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北冰洋成全球海洋酸化“放大鏡”
2018-09-27 07:32:50 來源: 科技日報
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  工作人員在冰站取樣品。歐陽張弦攝

  航程12000多海裏,執行我國第九次北極科學考察的“雪龍”號9月26日回到母港——位于上海的中國極地中心碼頭。

  在本次科考中,科考隊以“雪龍”號為平臺,圍繞海洋酸化等熱點問題,進行了深入全航程監測。

  什麼是海洋酸化?在北冰洋開展海洋酸化研究有何特別意義?目前北冰洋酸化研究存在什麼困難?科技日報記者就此採訪了相關人士。

  全航程監測北冰洋海水pH值

  和全球變暖“禍出同因”, 海洋酸化同樣源于人類向大氣過量排放的二氧化碳。

  不同的是,全球變暖是由于排入大氣中的二氧化碳溫室效應作用,海洋酸化是溶入海水中的二氧化碳和水發生化學反應,産生大量碳酸根和氫離子,變成北冰洋“汽水”。隨著溶于海水的二氧化碳不斷增加,海水pH值和碳酸鈣飽和度持續下降。

  走航觀測是本次海洋酸化研究的一個重要組成部分。正因如此,對自然資源部海洋三所助理研究員祁第來説,從上海出發,經過日本海、鄂霍次克海、白令海,直到北冰洋高緯海區,以及自北冰洋返回上海,“雪龍”號69天的航程具有特別意義。

  “船開出去後,借助船體加裝的高精度pH走航觀測係統,每隔20分鐘,我們就能獲得表層海水的高時空分辨率數據,初步統計,此次北極科考獲得了兩千多個點的、跨越多個經緯度的北極大空間尺度的高分辨pH走航數據。”祁第告訴記者。

  海洋酸化是個很緩慢的過程,如果精度不高這種變化根本看不到。祁第説,這次科考中除了pH走航係統能進行全航線監測外,還設置了40多個水文站位。水文站位採樣,是將重達200多公斤的CTD放入海中進行相關作業。CTD由24個10升的採水瓶和一些測試儀器組成。每下降到一定深度,採水瓶會自動採集海水樣品。船上實驗室的電腦也會實時接收並顯示儀器觀測到的海洋數據。

  祁第告訴記者,此次作業中,CTD下沉至4000多米的海底,一般需經過4個多小時,才能完成作業。盡管採樣工作量大,卻是獲取海洋全水深酸化數據的最可靠手段。此外,水文站位的表層數據還可以和走航數據進行比對校正,確保了走航觀測數據精度的可靠性。

  為了解海冰覆蓋下的海水酸化狀況,本次考察設置了9個短期冰站和1個長期冰站。當船到達某一個冰站,工作人員將搭乘從船上放下的小艇,行至浮冰上,借助冰芯鑽取及採集手段、半自動採水係統採集樣品,並利用海洋環境多參數分析儀,現場分析溫度和鹽度。但冰站作業卻是探究海冰融化驅動酸化機制的最直接辦法。

  酸化比太平洋或大西洋等快4倍多

  1999年,經國務院批準,我國首次北極科學考察隊搭乘“雪龍”號極地科學破冰船首航北冰洋。當年的科考任務中,把如今仍不被很多人所熟悉的海洋酸化研究列入其中,正是時任領隊兼首席科學家陳立奇研究員主持。

  上世紀80年代,作為我國最早選派到美國學習全球變化科學的學者之一,陳立奇參與了“海氣實驗計劃”的全球計劃。大量實踐和研究使他敏銳地意識到,人類活動對全球變化的作用,已經接近並超過自然變化的強度和變率。

  “從工業化到本世紀初,海洋平均pH下降0.1的時間,從每百年單位進入每十年。”談及研究的初衷,陳立奇回憶,當時的推測是,在這種全球變化背景下,作為生態係統結構簡單、對氣候和環境變化也最敏感的地區,北冰洋會首先感應到這種酸化加速並被放大。

  過去20年,北極升溫幅度是全球平均升溫的6.7倍。北極快速升溫導致北冰洋海冰大量融化,每年夏季開闊水域超過1000萬平方公裏,高濃度的二氧化碳容易入侵北極海水,導致其上層水體的酸度升高。

  與此同時,全球變化和北極變暖引起的北極海洋環流和大氣模態異常,讓北冰洋酸化雪上加霜。北冰洋海冰覆蓋面積快速後退,誘發太平洋攜帶“腐蝕性”的酸化海水大范圍入侵,這也是導致北冰洋酸化海水快速擴張的最主要原因。

  如今多項研究已證明,北冰洋是全球海洋酸化“領頭羊”。

  “北冰洋是我們觀測到的第一個如此迅速且大范圍、長時間酸化加重的大洋,比在太平洋或者大西洋觀測到的結果要快4倍以上。”祁第説,歷經9次北極科考,基于對過去20年來所有橫穿北冰洋航次數據的精細分析,結合歷次我國北極科考航次的數據集成後發現,北冰洋酸化水體以每年1.5%速度快速擴張,並預估酸化水體將在本世紀中葉覆蓋整個北冰洋。

  組成全球觀測網,用數據説話

  2016年,一則新聞引發關注。在澳大利亞東部海岸綿延2300公裏的“國寶”大堡礁,由于珊瑚大規模白化,已導致北部和中部區域約35%的珊瑚死亡或瀕臨死亡。白化現象最嚴重的部分珊瑚礁中,一半以上珊瑚已經死亡;剩余珊瑚中有一部分無法從白化恢復正常,死亡比例將進一步上升。

  海洋酸化帶來的影響打破了地理邊界。

  在北冰洋,翼足目類海螺是北冰洋食物鏈中重要的一環,是北極三文魚和鯡魚重要的食物。2013年發布的《北極海洋酸化評估:決策者摘要》,指出北極海洋正在酸化,並對海洋生物和漁業資源構成威脅。

  祁第解釋,在pH值較低的海水中,為了保護自己,這些鈣化生物會長得越來越小、外殼越來越厚。作為餌料,它們的價值也會下降,這將影響漁業和水産養殖等,進而通過食物鏈破壞整個生態係統。

  從時間橫軸來看,從第三次北極考察開始,我國北極科考酸化研究安裝了船載走航二氧化碳觀測係統,不僅可以觀測海洋吸收二氧化碳的量和潛力的變化,還可以為評估海洋酸化提供重要數據;基于中美國際合作,第四次北極科考開發的凈群落生産力走航觀測係統,擴展了生物過程對海洋酸化的影響研究和貢獻評估。

  祁第表示,當前海洋酸化演化成全球生態環境危機,盡管在北冰洋開展海洋酸化研究有著“一葉而知秋”的重要意義,但也面臨重重困難,數據是一大瓶頸。

  目前來自歐盟、美國、加拿大、日本和韓國等的科學家,都對北冰洋海洋酸化的研究給予了高度關注,並對北極陸架海域和南部海盆海水的酸化狀況、海冰融化、生物過程、太平洋冬季水入侵影響等進行了研究。面對全球大洋研究最為匱乏的區域之一,這些國家的科研人員同樣受困于高時空尺度的數據。

  幾年前我國提出了以北冰洋和北太平洋酸化為重點海區的觀測網計劃(nPAOA-ON)。“我們對北冰洋酸化的研究表明,在全球氣候變化驅動下的海洋酸化沒有國界,人類需要攜手聚焦典型海域酸化實時監測,組成全球觀測網並對酸化趨勢和影響評估,採取應對和減緩措施,以構築保障海洋生態屏障。”陳立奇説。

  此次科考中,我國同樣邀請了法國、美國科學家,乘坐“雪龍”號採集海洋酸化數據,就這一全球環境熱點問題開展科學合作。

  “就目前的研究而言,海洋酸化的損害後果仍難以評估。”但祁第可以肯定的是,要了解酸化對海洋生態係統意味著什麼,需要用數據説話,開展長期監測研究。(陳 瑜

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【糾錯】 責任編輯: 徐宙超
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