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思韋茨冰川底下的暖水觀測,揭示未來融化速率可能超乎預期?

陳柏成 (Po Cheng Chen)
・2021/05/07 ・3427字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

思韋茨冰川 (Thwaites Glacier),又稱末日冰川 (Doomsday Glacier),是南極洲西部冰蓋 (ice sheet) 的一部分,面積約為 192,000 平方公里,相當於美國堪薩斯州的大小。也因其如此大的面積,加上近年快速的融化速率,使得科學家難以預估當前全球平均海平面的上升速率。為能更準確了解冰川消融對全球的影響,科學家有必要找出三個關鍵問題的答案:第一,是什麼造成冰川融化速率加快?第二,造成冰川融化加快的機制有哪些?以及第三,冰川融化加快將如何影響全球平均海平面上升?

圖一、思韋茨冰川 (Thwaites Glacier) 於南極洲的所在地。圖/USA TODAY

為什麼南極洲冰川加速融化

是什麼造成南極洲冰川融化速率加快?在過去科學家的研究中,就已注意到南極洲的冰蓋、冰棚 (ice shelf),會受到周圍相對溫暖的水流影響而導致融化 [1][2]。然而這些溫暖的水流是如何流動,以及這些水流如何影響這些冰川地形,受限於直接觀測資料的缺乏,一直是一個亟欲解決的問題。直到西元 2019 年,來自美國和英國的科學家,透過一項科學計畫 International Thwaites Glacier Collaboration (ITGC),針對思韋茨冰川進行更進一步的觀測 [3][4]。科學團隊們藉由多波束測深探測儀 (multibeam echo-sounder ,MBES) 的資料,試圖繪製出思韋茨冰川周圍的海床地形變化,以便進一步了解暖水在冰川周圍流動的路徑;掌握路徑分佈後,則可以改善模擬冰川融化的模型,從而提高預測全球海平面上升速率的準確性。

思韋茨冰川周圍海床地形分佈動畫。

觀測冰川底下暖水數據

今年最新的研究中,科學家首次針對思韋茨冰川底下的暖水收集觀測數據 [5]。這項任務的重要性在於,它可以幫助科學家回答以下問題:冰川底下海洋環流的基本性質是什麼?暖水主要是由哪一個路徑影響冰川?暖水可以深入冰川底下的洞穴到多遠的距離?以及冰川的融化速率有多大程度取決於暖水的流動?

要完整的了解暖水如何影響思韋茨冰川融化,首先要了解整體冰川地形的結構。從圖二可以看到,冰川 (Glacier) 屬於在陸面上緩慢流動的巨大冰體,而冰蓋 (Ice Shelf) 則為從陸地流入海洋大量的冰,在出海口累積成一片厚而廣大的浮冰,並與附近海岸線連成一體(可參考圖二)。當暖水流經冰棚底下,便會加速冰棚局部融化,而一旦冰棚融化,便會加快冰川流入海中的速率,從而加速冰川融解。第二,了解暖水的流動路徑及性質十分重要,其中路徑取決於冰川周遭的海底地形分佈。比喻來說,當水流經一道高牆時,流動的方向就會受到阻攔,反之當流經一個通道時,就會特別順暢;其中海脊 (ridge) 相對周圍地勢來得高,就如同那道高牆,而海槽 (trough) 則相比周遭地勢來得低,如同一個凹槽。因此對於暖水來說,海槽更像是一個容易經過的通道。

圖二、冰川 (Glacier)、冰蓋 (Ice Shelf) 與冰山 (Iceberg) 之間的關係。圖/UCDAVIS

目前科學家對於思韋茨冰川周圍的海床分佈已有一定了解,並推估出在冰川北方存在三個主要的海槽,分別標示為 T1、T2 及 T3(見圖三 A),推斷暖水可能透過這些區域進入冰棚底下。根據觀測,目前已知最高的融水 (meltwater) 濃度出現在思韋茨海槽 (Thwaites Trough),然而並不了解冰棚底下暖水的流動分佈;此外從圖三中可知,在東側存在海脊,因此暖水相對受到東側海脊的阻擋,更有可能經由北側透由深海槽進入思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT) 底下。根據先前模擬模型,思韋茨冰川的侵蝕與海洋動力存在關係 [6][7],且暖水主要從北側的路徑而來,東側進入的水體則相對少了許多,並僅在冰棚下流動約幾公里之遠。然而如先前所述,受限於觀測資料的缺乏,模型的模擬仍有許多改進空間。

圖三、思韋茨冰川研究範圍及其海床分佈。其中 TGT 為思韋茨冰川舌 (Thwaites Glacier Tongue, TGT),EIS 為東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。T1、T2、T3 為冰川北方主要三個深海槽。其他部分可參考文獻 [5] 中之 Fig. 1。

找出冰棚消融的主因

這次的研究中 [5],科學家透過新的觀測數據,發現海槽比原本預期的還要深約 100~300 公尺,並透過其他觀測儀器,如自主水下載具 (Autonomous Underwater Vehicle  , AUV) 等,量測這些海槽中海水的性質,確認在 T2 及 T3 兩個海槽中存在厚度約 200-300 公尺的暖水,並透過聲學都卜勒流速剖面儀 (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP) 數據的收集,推斷出在 T2 海槽中存在一向北流出的水體,而在 T3 海槽,則存有向南流入冰棚底部的暖水,該熱流約達 0.9 兆瓦 (terawatt, TW);根據推算,其將產生一年約 85 Gt(gigatonne, 十億噸 )的融水。從先前 2010-2018 年所建立的數據可得知,該處整體冰棚的融化速率約為 97.5 Gt/year,揭示出在 T3 流入的暖水可能為影響冰棚大部分消融的原因。

當相對高鹽度的暖水流入冰棚底部,失去潛熱並接觸融化的冰水後,水溫開始下降,由於與融水的混合,鹽度也隨之降低,最終提高含氧量 [8][9]。

透過這些資訊,科學家發現在 T2 海槽,融水的比例相對高於 T3,尤其是位於上層向北的水流(水深 400 公尺內)。另外透過 AUV 資料的收集,科學家發現來自 Pine Island Bay 的深層水透過流經東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS) 底下而抵達 T3 海槽區域。該發現比原先模型所預期的深層水流動範圍更向西延伸 [7],說明在 EIS 底下的海脊可能比原先預估的深度還要深(>1050 公尺),又或者並沒有如原先所推估的延伸至北邊,以阻擋來自 Pine Island Bay 的深層水。

圖四、依據觀測資料推估出思韋茨冰舌及東側冰棚下水流的路徑分佈。其中紅色箭頭表示溫鹽水流的主要路徑,藍色箭頭為流出冰棚富含融水的水流,紅色虛線箭頭指示可能流入的溫鹽水流。來自 Pine Island 海槽的兩條箭頭則表示以當前資料,仍無法確認深層水主要由哪一條路徑流入東側冰棚 (Eastern Ice Shelf, EIS)。[5]

根據本次研究 [5],科學家總結出高比例的融水主要在西側流出,而另兩個深層水主要分別流入冰棚兩側,其中之一為先前已知由思韋茨海槽進入的暖水,另一個則為之前未知、由 Pine Island Bay 流入的暖水路徑。後者由於受到在地氣候條件 [10] 以及 Pine Island 冰川融化的影響 [11],意味著未來思韋茨冰川的融化速率以及該處整體冰川動力機制,將會比原先模型所預期的,更加依賴於 Pine Island 區域當地條件。

冰川消融帶來的影響

由於冰棚的存在有助於減緩冰川上冰流入海水的速率,當冰棚因流入的暖水融化而逐漸脫離海床(失去如路障般的作用),便會反過來加速思韋茨冰川上的冰流入海中。冰川的前緣不斷融化導致朝陸地後退,最後高聳的冰川峭壁將承受不住自身重量,而快速崩解;一旦思韋茨冰川消失,會使得南極洲西側的冰蓋更不穩定,並可能造成連鎖崩解的效應。[12]

思韋茨冰川的融化貢獻每年全球海平面上升的 4%,而若整個冰川全部消失,則將造成全球海平面上升近 0.5 公尺的高度 [13],這將進一步影響各國海岸線的分佈、人口的遷移,甚至是氣候乃至生態系統的改變。當前南極的冰川融化問題無疑對當代人類再次敲響了警鐘,而若人類對於氣候變遷再不做出更多具體的因應作為,則隨著末日冰川的消失,人類的末日恐怕又將更靠近一步。

參考文獻

  1. Jacobs, S. S., Hellmer, H. H., & Jenkins, A. (1996). Antarctic ice sheet melting in the Southeast Pacific. Geophysical Research Letters, 23(9), 957-960.
  2. Jacobs, S., Giulivi, C., Dutrieux, P., Rignot, E., Nitsche, F., & Mouginot, J. (2013). Getz Ice Shelf melting response to changes in ocean forcing. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9), 4152-4168.
  3. Hogan, K. A., Larter, R. D., Graham, A. G., Arthern, R., Kirkham, J. D., Totten Minzoni, R., … & Wellner, J. (2020). Revealing the former bed of Thwaites Glacier using sea-floor bathymetry: implications for warm-water routing and bed controls on ice flow and buttressing. The Cryosphere, 14(9), 2883-2908.
  4. Jordan, T. A., Porter, D., Tinto, K., Millan, R., Muto, A., Hogan, K., … & Paden, J. D. (2020). New gravity-derived bathymetry for the Thwaites, Crosson, and Dotson ice shelves revealing two ice shelf populations. The Cryosphere, 14(9), 2869-2882.
  5. Wåhlin, A. K., Graham, A. G. C., Hogan, K. A., Queste, B. Y., Boehme, L., Larter, R. D., … & Heywood, K. J. (2021). Pathways and modification of warm water flowing beneath Thwaites Ice Shelf, West Antarctica. Science Advances, 7(15), eabd7254.
  6. Seroussi, H., Nakayama, Y., Larour, E., Menemenlis, D., Morlighem, M., Rignot, E., & Khazendar, A. (2017). Continued retreat of Thwaites Glacier, West Antarctica, controlled by bed topography and ocean circulation. Geophysical Research Letters, 44(12), 6191-6199.
  7. Nakayama, Y., Manucharyan, G., Zhang, H., Dutrieux, P., Torres, H. S., Klein, P., … & Menemenlis, D. (2019). Pathways of ocean heat towards Pine Island and Thwaites grounding lines. Scientific reports, 9(1), 1-9.
  8. Jenkins, A. (1999). The impact of melting ice on ocean waters. Journal of physical oceanography, 29(9), 2370-2381.
  9. Biddle, L. C., Heywood, K. J., Kaiser, J., & Jenkins, A. (2017). Glacial meltwater identification in the Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 47(4), 933-954.
  10. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., Dutrieux, P., Abrahamsen, E. P., Jenkins, A., … & Kim, T. W. (2017). Mechanisms driving variability in the ocean forcing of Pine Island Glacier. Nature communications, 8(1), 1-8.
  11. Webber, B. G., Heywood, K. J., Stevens, D. P., & Assmann, K. M. (2019). The impact of overturning and horizontal circulation in Pine Island Trough on ice shelf melt in the eastern Amundsen Sea. Journal of Physical Oceanography, 49(1), 63-83.
  12. Carolyn Beeler (2019). If Thwaites Glacier collapses, it would change global coastlines forever.
  13. SUSIE NEILSON (2020). Antarctica’s ‘Doomsday Glacier’ Is in Serious Danger, New Research Confirms.

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陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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