转发到气候模拟社区哈帕拉说。

一个主要问题是,北极海冰正在发生变化如此迅速,气候模拟可能无法跟上变化的步伐Rackow说:

“我们的时间不多了。如果一个无冰的夏天确实发生在最早的预测日期 - 2035年左右 - 那么这是没有多少时间留给这可能是现实超越我们做出预测的能力。”

无冰的影响

北极首次迎来无冰夏季的时间点,将对极地地区和其他地区产生影响。

对海冰预测研究有着浓厚兴趣的一个行业是商业航运业。自从人类开始在海上航行以来,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的最短路线是通过北极——但厚厚的海冰的存在阻碍了所有船只的通行,除了最强壮的船只。

夏季海冰的消失将使船只能够找到一种新的海洋生物新的,更快在大西洋和太平洋之间的航线。一个研究发表于2016年发现,在北极的路线可能在本世纪中叶成为可用于标准的开放水域的船只。“我认为,北极会看[当时]非常不同,将有更多的活动和资源被利用。这可能是未来,” Rackow说。

新航线将开放可能带来提高到北极独特的野生动物的威胁。一个研究发表于2018年发现,商业航运的扩张带来了广泛北极海洋哺乳动物,包括独角鲸,弓头鲸,白鲸和北极熊的显著威胁。

独角鲸在北极贝,加拿大努纳武特鲸。来源:托德·明茨/ Alamy图片社图片。

在北极的动物有可能面临进一步威胁海冰消失了,说:佳佳方博士,生态系统的共同协调研究小组对来自镶嵌AWI。她告诉碳简介:乐动体育下载app

“如果没有海冰的整个暑假,持续,有可能是生物[野生动物]利用冰作为栖息地真正强大的影响。冰还携带从北极至北极中部的其他部分生物的环境 - 所以这可能影响有什么播种群体在生长季节在那里“。

这些变化可能会影响北极生态系统的每一个层次,芳说,从植物藻类对海冰的底面增长北极熊,该地区的顶级捕食者。

一个研究2018年发表的一项研究发现,海冰减少可能会使北极熊更难找到食物。北极熊的首选猎物是环斑海豹,它们在冰面上捕食。这项研究在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,而且在这个过程中消耗了更多的能量。

虽然有明确的联系一直没有建立起来,它是可能的熊旅行更长的距离的原因是因为下降的海冰让他们用较少的地方捕食海豹,安东尼·帕加诺博士,研究后续在学院为保护研究在圣地亚哥动物园,告诉碳简介2018年:乐动体育下载app

一只北极熊妈妈和她的幼崽在北冰洋中部。信用:雏菊邓恩的碳简介乐动体育下载app

“令人担忧的是,随着冰破裂了,每年年初,熊将在三个方面影响:他们会在,因为他们正在从他们的主要觅食栖息地较早流离失所捕海豹是不太成功的;他们发胖小于他们会做的历史;然后他们也动更远的距离。如果这种趋势继续下去,我们希望在繁殖成功率持续下降。”

一秒研究今年出版发现,北极熊可能会调整自己的觅食行为是在每年看到冰生长和撤退的图案化线。这“意味着,在[冰]的时机即使微小的进步分手可能对觅食的机会,身体状况,和随后的繁殖和生存的不利影响,”作者说。

霍兰德说,冰的变化也影响了当地的人口。她说:“这对那些利用冰层旅行或狩猎的人们也有影响,因为年轻的冰层不那么稳定或安全。”

生活在低纬度地区的人们也可能受到影响,虽然不那么直接,海冰下降。一个生长研究领域表明,改变海冰可能在其他地方天气的影响,特别是在区域中纬度。

依努皮亚猎人看出来了楚科奇海,阿拉斯加巴罗。信用:设计照片管理有限公司/ Alamy图片社图片。

“在北极发生什么不留在北极,” Tsamados说。“海洋环流,气候模式在低纬度 - 这些是密切与北极相连的东西。”

科学家们已经注意近期在北极的快速变化似乎已经用了一段横跨北半球更频繁的极端天气事件的一致。这些事件包括在严冬美国,加拿大欧洲, 以及热浪干旱

一些科学家认为,这两个现象都是紧密联系。究竟在北极变化如何能在中纬度地区行驶在极端天气事件增加,这仍然是一个争论。(乐动体育下载app碳简单介绍今年出版了一详细的解释器检查提出的机制。)

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,研究今年出版发现,北极海冰的变化可能对在中纬度地区,冬季严寒一个“最小的影响”。

利用气候模型,研究人员发现海冰的减少并不总是发生在寒冷的冬天之前。在他们的模型模拟中,研究人员发现这两件事经常同时发生——这表明它们可能有一个共同的原因,罗素Blackport博士在埃克塞特大学的研究员,说过在本文的发布时间。“减少海冰和寒冷的冬季之间的相关性并不意味着一个导致另一个。”

更多的研究将需要了解的急剧下降北极的真正影响 - 无论是在区域内外芳说:

“我们需要大量的数据,长年累月 - 连年 - 实际确定的[海冰融化速度]的影响将是什么。这些CO2浓度从未被视为现代史上。很明显,会有影响,但那些是什么含义是,这是很难说“。

每周北冰洋冰期:1984 - 2019。信用:NASA科学可视化工作室。

黛西·邓恩是的选择上镶嵌报告五名记者之一。她曾经花费离开特罗姆瑟是由阿尔弗雷德·韦格纳研究所,有组织的探险队。

卫星图像信用:NASA的科学可视化工作室