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關於極地科考的那些事

由地理人看世界發表于遊戲2021-10-26

簡介南極大氣層中臭氧空洞的發現與研究臭氧層是地球大氣層中臭氧含量比較大的層次，臭氧的分子式是O3，它是由一個氧原子和一個氧分子結合而成

南極提供了領域最為廣闊的什麼

南極地區是一個自然資源的“大倉庫”：它的地下埋藏著豐富的礦產；它的地上儲存著大量的固體淡水資源；它的沿岸棲息著無數海洋生物；還有原始的自然環境，為科學家們進行氣象、冰川、地質、海洋、生物等學科的科學研究，提供了領域最為廣闊的天然實驗室

。

中國南極科考站分佈

本期我們就簡單談一談這些科學研究。

氣象學

對氣象工作的瞭解，很多普通人僅停留在監測天氣變化和抄錄資料上，實際上並不是那麼簡單。大氣氣象包含了觀測、預報、研究、大資料、計算機幾大學科，還包含跟海洋學科的交叉。工作更專業的解釋分為兩部分：觀測員和預報員。觀測員收集資料，預報員根據觀測結果預報天氣變化。

中國科考隊在南極冰蓋上架設自動氣象站

目前全世界科學家都在主要攻關收集天氣預報，將來是用模式來做預報，叫客觀預報。例如一小時以後北京會不會下雨，時間上是精確到分鐘還是精確到小時精確到天，這是我們對未來氣象工作的一個期待，還需要大批的科學資料透過觀測研究，透過反覆驗證過的模式來提高整個全球的預報水平。

天文觀測

南極作為天文觀測的絕佳的地理位置，主要是因為其具備了天文觀測所需的環境條件：

（1）

黑暗

。我們所看的遙遠的天體都非常暗淡，只有在極暗的環境下才能看清，而黑暗的最大敵人就是光汙染，所以大部分的天文基地都建在人煙稀少發展落後的地方。南極是未開發的處女地，完全沒有光汙染的問題。

（2）

晴夜數要多

。晴夜數指一年內基本晴朗的夜晚的數量，晴夜數越多越好。天氣不晴指有云或下雨，一般乾旱、半乾旱氣候區和高海拔地區晴夜數較多。南極高原的地形和大氣環流特徵決定了高原上非常乾燥，很少有云。

（3）

大氣穩定

。大氣如果經常發生湍流現象，這會折射星光，使星光無法準確的聚集在望遠鏡的成像點上，給高精度的天文觀測造成困擾。

（4）

大氣透明度好

。大氣透明度用來衡量從大氣層外過來的光有多少能穿透到地面。造成大氣透明度的不佳的問題主要有空氣汙染和揚沙等。如果沒有以上問題，那大氣透明度就主要決定於大氣厚度，高海拔觀測點星光投射需要穿透的大氣層較薄，透明度自然就高。顯然，既沒有汙染又高海拔的南極高原大氣透明度極佳。

AST3設計圖，我國計劃在冰穹A安裝三臺同樣的望遠鏡。

AST3，全稱南極施密特望遠鏡，簡稱後面有個數字3，意思是我們一共要放3臺一樣的望遠鏡。施密特望遠鏡的特點是視場大，這種望遠鏡特別適合用來巡天。巡天是一種望遠鏡使用方式，意思就是對著很大一塊星空拍照，記錄下所有能拍到的東西的資訊，這種工作方式一般用於找某類天體。AST3最主要的科學目標有兩個，一個是尋找超新星，另一個是尋找系外行星。

當然天文學現在已經進入了全波段時代，天文學家從射電、紅外、光學、紫外、X射線到γ射線等各個波段進行天文觀測，同樣南極地區對於全波段觀測也具有得天獨厚的氣候條件。

全球氣候變化研究

我們知道，南極大部分地區的年平均降水量僅55毫米，被稱作地球上的“白色沙漠”。但是南極大陸95%以上的地面覆蓋著巨厚的冰層，冰層厚度平均2000多米，這麼厚的冰層很明顯是日積月累形成的。

大家知道冰是由雪變化而來的，雪沉積以後，慢慢沉積壓實，慢慢形成了冰，在雪變成冰的過程當中，最原始的大氣樣本，就會儲存在冰裡面，透過把冰裡面氣泡提取，我們就能獲得最直接的、地球古代大氣的環境樣本。透過這樣一種手段，我們就知道過去的氣候和大氣環境是什麼樣的，這是一個最直接的手段。

冰芯鑽探

研究冰芯的主要目的，就是開展地球氣候變化研究，尤其是古氣候。但是研究地球的氣候除了冰芯之外還有其他的載體，比如海洋的沉積物、樹的年輪等。冰芯與這些載體相比，跨的時間尺度很長，可以到百萬年，而且冰芯時間解析度非常高，我們可以得到過去5年甚至於一個季節的氣候變化資訊。

宇宙演變

我們知道，南極地區相比於世界其他地方，是隕石富集區。因為這些“天外來客”身上攜帶著、包含著許多有關太陽系早期歷史的資料和資訊，所以我們可以從它那裡瞭解到宇宙演變情況，甚至還可以知道其他星球上有無生命的存在。南極隕石是科學家揭示宇宙奧秘的一把鑰匙，隕石的價值比黃金還寶貴。

中國南極科考隊員正在碎石帶中搜尋隕石。（圖片轉載自新華社）

為什麼南極地區的隕石多呢？是不是在南極從天而降的隕石特別地多呢？其實，在世界各地，隕石出現的可能性是大致相等的，只不過降落在南極的隕石更加容易儲存下來，並且非常容易被冰蓋考察的科學家發現罷了。總結原因主要有三：

（1）

暗黑的隕石與白色的冰雪背景形成強烈對比，易於發現。

相反，其它地方的隕石均隱藏於岩石、泥土或植物叢中，難以找尋。

（2）

南極洲氣候嚴寒乾燥，隕石不易風化消失。

（3）數百萬年來，冰雪不斷掩埋從天而降的隕石，但隨著冰川移動並遇上山脈的阻礙時，風的切削作用使埋藏在冰層中的隕石得以重見天日。

這種有如輸送帶般的機制，使南極洲山脈地區成為了隕石的集中地，更有利於搜尋。

南極大氣層中臭氧空洞的發現與研究

臭氧層是地球大氣層中臭氧含量比較大的層次，臭氧的分子式是O3，它是由一個氧原子和一個氧分子結合而成。在低層大氣中，由於紫外線輻射很弱，缺乏氧原子，生成臭氧的機會很少。隨著高度增加，太陽紫外線輻射增強，氧分子在紫外線輻射作用下發生分解，氧原子增加，生成臭氧的機會就多。大致在距地面１０千米以上臭氧的含量逐漸增加，在２０－３０千米的高空，氧原子和氧分子的含量都比較多，這一高度臭氧的含量最大，形成明顯的臭氧層。在此高度以上，紫外線輻射更加強烈，大部分氧分子被分解為氧原子，出現氧原子過多而氧分子過少的狀況，結合成臭氧的機會就少，所以臭氧的含量也逐漸減少，大致在５０千米以上高空，臭氧的含量就極少了。

臭氧的含量雖少，卻極其重要，因為這薄薄的臭氧層，能把太陽紫外線中波長短於２９０奈米，能殺死地球上包括人類在內所有生命的短波紫外線統統吸收掉，使地球上的生物免受紫外線的傷害。但臭氧層不吸收波長較長的太陽紫外線，這些紫外線對人類和生物則是有益的。因為它們能殺死細菌，並能促成人體內合成維生素D，以防止佝僂病的產生。所以臭氧層如同一把保護傘，保護著地球上的生命。

“氟利昂”排放導致南極臭氧空洞圖解

臭氧層空洞，是指南極上空大範圍的高密度臭氧分子遭到破壞而出現的衰竭現象。臭氧層的破壞，給地球環境和人體健康帶來極大危害。

那麼到底是誰破壞了臭氧層？絕大多數科學家以為，“元兇”是由人類活動排放到大氣裡的氯氟烴。這種物質世界上本來沒有，是２０世紀３０年代人類使用製冷劑、發泡劑、滅火劑等製造出來的一種化合物。它的效能極其穩定，在低層不易分解，上升到平流層後，在強烈紫外線作用下分解產生氯原子，從臭氧中奪取一個氧原子，成為一氧化氯，臭氧分子就變成了普通的氧分子。而一氧化氯是不穩定的，空氣中游離的氧原子可以奪取其中的氧原子而成為普通的氧分子，氯原子則再次遊離出來去重複上述破壞臭氧分子的過程。這種過程可以重複上萬次，使臭氧的濃度不斷降低，最後便形成了臭氧層空洞。可見，人為排入大氣中的氯氟烴是一個名副其實的臭氧殺手。

可見，氯氟烴的源地是在北半球，且北半球大氣中氯氟烴的濃度比南半球還略高，為什麼臭氧層空洞卻發生在南極呢？這與南極特異的氣候有關。因為南極大陸緯度高，海拔高，冰川反射率強，具有特殊的環極旋渦和低溫條件，環極旋渦把南極大陸封閉起來，從北方來的富含臭氧的氣流不能進入它的上空。低溫使南極上空大氣中有眾多的冰晶雲，雲中的冰晶不斷吸收氯氟烴氣體，濃度越來越高，更加速了對臭氧的破壞。

透過對南極大氣層中臭氧空洞的發現與研究，人類意識到了自己的一些行為對我們環境的破壞。

因此，1992年11月23日至25日在丹麥首都哥本哈根舉行的第四屆蒙特利爾議定書締約國部長會議決定，全世界完全停止生產和使用氯氟烴（氟利昂）的期限從原計劃的2000年提前到1996年；完全放棄鹵化烴的時間提前到1994年；氯氟烴的替代物——部分鹵化物的用量到2004年減少35％，到2030年完全禁止。

現如今，南極上空的空洞已經基本趨於穩定，而且有科學家也估計，到2070年，臭氧層空洞將恢復到1980年的狀態。

南極冰下湖的發現與研究

上世紀末，俄羅斯和英國科學家在南極沃斯托克考察站附近的冰下發現了地球上最大的冰下湖――沃斯托克湖，面積達14000平方千米，被封存在冰蓋之下約4000米處，與世隔絕至少1500萬年。