互动:北极何时能看到它的第一个无冰的夏天?

雏菊邓恩的话。由汤姆·普拉特设计。

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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。亚慱亚慱彩票APP;官网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间段。

这些迅速的变化让气候科学家们面临着一个紧迫的问题:北极海冰何时会消失?

变化的速度是最鲜明的9月,北极夏季的结束。每一年,北极海冰经历一个季节性的周期,经过寒冷的冬季再次随着气温的上升,在春季和夏季收缩前的面积和厚度不断增加。

在夏季结束时海冰达到全年的最低水平的点被称为“海冰夏季最低”。今年,最小海冰是第二小记录,在看到海冰低只有挨打的份2012

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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。亚慱亚慱彩票APP;官网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。(亚慱官网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。九月是典型的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。亚慱官网

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最低有记录的夏季海冰最小值。

随着海冰少幸存从一年到下,冰的平均年龄也下降。在20世纪80年代,大部分海冰发现,在北极地区是“多年冰” - 冰已经生存了至少一个融化季节。然而,在过去的十年中,冰袋已转变为多数“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

卫星开始周围监测的20世纪80年代北极海冰。冰超过一年 - 在这个时候,极主要是受“多年冰”覆盖。这冰比冰水年轻厚,更稳定。

每年,海冰都会在寒冷的冬季增加,然后在夏季又会减少。这创造了在观想中看到的潮起潮落模式。

北极海冰:2017 - 18

在过去的三个十年中,冰袋已转变为主要是“第一年的冰”,这是不到一岁。第一年的冰比较脆弱,容易融化。在同一时期,海冰覆盖的总面积已经超过40%下降。

信贷:NASA的科学可视化工作室

(从1984年到2019年整个时间序列的海冰覆盖和年龄的影像可以在the底部的文章。)

从卫星记录来看,海冰的急剧下降已经造成了影响超越即使是最悲观的预测气候模型它是科学家用来预测地球未来的数学工具。

马赛克探险的主要科学目标是获得对如何更清晰的画面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。

“在过去的几十年里,我们的模型在表现海冰减少方面并没有很大的改进,”他说马修的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与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)。“所以我们的最高目标是改进模型。”

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。

在这海冰覆盖落在点至接近零的夏天将带来严重的后果,但是,在某些方面,可以被看作是一个象征性的措施,说玛丽卡荷兰博士一位资深海冰科学家在大学大气研究(UCAR),谁将会使用镶嵌数据来做出关于北极的未来预测。她说:

“达到一个无冰的北极夏天只是进一步感叹号,强调这种情况的发生,这是惊人的和空前。但是从我的角度来看,这些变化已经显着的和前所未有的 - 我们不能忽略这一点吃亏“。

在年龄超过一年(浅蓝色)少北极海冰的范围变化,以冰随着时间的推移年龄四年以上(深蓝色)。程度显示了从1985年至2019年同一周(10月22日至28日)。数据源:美国国家冰雪数据中心。图通过使用碳简要H亚慱官网ighcharts

北极热

在海冰急剧下滑在近几十年来看到是密切相关的气候变化。北极是地球上最迅速升温的地区之一。全球平均气温已经通过围绕上升1C自工业时代的开始,但北极地区周围可见这种程度的变暖。在北极的一些地区,气温上升是很危险的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。)

北极变暖的速度比全球其他地区快的现象被称为“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。

这样的相互作用的一个例子发生海上冰融化时。气候变化带来更多的热量北极的大气和海洋,造成海冰更迅速地融化。海冰是明亮的白色和,因此,反映了远多数进来的阳光中。当冰消失,它揭示黑暗海洋,其吸收太阳光的比重较大。这意味着萎缩覆冰导致北极地区更快地变暖,这反过来又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·普拉特对碳简介亚慱官网

这种相互作用称为“冰反照率反馈” - 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博士他是一名研究海冰的科学家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

研究正反馈和负反馈对北极海冰的影响是该研究的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:雏菊邓恩的碳简介亚慱官网

“如果你想了解海冰,你必须了解海洋和大气。你看它作为一个完整的包,说:”杰里米·威尔金森博士从一个海冰物理学家英国南极调查参加马赛克。

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:雏菊邓恩的碳简介亚慱官网

“我们有光谱仪,可以测量可见光。它们有的向上看天空,有的向下看冰面,通过‘折射’我们得到反照率。马塞尔Nicolaus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。”

另一种方式是马赛克科学家们希望得到海冰更好的画面熔体通过研究发生在北极地区的小规模的过程。例如,从大气和海冰团队的研究人员使用专门的仪器来测量的热量从海冰微小裂缝漏出量,而生态系统团队已经部署了一个水下摄像机来记录下腹部的藻类生长海冰。

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

这种小过程支撑着更大规模的系统,其最终确定海冰覆盖,的Shupe说。

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从AWI气候建模者是谁参加马赛克。“有马赛克的想法是,以获得更好的理解,往往需要在气候模型的参数化的“小规模的过程,”他说。

这比气候模型更小一些流程,影响海冰发生在刻度可以在他们的模拟拍摄。科学家,而不是必须通过使用数学公式来表示它们来简化海冰的影响,这些过程都有。这就是所谓的“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 - 被称为熔体池- 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。

这些池塘施压冰,增加了崩溃的机会。他们还改变了冰的反射性 - 或“反照率” - 使其吸收更多或更少的热量。尽管这些影响,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。

气候模型不能很好地模拟小规模过程的一个原因是,能够详细描述这些过程如何工作的现场数据相对较少。或者可用的数据只运行几个星期的过程——通常的北极野外研究的时间,舒普说。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

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“。

在其北极将出现首个无冰夏季的日期已被证明非常棘手的预测。不同的气候模型想出了一个广泛的可能日期,跨越二○○五年至2100年后。大多数气候模型,然而,认为它很可能会围绕某个时候发生的本世纪中叶

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。

在未来的一系列情景下,北极将有可能在2020-2100年迎来第一个无冰的夏天,其中包括全球气温上升限制在1.5摄氏度(黄色),1.5摄氏度的“温冲”(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)和非常高的排放量(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。

“我很惊讶,半度变暖会做出这样大的差别,”研究的主要作者亚历山德拉雅恩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。亚慱官网亚慱彩票APP

这复杂化牵制第一个无冰夏季的日期第二个因素是“自然变化” - 用来形容一年到一年的自然事件和过程影响海冰影响的项。

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

北极风暴是一种自然事件可以影响海冰。与气旋中纬度北极风暴通常不携带大量的雨雪。他们可以,但是,带来极强的大风,这可以通过海冰撕裂,导致它掰开解释奥拉佩尔松博士来自美国国家海洋和大气管理局极性气象学家(NOAA)参加马赛克。他说:

“什么人在过去的几年里已经注意到的是,当我们有一个非常大的北极旋风,海冰消失。”

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今年由政府间气候变化专门委员会(公布海洋和冰IPCC)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2016年发表的一篇论文计算出,北极系统的自然变化造成了大约20年的不确定性。这意味着任何无冰的夏季预报都需要有20年的窗口期,才能考虑到自然事件和过程的影响。

马赛克期间的实地测量可能会提高气候模型预测北极变化的能力——但是这可能需要一些时间,他说教授杰瑞哈帕拉,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

在其北极看到它的第一个无冰的夏天点将具有在极地区和其他地区的影响。

一位业内人士认为,一直遵循海冰预报研究与浓厚的兴趣是商业航运。自从人类第一次开始航行的海域,国际贸易商寻求世界各港口之间的最具成本效益的途径。对于许多人来说,大西洋和太平洋之间最短的路线是通过北极 - 但厚厚的海冰的存在阻碍了通道为所有,但最顽强的船只。

海冰在夏季的消失将使船找到新的,更快大西洋和太平洋之间的航线。一个研究在2016年发表的一份报告中指出,到本世纪中叶,标准的开放水域船舶可能可以通过穿越北极的航线。他说:“我认为(到那个时候)北极看起来会非常不同,会有更多的活动和资源被开发。那很可能会到来,”拉科说。

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。一个研究该报告于2018年发表,报告指出,商业航运的扩张对许多北极海洋哺乳动物构成了重大威胁,其中包括独角鲸、露脊鲸、白鲸和北极熊。

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

在北极的动物有可能面临进一步威胁海冰消失了,说:佳佳方博士他是AWI的MOSAiC生态系统研究小组的联合协调员。她告诉Carbon 亚慱官网Brief:

“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面,方说,从生长在海冰底部的植物藻类到海洋北极熊是该地区的顶级掠食者。

一个研究发表于2018年发现,海冰下降可能使其更难北极熊寻找食物。北极熊的优选猎物是环斑海豹,其从冰表面的承载寻线。这项研究跟踪了一批居住在波弗特海在2014-16母熊,结果发现,平均而言,空头进一步前往寻找食物比往年 - 并在此过程耗费更多的能量。

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:亚慱官网

一头母北极熊和她在中央北冰洋幼崽。信用:雏菊邓恩的碳简介亚慱官网

“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。”

一秒研究今年发表的一项研究发现,北极熊可能会调整它们的觅食行为,以符合每年看到的冰的增长和后退模式。作者说,这“意味着,即使是在(冰)破裂时间上的微小进展,也可能会对觅食机会、身体状况以及随后的繁殖和生存造成不利影响。”

更改冰情影响土著人群,太,荷兰说。“它也有使用冰为旅行或狩猎,因为年轻的冰是不是稳定或安全的人的影响,”她说。

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,海冰的变化可能会影响其他地区的天气,特别是在中纬度地区。

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。(亚慱官网碳简单介绍今年出版了一详细的解释器审查建议的机制。)

研究发表在发现北极海冰融化可能造成在欧亚大陆极端寒冷冬季的可能性增加了一倍2014后来的研究发现北极变暖也可能与更加激烈的热浪在北半球。

然而,一个研究今年出版发现,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,在海冰下降并不总是先寒冷的冬天。在他们的模型模拟,研究人员,而不是观察到两个事件经常会出现在同一时间 - 这表明他们可能有一个共同的事业,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“。

每周北极海冰年龄:1984年 - 2019年贷:NASA科学可视化工作室。

黛西·邓恩(Daisy Dunne)是被选中报道MOSAiC的五名记者之一。她离开特罗姆索的费用由组织这次探险的阿尔弗雷德韦格纳研究所支付。

卫星图像信用:NASA的科学可视化工作室