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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    飛上高空看冰川

                    2021-06-10 14:21:00

                      遠遠望去,南極大陸似乎除了一片皚皚冰雪,再無其他。其實南極并不像看上去那樣貧瘠。冰川之下隱藏著像落基山脈那么高的山,跟北京市面積差不多大的湖泊。冰川蘊含著大量的水,如果全部融化,會使全球海平面上升58米。

                      南極的冰川之下隱藏了多少秘密?美國斯坦福大學的冰川學家達斯廷·施羅德決定一探究竟。不過,他的研究方法并不是在冰川上鉆洞,然后深入冰川內部去觀察,而是飛上高空,用雷達來“看透”冰川。

                      秘密視角

                      了解冰川內部對于預測冰川的行為至關重要。冰川的內部是什么樣的,它的溫度有多冷,它的下方是海水還是基巖,都會極大地影響冰川的行為。而冰川的行為,決定了它是會悄無聲息地融化,還是會發生天崩地裂般的坍塌。

                      別看冰川巨大無比,似乎難以撼動,其實它們每時每刻都在地表漂移。如果冰川下方是純凈的、沉積物很少的海水,它就很容易“隨波逐流”;如果冰川下方是堅固的基巖或陡峭的懸崖,它就會漂移得慢一些。邊緣較厚的冰川比起邊緣較薄的冰川,漂移速度也會快得多。即使是最小尺度的冰晶,其結構也會影響整個冰川的漂移速度。所以,要想計算冰川的漂移速度,就必須搞清楚冰川的下方是什么,以及這座冰川有多厚。

                      另一個同樣重要的問題是冰川如何融化。每年,冰川都隨著季節交替不斷地生長和融化。如果冰川基座周圍的海水溫度較高,它就會融化得更快。冰川的融化不一定都是從最上方的表面或者最下方的基座開始的,有些冰川內部有孔洞,也有可能從孔洞里開始融化。所以,要想知道冰川的融化速度,就必須看看它們的內部是什么樣的。

                    冰川

                      研究手段的變化

                      大部分傳統的繪圖技術都只能測量并繪制冰川的表面特征,怎樣才能看到冰川內部的樣子呢?總不能直接在冰川上鉆洞吧?

                      科學家決定讓雷達來幫忙。雷達技術可以測量信號到達物體再反射回來的時間,根據這一時間就可以計算距離。

                      科學家發射出一連串無線電波,這些電磁波的波速接近光速,它們抵達冰川內部再反射回來的過程非???,所以發射信號的裝置和接收信號的天線完全可以設計成同一個儀器的兩個部件。儀器搭載在一架飛機上,讓飛機飛越冰川上空,就可以沿著飛行路線得到一張雷達圖,圖上繪制的就是冰川內部的樣子。按照施羅德的說法,雷達的反射信號會由于冰川密度和內部組成物質的差異而出現細微的變化,從而展現冰川基巖的輪廓。

                      這種方法在幾十年前才剛剛起步,算是一門很新鮮、很年輕的學科。像施羅德這樣利用雷達來研究冰川的科學家也有一個很新鮮的身份——無線電冰川學家。

                      漫長的準備時間

                      無線電冰川學家跟其他地理學家最大的不同在于,他們必須要跟飛行員合作才能完成科研任務。

                      在起飛之前,施羅德會和飛行員一起制定詳實、周密的飛行計劃,一旦起飛,就不能輕易改變路線了。他們往往要花幾個月的時間研究地圖,從而確定最佳路線。南極上空的天氣條件殘酷又多變,留給他們測量數據的時間是有限的,所以他們必須充分利用在空中飛行的每一分鐘。另外,對于遭遇惡劣天氣時如何返航、半途中如何替換零件、發生突發情況如何搶修等類似的問題都要做好預案。

                    冰川

                      回溯歷史數據

                      雖然施羅德可以得到充沛的數據,但是這些數據只能告訴他冰川現在是什么樣子的。如果想利用這些數據預測冰川未來的行為,還要根據以往的歷史數據來修正模型。

                      那么,以往的歷史數據從哪里找呢?

                      其實,早在20世紀六七十年代,科學家就已經使用雷達技術得到了一些數據,但是那些數據的格式很難進行后續處理。后來也有人提出了一些改進方法,改進后的技術倒是跟如今施羅德采用的技術差不多,但是,當時得到的數據信息不能以數字化的形式儲存,更不要說像今天這樣實時上傳并儲存在計算機里。在那個年代,最好的辦法也無非是把數據信息刻錄在一卷一卷的膠片上,然后像放映電影一樣把它們播放出來。雖然沖洗膠片并不難,但是這些膠片的分辨率實在是太高了,人的眼睛根本看不見。

                      為了解決這個問題,施羅德購買了一臺高分辨率的膠片掃描儀,并且組建了一支由藝術歷史學家組成的專家隊伍,讓他們幫忙掃描、復原這些數據。過程當然不是一帆風順的,有時碰到棘手的難題,施羅德甚至要請教奧斯卡組委會的電影專家,借鑒影片復原和潤色的經驗來恢復這些數據。

                      施羅德和他的團隊之所以堅持不懈地進行著恢復數據的工作,是因為這些數據能夠讓科學家看看從前的冰川是什么樣子的——這就好像給了他們一次回到過去的機會。施羅德等無線電冰川學家已經通過當下的大量數據建立了冰川行為模型,歷史數據可以讓他們知道自己的模型準不準。通過測試模型對于過去的數據的契合程度,他們就可以優化模型,從而更好地預測冰川在未來幾十年間的變化。

                    本文來自《科學畫報》

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