在目前气候变化的形势下，两极地区的冰盖还能存在多久？
两极地区的冰层流失是导致近几十年来观测到的海平面上升的最大因素之一，这已经是学术界的共识了。哪怕人类从今天开始完全停止所有的温室气体排放，两极冰盖的融化也无法立即停止，因为已经储存在海洋和大气中的热量还会继续发挥作用。如果按照当前的排放形势，格陵兰的冰盖可能还会存在数百年，而南极的冰盖在百年乃至千年尺度上是不会全部融化的，但会变得不稳定——而这就足以干扰我们现在所熟知的社会运行了。 但是，这一切都还存在着很大的争议。这是因为我们对冰盖形成和消亡过程的科学理解，以及对影响冰盖生长和收缩的外因的研究，都还非常有限。 两极的冰盖都非常偏远，环境恶劣，单单是去到此一游就要耗费巨大的人力财力，更遑论开展科学研究甚至建立考察站了。所以目前科考团队对冰盖的考察范围只能覆盖到有限的地点，而冰盖腹地的广大区域还欠缺进一步的考察。正因为各种数据和信息的欠缺，目前的气候模型或关于两极冰盖的理论推导仍然有很大的不确定性。 而对于人类社会来说，两极冰盖并不需要完全融化，就已经能够对现在的人类文明造成严重的影响。毕竟地球所拥有的所有冰川中，体量最大的就是两极的三大冰盖，即格陵兰冰盖（GIS）、西南极冰盖（WAIS）和东南极冰盖（EAIS）。在去除了冰层中所含的气泡并考虑了地壳的冰后回弹的情况下，格陵兰冰盖如果完全融化，会让全球海平面升高7.4米，西南极冰盖会让海平面升高大约4.2米，而最为庞大的东南极冰盖会让全球海平面上升大约53米。和它们相比，地球上剩下的冰川体量就小得多，如果全部融化，一共只会让海平面上升32厘米。 这三处冰盖不用全部融化，只要融化一部分，让海平面上升个三米五米，那就够全世界的沿海城市喝一壶的了。因此，目前科学界和社会层面关注的焦点其实是：位于两极地区的这三处冰盖，它们到底是不是在迅速融化呢？如果是的话，它们的融化速度有多快？如果暂时还没快速融化，那么它们的稳定性有多好，是否能够经受住目前全球变暖的考验呢？ 俗话说，以史为鉴可以知兴替。研究气候也一样，用模型预测未来的气候，参考的既有物理学原理，也有对过去的气候变化的了解。所以要回答这个问题，我们首先需要介绍一下这三处冰盖是什么时候形成的，以及在那个时候地球的气候特点是怎样的。 下图中的这条曲线是古气候领域很著名的Zachos曲线。在2001年，加州大学圣克鲁斯分校的James Zachos在全球范围内的不同地点，搜集了可以体现气温变化的稳定同位素数据（学术界把这种数据称为“气候代理”），它们的时间跨度覆盖整个新生代（恐龙灭绝至今的6600万年）。Zachos将其汇编成了这一幅图，这条曲线后来又经历了一些修修补补，到现在已经是有关于新生代气候变化的最权威的参考之一。从Zachos曲线上，我们能够读取新生代期间的全球气温变化。 这幅图的横轴是时间（距今百万年，最右边是工业革命之前的现代，最左边是白垩纪和新生代的交界），纵轴代表的是温度，越往上面越热。右上方的蓝色横条分别代表南极和北半球冰盖的存在时间，其中深蓝色代表肯定存在，浅蓝色代表疑似存在。 显而易见，自从恐龙时代结束以来（最左边），地球持续经历了一段时间的温暖期，尤其是在古新世末以及始新世期间，出现过一段高温期。大约在5000万年前，温度登峰造极，达到了新生代的一个高点，然后开始下滑，在大约3500万年前有了第一次断崖式的下跌，也就是图中的O1-1 glaciation，即渐新世的第一次大降温。南极冰盖的雏形便是形成于这个时期。根据一个比较流行的说法，这个断崖式的温度下跌可能是南极半岛和南美洲之间的德雷克海峡的初步开裂所导致的。 德雷克海峡初步形成后，南极洲变成孤立的大陆，而在那个纬度的盛行西风的推动下，环绕南极的西风漂流也随之完全形成。这条洋流是寒流，把低纬度地区的热量和南极大陆隔绝开，让南极愈发寒冷，从而形成了早期冰盖。而冰盖会提高反照率，把更多的来自太阳的热量反射回了外层空间，形成了一个正反馈，进一步促使温度骤降。 不过这股寒流虽然能让南极降温，却也在一定程度上抑制了南极的降水量，这又是一个负反馈，暂时抵消掉了正反馈的作用。因此，在渐新世的后期以及之后的中新世，气温没有继续下滑。虽然比不上古新世和始新世，但至少保留在了一个稳定的水平。这一时期，南极冰盖来来回回地经历了一系列的扩张和收缩循环，处于极不稳定的状态。 大约1600万年前，温度有过一次回升，也就是图中的Mid-Miocene Climatic Optimum，也叫做中新世气候最佳期。但好景不长，差不多在同一时间，德雷克海峡也在进一步扩宽，让寒流的强度上升，隔绝了更多的热量，这导致了气温的进一步下降，重新推动了之前的正反馈。同时，低纬度地区的巴拿马地峡逐渐闭合，阻挡了之前的洋流，让其带着更多的水汽南下，也助长的南极冰盖的生长。这次降温也导致了一次规模不小的灭绝事件，虽然比不上五次大灭绝，但也造成了大约三成的哺乳动物灭绝，该事件被称为“中新世中期中断事件”。 在这个时期，南极冰盖继续生长，最终覆盖了整个南极大陆，并以南极山脉为界线，分成了东南极冰盖和西南极冰盖。冰盖的扩大，反照率也进一步扩大，地表的热量就进一步减少，这种互相拱火的正反馈导致地球的温度进一步跳水，朝着第四纪的冰河时代一路俯冲。也正是在这个时候，北半球的冰盖也形成了。 注意，这里说的是北半球的冰盖，而不是格陵兰冰盖。为什么呢？因为在第四纪，北半球不止有格陵兰的冰盖。在北美洲，当时至少还有科迪勒拉和劳伦泰德两大冰盖，范围比格陵兰冰盖大得多，比如劳伦泰德大冰盖在极盛时期，其前缘位置超过了美国的芝加哥，大致在伊利诺伊州南部甚至堪萨斯州一线。 在整个第四纪至今，地球虽然一直处于低温期，但也在米兰科维奇旋回的作用下，经历了冰期和间冰期的循环，冰盖经历了堪萨斯、内布拉斯加、伊利诺伊和威斯康辛等不同阶段，反反复复扩张又收缩了好几次。而格陵兰冰盖就是北半球间冰期时期的“兜底”冰盖。在间冰期，科迪勒拉冰盖和劳伦泰德冰盖虽然会收缩甚至消失，但格陵兰冰盖却一直都没有完全消失过，直到现在。 当然了，格陵兰的冰盖再坚挺，也不得不面对人类活动的影响。随着人类活动导致的气候变化，已经有越来越多的人担心格陵兰冰盖的稳定问题。毕竟它只是北半球冰盖的残余势力，和南极的冰盖相比，体量也小，对温度变化也就敏感得多，可能会很脆弱。那么，格陵兰冰盖现在还稳定吗？答案是：的确不稳定，形势很危险，但或许尚没有某些媒体报道的那么严重。 此话怎讲？ 格陵兰冰盖是欧美院校地球科学的研究热门。为了研究它的稳定性，地球科学不同分支的科学家们各显神通，对它采用了各种各样的研究手段。首先我们需要肯定的是，格陵兰冰盖已经不稳定了，在发生快速的融化。我们知道，地质学的时间尺度是很漫长的，大部分地质现象都不能用人类的生命乃至人类文明的持续时间来衡量，以至于许多非地质专业的人，对地质时间尺度都缺乏直观的概念。可是，格陵兰冰盖的融化，其速率居然已经能被卫星遥感技术观测到。 除了遥感以外，对冰层的钻孔、对周边沉积物的考察、以及建模等手段都被用来研究它的稳定性。就在最近几年，对格陵兰冰盖的建模有不少的研究成果，它们显示格陵兰冰盖的消融可能已经不可避免了，甚至其融化的速率比气候模型预测的还快。 和其他类型的冰川一样，格陵兰冰盖也有一个积累量与消融量的动态平衡。如果积累量大于消融量，则冰盖就会生长，反正则会退缩。而在当前的气候条件下，有模型指出，格陵兰冰盖的积累量也许已经跟不上消融量了。这其中，在冰盖的内部起到决定性作用的是它的厚度变化。 格陵兰冰盖之所以能长时间存在，是因为有一系列的动态反馈进行互相平衡和抵消，来保持其稳定。比如，当温度升高，冰盖边缘的薄弱处会加速融化，裸露出格陵兰岛的地表，而地表的反照率要小于冰面，因此能保留更多的太阳辐射，而多余的热量会加速融化，这是一个正反馈。不过与此同时，升温和融化会导致当地的水汽增加，从而让格陵兰岛附近的降水量上升，让更多的冰雪集聚在冰盖的腹地，增加冰盖的厚度，而一旦冰盖加厚，其顶部的海拔就会升高，从而凝结更多的水汽。与此同时，来自冰盖中部的应力会形成ice flow，让冰盖往四周延伸。这就形成了一组负反馈。它们互相抵消，让格陵兰冰盖保持稳定。 可是，随着气温的持续上升，边缘融化而增加的那点降水量已经无法弥补融化损失的量，这导致冰盖厚度在不断缩小。而厚度一旦缩小，其顶部集聚新的冰雪的能力也就下降了，而向四面延展的趋势也在减弱。如此，格陵兰冰盖就陷入了一个入不敷出的状态，在朝着无法挽回的临界点靠近。 可是为什么又说，也许没有一些媒体宣传的那么严重呢？ 格陵兰冰盖的动态平衡其实非常复杂，虽然它早已是个热门课题，但如今人们对它的了解还是不完善，因此科学家仍然无法严谨地给出一个关于“临界点到底在什么时候会达到”的详细回答。近两年，一些相关的论文被某些不大靠谱的媒体过渡解读或错误解读，说格陵兰冰盖已经无可救药，甚至马上就要大规模崩溃等，实际都是不准确的。目前只能说，格陵兰冰盖已经逼近了临界点，但临界点是否已过，或者什么时候会过，过了之后会不会发生大规模崩溃，还需要进一步的观察和研究。 不过我们也不能因此而掉以轻心。格陵兰冰盖的大规模融化的确将会产生全球性的长期影响，且难以逆转。它不仅会导致海平面上升，其形成的大量冰冷淡水还可能会扰乱北大西洋暖流，从而迟滞全球海洋的温盐循环，对全世界的气候（甚至包括亚洲的季风气候）产生连锁反应。这里可以参考我之前的另一个回答： 和格陵兰冰盖相比，南极冰盖在很多人的印象里要稳定得多，毕竟它的体量摆在那儿，在气候变化面前它比较憨，就算吃老本也能吃很久。可是，南极的冰盖就真的那么稳定吗？ 这其实也得分开讨论。 前面提到，南极其实不是一个单一的冰盖，而是大致以南极山脉为界限，分为较大的东南极冰盖和较小的西南极冰盖。实际上，和格陵兰相比，西南极冰盖甚至更脆弱一点，因为它是一个海洋性的冰盖（即有很大部分体积位于海平面以下，泡在水里），对气候变化非常敏感。 早在70年代，俄亥俄州立大学的John Mercer就提出，气温上升可能给西南极冰盖带来灾难性的后果，让其在相当短的时间内彻底毁灭。他是第一个公开提出两极冰盖将造成海平面上升，从而摧毁沿海城市的人。此外，他还去南极考察了南极山脉，并认为该地区曾经是个史前湖泊，有液态水和漂浮的冰山。Mercer认为这是西南极冰盖曾经融化过的证据，并把这个冰盖描述为“独特的脆弱且不稳定的冰体”。他还结合了当时西北大学Johannes Weertman对冰盖稳定性和断裂的物理研究，给出了物理学上的理论推导。 Mercer这套理论模型后来被那位NASA著名的因为行为太激进而多次被捕的气候学家James Hansen命名为“Mercer效应”，俗称“被掏空”（hollowing/metling from underneath）模型。从那之后，各路科学家确实已经在包括阿蒙森冰架和松岛等地观测到了大规模的融化现象。 那么Mercer这个“被掏空”模型大概是个什么意思呢？说白了就是，西南极冰盖的快速融化是由海水温度分层导致的系统平衡失调所导致的。那为啥有人说它叫“被掏空”呢？因为它描述的是西南极冰盖最先融化的地点：在冰层的底下。 大气温度的升高会导致海水温度的升高，较高的海水会从下面融化冰盖。当冰盖的从下面被掏空之后，其边缘就会变成冰架（浮冰），失去支撑，容易断裂成冰山漂走。当不断有冰山断裂漂走，剩余冰盖在局部区域和海水的浮力、冰川内部动力以及岩石表面支撑力之间的受力平衡就会变化，冰盖和岩石表面的接触点一再向内迁移，导致冰架变宽，更容易断裂，从而形成了一个让它越来越崩的正反馈。 刚开始的时候，许多科学家对这套理论持谨慎怀疑态度，但自从90年代以来，南极边缘已经发生过好几次大规模的冰架断裂事件，有时候断裂下来的冰山面积甚至有美国的特拉华州那么大，在事实上印证了Mercer等人的理论推断，因此这个理论也逐渐被接受。 在目前的主流观点里，这便是西南极冰盖变得很不稳定的主要原因。因为它是海洋性冰盖，下半截泡在海里，所以对气候变化很敏感，容易被掏空。不过，也正是因为西南极冰盖有很大一部分体积已经位于海平面以下，其体积已经被全球海洋所囊括，因此即便它完全融化，所能直接造成的海平面上升幅度也是最小的。 相比之下，东南极冰盖的体量最大，因此传统上科学家的确认为它对气候变化的敏感度要低于其他的冰盖。不过，最近几年的一些科研成果还是对传统的看法提出了质疑。 下图中，位置靠上的这条曲线就是前面提到的Zachos曲线。这幅图也标注了现在的气温，以及IPCC预测的不同碳排放标准下，地球在2100年将会达到的气温。那么，最近的一次大气二氧化碳含量和现在相似，是什么时候呢？我们标注一下就能发现，在Zachos曲线上，上一次气温和目前相近，发生在大约3百万年前的上新世中期（浅绿色）。而在RCP2.6情况下（最严格的碳排放，即在2020年达到顶峰，在2100年达到零排放，目前似乎已经失败了），2100年我们的气温会回到大约5百万年前的水平，也就是上新世的早期（深绿色）。  在上新世的早中期，地球上的二氧化碳浓度为400到450ppm左右，而在2016年，夏威夷已经观测到大气二氧化碳浓度一度破掉了400ppm大关。因此我们认为上新世早中期的气候对21世纪末是有借鉴意义的。于是，有许多课题组开始研究，在这样的条件下，东南极冰盖到底是不是很稳定。 比如在前两年，有个团队利用综合大洋钻探计划（IODP）于2005年在北大西洋3000多米深的海底获取的一组深海沉积物的样本（Site U-1313），通过“排杂法”证明了上新世后期东南极冰盖曾经部分融化过。 这组样本形成于上新世后期到更新世早期（大约2.7到2.4百万年前），正好是地球气温从与现在相仿向着第四纪冰期跌落的阶段。在这些沉积物样本里含有许多海洋微生物的化石，这些化石的成分以碳酸盐为主，里面含有氧元素。 我们知道，氧元素有不同的稳定同位素，其中最常见的是氧16，其次是氧18。当这些海洋微生物死去的时候，它们所含的氧同位素比例就和当时海水环境中的同位素比例相同。因此，科学家可以通过分析这些化石中氧同位素比例，来还原出2.7到2.4百万年前海水中的同位素比例。而由于瑞利分馏现象的存在，氧16和氧18的比可以帮助我们重构古代的海水温度以及海平面变化。 总之，随着时间的推进，海洋里d18O的值会随着温度的波动而变化。当温度比较低的时候，海洋生物化石中的d18O会比较高，而当温度较低的时候，化石中的d18O会降低。这种变化趋势是由降水和海水蒸发的量所控制的。通过d18O及配套的Epstein公式，我们可以还原出不同时代海水的温度。 详细原理可以去看我之前写的另一篇回答： 除了氧同位素以外，从来自海底沉积物中的微生物化石样本中，还可以测得形成于当时的碳酸盐中镁和钙元素的比例，即Mg/Ca的值。形成于海水中的碳酸钙矿物主要是方解石和文石，它们的化学式都是CaCO3。不过有的时候，一些镁元素会浑水摸鱼地混入其中，在晶体结构里替换掉某些钙。通过一系列的实验和观测，科学家们发现，混入晶体中的镁的数量和海水的温度有关，并对其进行了量化。因此，化石中Mg/Ca的值也可以用来推测古代海水的温度。和氧同位素相比，Mg/Ca对温度变化的反应甚至更敏感。 自从上新世以来，全球的板块分布已经和今天相差无几，海陆分布和今天高度相似，因此影响海平面的要素主要有两个：两极的冰量（有多少水被固化、冰后回弹和地球物理校正）及海水的温度（热胀冷缩），而它们都能被d18O和Mg/Ca的值所反映出来。于是，科学家们利用从Site U-1313中获取的数据，重建了当时的海平面变化，得到了下面这个结果： 这幅图里，纵轴是海平面和现在的差值，黑色的水平线（modern sea level）是现在的海平面。横走左半截是第四纪（Quaternary）的开端，右边是新近纪（Neogene）的末尾，也就是上新世的末尾。我们知道，大致就是在这一时期，地球正式进入了最近的这次冰河时代，两极的冰盖大幅度生长，因此海平面是低于现在的水平的，其中也有冰期和间冰期的循环，冰期最低处比现在低了至少120米，而间冰期和现在差不多（目前的地球从这个意义上来说，也是处在第四纪大冰期中的一个间冰期）。 不过在第四纪初期以及新近纪后期，海平面有几次超过现代水平的波动，这说明当时两极的这些冰盖曾经大规模融化过。其中有几次还远远地高出了图中那条红色的水平线，甚至有时候能比现在高出40米。 那条红色水平线的位置代表海平面比现在高11.6米，它意味着什么呢？ 还记得我们对三大冰盖的介绍吗？格陵兰冰盖如果完全融化，海平面将会上升7.4米，西南极冰盖如果完全融化，海平面将会上升4.2米，它们加起来就是11.6米，而其它冰川完全融化后只能让海平面上升32厘米，在讨论这个问题的时候几乎可以忽略。 那么，超过这个11.6米线的那一部分海水来自哪里呢？很显然，答案只能是看似很稳定的东南极冰盖！ 也就是说，即便是在全球气温朝着冰期滑落的这个过程中，气候的波动也曾导致东南极冰盖的明显融化，而且那时的全球温度、二氧化碳浓度和IPCC较保守预测中21世纪末的情况很相近。这足以说明，东南极冰盖并没有人们之前想象中的那么高枕无忧，随着气温的升高，到本世纪末，东南极冰盖也可能出现不稳定的状况。而更令人担心的是，一旦东南极冰盖真的开始大规模消退，那么减少的反照率会让这个过程形成一个新的大规模正反馈，从而加速它的融化。这样一来就真的很危险了。 在2009年，英国的一个团队又在距离南极大陆东侧Wilkes Land盆地大约300公里的海底钻取了一组深海岩芯的沉积物样本，该样本对应的时间大约在530万至330万年前的上新世时期，比前文提到的那个样本稍早一点。这个英国团队利用这个样本，还原了南极洲东部在上新世期间的沉积物侵蚀的情况。他们的具体操作方法用通俗的话概括一下就是“冤有头债有主”，通过化学匹配来顺藤摸瓜。 这个团队测量了这组岩芯不同深度所对应的某些同位素的含量及比例（比如钕和锶同位素），并将它们和南极大陆上裸露出来的岩石中的含量进行对比。岩芯中的不同深度代表了不同的时间，如果某个时间所对应的同位素含量和南极大陆的岩石相似，则说明在该时间里，南极大陆的侵蚀现象比较严重，那么这个地点在当时很可能暴露在外，而非位于冰层之下的。 经过调查后，这个团队发现，南极大陆的Wilkes Land盆地在上新世时期曾经有过比较广泛的暴露。也就是说，至少在这个盆地，在上新世时期冰盖有过不稳定的现象。而该岩芯所对应的上新世时间段，地球的温度比现在高大约2到3摄氏度，这大约就是RCP 4.5条件下本世纪末将会达到的温度，这就更加印证了东南极冰盖很可能会在本世纪末变得不稳定的说法。 不过，东南极冰盖应对气温升高的敏感性仍然是一个有争议的问题，主要是因为通过岩芯和海洋沉积物样本所还原出来的数据在时间尺度上的分辨率还不够高，并且它们都来自单一的地点，无法确定是否在空间上具有代表性。因此，东南极冰盖在本世纪末乃至之后的时间里究竟会何去何从，目前仍然是一个地球科学界的前沿课题。 总之，两极冰盖不会在短期内完全融化，但它们的确已经在变得不稳定。而它们融化导致的海平面上升将会给各国沿海的经济发达地区带来巨大的挑战，对农业的干扰、潜在的气候灾难以及生态退化也是需要被考虑到的问题。冰盖将会继续缩小，海平面将在本世纪甚至未来的几个世纪内继续上升。我们也需要考虑尽量通过能源的重新配置、减少化石能源的排放，将冰盖融化的速率尽量减缓，以确保当前和将来的社会能够有充分的准备时间，从而平稳地适应海平面及气候环境的变化。 至于对冰盖研究的本身，我们学术圈需要做的就是持续改进冰盖的模型，根据现实世界的观测数据，对模型进行更加有效的测验，然后将最新的成果不断地纳入更新一代的气候模型，为应对气候变化和海平面上升提供更好的科学支持。 Cook, Carys P., et al. 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