環境與生態

別讓南極冰河再流淚

再不設法減緩大型冰河退縮,我們的沿岸地區將全面沒入海中。

撰文/艾理(Richard B. Alley)
翻譯/張雨青
2019-04

環境與生態

別讓南極冰河再流淚

再不設法減緩大型冰河退縮,我們的沿岸地區將全面沒入海中。

撰文/艾理(Richard B. Alley)
翻譯/張雨青
2019-04


冰河正在融化,海平面正在升高。眾所周知,海水將會沿美國東岸、墨西哥灣與世界各地海岸線朝內陸進逼。科學家急於釐清的是,淹水程度會不會比預期嚴重:並非只弄濕鞋子,而是慘遭滅頂。這個重大問題是,我們是否即將進入超速融冰期?若是如此,消融的冰量多大?速度又多快?答案主要取決於南極洲西部偌大的史威茲冰河(Thwaites Glacier)如何回應人類的所作所為。這將決定在濱海街道上急馳的會是雪佛蘭魟魚跑車,還是長相奇特並帶有毒長尾的魟魚。


全球暖化造成山區冰河消融,海水隨著南北極冰層退縮而擴張。過去25年來,海平面每年平均不過上升0.3公分、一世紀約莫是0.3公尺;地球上剩餘的高山冰河若是全數消融,將會使海洋再升高0.3公尺。換成是南北極地區陸地上廣大的冰原,則可使海平面上升60公尺之多;稍有變化,我們的海岸就會大為改變。然而,南北極地區有長達數公里、高達數百公尺的冰崖持續崩解消失,已造成海平面明顯升高。


本世紀餘年的海平面上升程度,在嚴謹預估下還算中庸,要是暖化程度溫和,也許0.6公尺,即使劇烈暖化,也不到1.3公尺。科學家依確切證據指出,往後幾個世紀,持續升溫將使海平面上升程度增加許多。但冰原外緣要是退縮,全世界可能就進入超速融冰期。


北極傳來的警訊


為了確認這種事會不會到來,我們從正在發生的變化裡找尋線索,輔以對昔日地球的理解,還有關於冰雪的物理知識。許多線索來自格陵蘭冰原重要的雅各布港冰河(Jakobshavn Glacier)始於20年前的劇變,冰河受自身重量牽引而朝海洋方向前進,外緣觸及海水便消融崩落,後方的冰移動遞補。當冰的流失速度快於遞補速度,冰河最外緣便往後退,致使陸地上的冰原萎縮,海平面升高。


雅各布港冰河直入巴芬灣,是1980年代移動最快的冰河之一,這還是在前有冰棚(浮在海上的大片冰層)擋路的情況下。1990年代,海洋暖化約1℃,冰棚分裂,後方陸地上的冰河朝海岸前進的速度,因而快了不只一倍。今日的雅各布港冰河大幅退縮變薄,是海平面上升的「主要單一貢獻者」之一。該處岩層中的地質記錄顯示,過去曾發生雷同事件,而我們目前的觀察結果是,類似的作用正在改變格陵蘭的其他冰河。


史威茲冰河的體積更大,要是像雅各布港冰河那樣解凍,本身及鄰近的冰也會崩解,或許在短短數十年內使海平面升高超過三公尺。所以我們很快會面臨災難性海平面上升嗎?還是這情景誇大了?我們要如何得知史威茲冰河未來的動態?即將出爐的數據可提供解答。


計算史威茲冰河的風險甚是複雜。為了幫助理解,借早餐的鬆餅來做比喻:若你在鬆餅烤盤裡倒上一些麵糊,麵糊會漫過模子交錯的格紋流散開來。從物理學來看,麵糊受自身重量壓迫而向外圍推擠,克服底下格紋的摩擦力而擴散。當麵糊烤熟變硬,或你拿根刮勺阻擋麵糊,擴散速度才會慢下來。


冰河型冰原就像巨大鬆餅,厚達三公里,蓋住整塊大陸。降雪落在上頭,新雪的重量把舊雪擠壓成冰。這些巨大的冰丘非常堅固,即使笨重如軍用滑橇式運輸機都能降落其上,但冰丘仍然會像麵糊那樣流散。冰丘的溫度常與熔點差沒幾度,因而有些軟度,會從中央較高部位緩慢流向外緣,冰到了外緣便更容易消融。格陵蘭與南極洲上更厚更陡的冰丘,流散得更快。


如果順其自然,冰原會因持續降雪而越長越大,直到變得夠厚也夠陡,便開始流散、消融與分裂,抵消降雪的增冰效果。冰丘可以長時間維持一定大小,但在暖化中的地球可不是這般情景。


每年格陵蘭與南極洲的降雪,幾乎全由海水蒸發而來,相當於從所有海洋取走至少0.25公分水層、搬上陸地。冰原的冰目前則至少以此速率的15%回歸大海,有的消融成水、有的裂成冰山漂離,使海平面略微升高。消融甚於降雪的狀況若持續夠久,冰原就會消失;以近期速度來看,可能還要經歷10萬年。然而,暖化程度一旦加劇,消融就會加速,這正是全球面臨的現況。


少了冰棚擋路


冰原的流動取決於冰丘的扎實程度、底部、與陸地之間的潤滑程度,以及前方有無「路障」(與陸冰相連而浮在海上的冰棚)。一般而言,增溫的大氣可軟化冰層,也會使岩石上冰層底部的凍結部位解凍,如此一來,冰層便會加速朝海洋滑動。但此熱量可不是三兩下就能穿透三公里的厚冰。最近一次冰期(ice age)結束、至今一萬多年以來,氣溫的上升對大型冰原的加溫效應始終有限。


使冰層及下方岩盤增溫更快的途徑是,表層的冰消融成水、往下灌入裂隙。格陵蘭冰層側邊有幾處,夏季融水積聚在表面的碩大凹坑裡,因而形成湛藍美麗的大湖。水的密度大於冰,容易撐開裂隙,在裂隙底部能觸及冰下岩盤,湖水因而流失。湖泊的擴張能切開至少0.8公里厚的冰,形成比尼加拉瀑布更大的水流,不出一小時,對冰下岩盤的加溫效果可抵過去一萬年。


這是個重要過程,我們渴望研究它。但這不是全球沿岸居民的最大隱憂,因為崎嶇不平的岩盤也能防止冰太快衝向大海。


相同機制若發生在冰棚,可就大事不妙。在極寒之地,流入海中的浮冰與後方陸地上的冰相連,則稱為冰棚,冰棚幾乎只在受保護的海灣或峽灣才有。冰棚與周遭海岸摩擦而減緩移動,或遇到海床向上突起的地形擦碰冰底,拖慢了移動速度。只要陸地上的冰層有冰棚擋路,流向大海的速度就會減慢。


空氣暖化能使冰棚表面形成湖泊。當湖水貫透裂隙,冰棚就可能崩散。例如2002年,在史威茲冰河北方、位於南極半島的拉森B冰棚,短短五個星期就近乎澈底潰散,如骨牌般接連崩落,化成一塊塊冰山脫離而去。海平面並不會因此立即上升,畢竟冰棚本來就在海上。但少了冰棚,形同搬開路障,後方陸地上的冰原便加速流入海洋,冰的流失速度比原先快6~8倍。幸而拉森B冰棚後方是狹窄的南極半島,上頭冰量不多,因此海平面僅些微上升。但此事讓大家警覺到冰棚可以很快瓦解,解放擋在後方的冰河。暖化的海水也會使冰棚從下往上融化,就像雅各布港冰河的情況。


失去了冰棚,冰山便從冰原臨海的崖面上直崩入海。震撼的景象讓參加阿拉斯加郵輪行程的遊客看得歡心,也加速了冰原的毀滅。雅各布港冰河的現況是,海邊的崖面不時有冰山崩落,崖面海拔高逾90公尺,相當於30層樓,海面下的部份則是九倍之多。這些冰山轟然落海時,濺起的水花可達50層樓高,引發的地震連美國都有感。


到目前為止,冰棚消失與冰崖崩落造成海平面上升情況並不誇張。但史威茲冰河若也發生同樣情況,災難性海平面上升即將到來,因為一次地質事故就把這條冰河推往班特萊冰河下溝谷(Bentley Subglacial Trench),瀕臨「觸發點」。


退至觸發點


1956年秋天的某個上午,班特萊(Charles Bentley,我博士班的恩師)在美國哥倫比亞大學完成論文口試,隔天就跳上駛往巴拿馬的火車,接著搭船航向南方,參與國際地球物理年的研究計畫,目標是深入分析地球。他在南極洲西部待了兩年,回國後發現自己根本沒有畢業,因為他遲遲未繳論文費。這段期間,他和團隊進入伯德觀測站,踏遍南極洲西部浩瀚的冰雪地帶,路程超過4800公里。(班特萊於2017年87歲與世長辭。)


他們的眾多觀測結果當中,對本文而言最重要的當屬冰層厚度。他們在冰原表面進行小型爆破,使用地震儀偵測穿透冰原後從底下岩盤反射的聲波。這些數據顯示,南極洲西部並非只是高原上覆蓋一層薄冰。班特萊與團隊發現冰層很厚,還找到了班特萊冰河下溝谷。溝谷內部地勢陡降,深達海平面下方逾2.5公里,除了海底,地表上就屬此處最深;同時,此處的厚冰向上延伸至海平面上方逾1.5公里。


班特萊與團隊發現了一個觸發點。這個巨大的溝谷與鄰近的盆地位於南極西部冰原廣大中央部位的下方,倘若史威茲冰河外緣後退至溝谷,就會露出數百甚至上千公尺高的冰面,從半天高直崩溝谷深部。這樣的崖面遠大於雅各布港冰河或地球上任一處,它會快速崩裂,導致不可思議的高大冰山崩落漂離,通過溝谷的出口進入海洋,使海平面大幅上升。


數十年來的後續研究,不斷證實上述機制的重要性。剛從美國萊斯大學退休、任教43年的安德森(John B. Anderson)與許多學生使用側掃聲納等工具,努力不懈地探測南極洲外圍海域的大陸棚。南極的冰在冰期中朝四面八方外擴數公里,冰期結束時便退回去。現今南極洲外圍的海底,在過去是冰原下方的岩盤。海底沉積物中留存的證據,詳實記錄冰原過往的點點滴滴。


證據之一,擴張的冰原挾帶沉積物朝海洋推進,遇到海底抬升處,冰會穩定下來,沉積物接著堆積成冰磧(moraine),於冰河終端構成長條石丘,墊高了海底。冰可以維持這般狀態達數百或數千年,不夠強大的力量一般無法撼動它。如果全球暖化夠強,冰會順著底下的斜坡退至冰磧後方的谷地,直到另一處高脊,冰才會再度穩定,但通常已後退甚遠。同時,冰山會隨波逐流,越過低於海平面的舊冰磧而漂入海洋。


這種現象正在南極洲與格陵蘭周邊的許多地方發生。雅各布港冰河已「跳脫」原冰磧,順著山谷般的峽灣後退,「開通」一條路徑直達更寬廣的冰原。現在阿拉斯加的冰河灣(Glacier Bay)一帶,在當年第一批歐洲探險家抵達時,遍佈壯闊冰河,冰河終端在一處大型冰磧上。此後,冰河從這道隆起向內陸退到100多公里外的另一處高脊,即是今天這片美麗海灣的海岸線。.....