中國科學家登陸南極40年之際 讓我們聊聊這片偏遠大陸的前世今生

首次登上南極考察的中國科學家董兆乾（左）張青松（右）和澳大利亞南極局副局長Knowles Kerry博士在一起

南極冰蓋平均厚度1829米，最大可達4700米

南極洲及周邊海域地圖

中國科學家登陸南極40年之際

讓我們聊聊這片偏遠大陸的前世今生

從遠古走來，今日一派冰雪料峭景色的南極都經歷過什么？厚重的冰蓋下隱藏著怎樣獨特的歷史？它又將面對怎樣不確定的未來？在中國科學家登上南極40年后的今天，我們應該好好了解一下這片偏遠大陸的來路與前途。

躋身南極研究大國

1980年1月12日，兩位中國科學家登上了澳大利亞南極科考站凱西站，第一次代表中國科學界正式踏上南極大陸，也是第一次將南極大陸納入中國科學家的研究視野。

首登南極40年后，通過幾代人的努力，我們正在從對南極懵懂無知的國度，變成南極研究的大國。中國已在南極擁有泰山、中山、昆侖和長城4個科考站，第5個科考站羅斯海新站也正在建設中。中國還組織過35次南極科學考察任務，而搭載著第36次科考團的雪龍2號，目前正航行在南極宇航員海附近的海域。

繼《南極公約》凍結了世界各國對南極的領土要求后，從科學的角度認識南極便成為中國及其他大國探索南極的根本動機。南極洲大陸經歷過十分復雜的地質運動，在厚重的冰層下及周邊海域內蘊含大量潛在資源，是人類社會未來發展的重要保障之一。認識南極的演變、形成和礦產分布，是針對南極展開綜合研究的重要目標。

南極冰蓋也是最直接的科研對象。每年，降雪落下，混雜著天空中的塵埃、顆粒、氣體甚至落在冰面上的隕石一起凍結成冰，將許多關于南極演變和地球環境演變的線索保存下來。人們鉆井取出冰芯，逐漸揭示出冰雪中深埋的秘密。

南極獨特的自然環境，也造就了地球獨一無二的極地生態群落。對南極生物和生態環境的研究，是人們考察南極的另一項重要環節。大到海象、海豹、座頭鯨，小到賊鷗、企鵝、磷蝦，這些冰雪世界的萬物生靈，是南極展示給人類的最美好一面。

南極從哪里來

南極洲的封凍是新生代以來全球“冰室效應”的一個縮影。中生代時期（距今2.51億—0.66億年），溫室氣體二氧化碳的濃度長期保持較高水平，全球氣候普遍溫暖，海平面高企，地球南極的情況大為不同。

地球南極與南極洲大陸是兩個不同概念。整個中生代，南極洲大陸在南極圈（南緯66°34′）附近徘徊，最終在距今大約8000萬年前的白堊紀晚期達到與今日相似的位置。中生代的地球南極或許存在冰層，但南極洲大陸只可能有少量冰層，并未形成覆蓋整個南極洲陸地的大冰蓋。

溫暖延續到了新生代，距今約5000萬年前是新生代最溫暖、溫室氣體濃度最高的時期。后來，全球溫度總體開始震蕩走低，直到人類生活的時代，世界的溫度達到自恐龍滅絕以后的最冷階段。在逐漸變冷的過程里，南極冰蓋和北半球冰蓋先后出現。

第一個巧合

是什么引起了新生代的全球變冷和南極封凍？最先引起人們注意的是新生代變冷與一系列大規模造山運動在時間上的巧合。

5000多萬年前，世界海陸格局與現在大為不同：特提斯洋尚未變成地中海，阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶尚未形成，大西洋也遠沒有今日寬廣，各片陸地還在延續著從盤古大陸分裂的趨勢。在后來演變為中國的土地上，還呈現出東高西低的地貌形態。

伴隨著特提斯洋走向消亡，非洲板塊、印度板塊同歐亞板塊全面碰撞，一條斜跨半個北半球的板塊縫合帶宣告誕生，形成了最近兩億年來最大的超級造山帶。它從歐洲的比利牛斯山脈開始，經過阿爾卑斯山脈，經過中東的扎格羅斯山脈，中亞的興都庫什山，抵達亞洲的喜馬拉雅山脈，甚至延伸到東南亞的火山島鏈。

群山改變了世界。山體巖石中的硅酸鹽與降水中溶解的二氧化碳發生化學風化，將二氧化碳固定到沉積物中。于是，從距今5000萬年起，地球大氣的二氧化碳濃度快速下降，引發冰室效應，地球的溫度開始下降。

數值模擬研究表明，當大氣二氧化碳濃度降低到600ppm時，南極冰蓋才開始迅速增大，從陸地上的局地冰蓋，變成超出海岸線的大型冰蓋。此時正好是大約3280萬年前，而這個時間點，又和環南極洋流的產生時間形成了第二個巧合。

第二個巧合

影響南極地區溫度的因素除了冰室效應，還有環南極洋流的形成。地球兩極附近存在著尺度巨大的環極地西風帶，它們攪動大氣，最終帶動海水運動。如果在相應的緯度上沒有陸地的阻隔，就能夠形成暢通無阻的環極地洋流——這恰恰是南極的情形。

南極洲大陸先后與南美洲大陸、澳大利亞大陸分離。在大約5000萬年前，南極洲首先與南美洲分離，淺水的德雷克海道開啟；3350萬年前，南極洲與澳大利亞分離，形成塔斯馬尼亞海道，環南極洋流帶初步形成；2850萬年前后，南極洲與南美洲進一步分離，淺水的德雷克水道變成深海，洋流增強。

歷經數千萬年，南極洲大陸最終成為與世隔絕的孤洲，環南極洋流從無到有從弱到強，逐漸將南極洲與低緯海洋的熱量隔絕開來，使恰好位于地球南極區域的南極洲大陸，在新生代降溫的大背景下進一步變冷。

于是，在大約3400萬年前，冰蓋開始覆蓋南極洲大陸；到了大約3280萬年，羅斯海灣開始形成冰架，標志著南極冰蓋從陸地流進海洋。此后盡管出現過多次反復，但冰蓋的規模總體上隨著溫度下降而不斷增大，其中在2300萬年和1390萬年前出現過兩次顯著增大。

南極洲冰蓋的生長又反射更多的陽光，使地球進一步變冷，是地球出現北極冰蓋的重要因素之一。在兩極冰蓋的共同影響下，這顆星球用兩億年中最為寒冷的姿態迎接了人類的到來。

海上冰架陸上冰蓋雙雙加速融化

從新生代冰室效應和周期性的冷暖旋回中走來，古老的南極在當代卻正經歷著來自人類的嚴峻考驗。2019年，大氣二氧化碳濃度超過了415ppm，再創新高的同時，也超過了過去1500萬年來的二氧化碳濃度上限值。我們的世界正在逐漸步入未知領域，人類卻對此毫無經驗。南極也以劇烈的變化，走向充滿不確定的未來。

2019年9月，南極洲東部的埃默里冰架末端斷裂，1636平方千米的冰山隨波逝去，成為漂浮在南大洋上的巨大冰山。很快，它會繼續分解成小塊浮冰，逐漸消融。

2017年7月，南極洲西部南極半島的拉森C冰架發生斷裂，形成了面積達5800平方千米的冰山A-68，是北京市面積的近1/3。

海上冰架來源于陸地冰蓋的向海流動，末端破裂進入海洋是正常冰架消解過程，但它們發生的速率和規模正越來越大，從側面反映了整個南極冰蓋的消融愈演愈烈。

2015年，來自美國NASA的一支研究團隊提出，南極新增冰蓋質量大于冰蓋融化質量，引發輿論、學術界甚至政界的多方爭議。很快，就有不同的學者指出，這個研究團隊使用的估算方法存在較大瑕疵，給出的結論存在問題。

利用新的方法和數據，科學家們描繪出南極冰蓋加速消融的嚴峻畫面。在過去的40年里，以每十年為一個階段，南極冰蓋的年均消融速率從80年代的400±90億噸，猛增至2017年的2520±260億噸，融化速率增加了五倍。

融冰成水，匯成溪流，流入湖泊或者海洋。在這個越來越熱的世界里，南極冰蓋正在加速融化。南極正和這個世界上所有其他的冰封世界一樣，一齊走向難以預料的未來。

重返中新世的陰影

如前文所述，在大約3300—3400萬年前，600ppm的二氧化碳可能是南極冰蓋快速發育的一個門檻，如今的人類，距離這個門檻正在越來越近。隨著世界各國工業化的發展和能源需求的增長，碳排放失控的風險已經從迷霧中顯出身形。

研究者們模擬過幾種不同碳排放路徑，但即便是中等排放路徑RCP4.5，也面臨二氧化碳濃度在本世紀中期突破600ppm的極大風險。而高排放路徑RCP8.5，即世界保持當前碳排放規模繼續發展下去，則面臨著全球氣溫升高3.2-5.4℃，二氧化碳濃度超過1000ppm的風險。這對南極可能意味著什么？也許遙遠的地質歷史可以給出一些線索。

在距今約1400萬年前的中新世氣候溫暖期，全球平均溫度大約比現代高3-4℃，接近本世紀末碳排放失控場景下的最壞情況（RCP8.5）。有研究人員分別使用不同的地球軌道背景配以不同的二氧化碳濃度，對當時南極冰蓋的情況進行了計算機模擬，發現當二氧化碳濃度達到500ppm時，冰蓋將大幅離開海岸線；達到840ppm時，南極洲將出現大范圍巖石裸露。

因此，500-840ppm的二氧化碳濃度，可能是南極冰蓋將會出現大幅后退的關鍵區間。不出意外的話，我們這一代人可以親眼見證這一時刻的到來。

如果保持高排放水平到本世紀末，隨著兩極冰蓋和山地冰川的融化，以及海水受熱膨脹，最終引起的海面上升有可能達到0.6—1.1米，當然，也不排除更高一些。南極的變化，從來并不僅僅關乎南極本身。這就像人類的行為，影響到的從來不僅僅是人類自己。南極的未來，既掌握在地球自身的節律里，也取決于人們將會作出怎樣的抉擇。

2019年8月，冰島Ok冰川因消融嚴重被取消冰川資格，成為歷史的一部分。冰島人為Ok冰川撰寫了墓志銘，留在了它曾經矗立過的地方：“Ok冰川是冰島首個失去資格的冰川，在未來200年，冰島所有的冰川也將步此后塵，立此碑是為宣示，我們深知正在發生什么，亦知該做些什么，但只有后世的你，才知道我們是否做了該做的。”（文/ 云舞空城 文及圖片來源/星球科學評論公眾號）